基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣凈化器設(shè)計(jì)

作者 王堯¹，李艷²，唐梅³(1.南京富島信息工程有限公司，江蘇 南京 210032;2.三江學(xué)院電工電子實(shí)驗(yàn)中心，江蘇 南京 210012)

　　摘要：隨著全球工業(yè)化的發(fā)展，空氣污染越發(fā)嚴(yán)重，這不僅會(huì)對(duì)人的身體健康產(chǎn)生傷害，還會(huì)間接影響人的精神健康。為解決室內(nèi)空氣污染問題，本文設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣凈化系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：空氣凈化器和移動(dòng)應(yīng)用軟件。空氣凈化器利用單片機(jī)一方面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量，另一方面自動(dòng)控制空氣加濕單元、凈化單元、設(shè)備聯(lián)動(dòng)單元，同時(shí)通過板載Wi-Fi模塊連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。手機(jī)應(yīng)用軟件能遠(yuǎn)程控制空氣凈化器，實(shí)現(xiàn)加濕、凈化空氣及溫控器聯(lián)動(dòng)這三大主要功能，在享受萬物互聯(lián)便捷的同時(shí)有效改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，提高了室內(nèi)居住環(huán)境的舒適度。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);空氣凈化器;空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè);Wi-Fi

　　0 引言

　　隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，工業(yè)在為人類創(chuàng)造巨大財(cái)富的同時(shí)，也把無數(shù)的廢氣和污染物排入大氣之中，目前空氣污染已成為全世界城市居民不得不面對(duì)的問題^[1-2]。室內(nèi)作為城市居民主要的活動(dòng)場(chǎng)所，其空氣質(zhì)量備受關(guān)注^[3]。

　　為改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103的空氣凈化器，使用等離子、負(fù)離子及過濾碳網(wǎng)對(duì)室內(nèi)的空氣進(jìn)行過濾、殺菌^[4]。同時(shí)，空氣凈化器與“互聯(lián)網(wǎng)+”的大平臺(tái)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)凈化器的遠(yuǎn)程控制，并提供加濕、聯(lián)動(dòng)溫控器的功能，是一款結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的智能化空氣凈化器，可為城市居民提供更加便利、舒適的生活^[5-6]。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述

　　1.1 硬件組成電路框圖

　　空氣凈化器主要由電源模塊、MCU控制單元、傳感器單元、空氣凈化單元、Wi-Fi模塊、紅外輸入模塊、聲光指示模塊、設(shè)備聯(lián)動(dòng)模塊等幾個(gè)部分組成，其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

　　1.2 系統(tǒng)工作原理及主要功能介紹

　　MCU主控單元首先讀取當(dāng)前所有傳感器的值，室內(nèi)PM2.5、CO2濃度、溫濕度、TVOC濃度等，然后經(jīng)風(fēng)機(jī)控制，等離子、負(fù)離子來凈化室內(nèi)空氣。同時(shí)通過空氣凈化器溫濕度的設(shè)定值，控制加濕閥門和設(shè)備聯(lián)動(dòng)的溫控器，從而達(dá)到恒濕恒溫的目的。此外主控單元還會(huì)將處理后的數(shù)據(jù)按照物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的通信協(xié)議發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的服務(wù)器中，方便用戶通過手機(jī)客戶端實(shí)時(shí)查看室內(nèi)傳感器的數(shù)據(jù)，了解當(dāng)前室內(nèi)的空氣質(zhì)量。不僅如此，用戶還可以通過紅外遙控器對(duì)空氣凈化器進(jìn)行直接控制或者通過Wi-Fi遠(yuǎn)程的方式對(duì)空氣凈化器和系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的設(shè)備進(jìn)行控制，真正實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間任意地點(diǎn)都能對(duì)家中室內(nèi)的空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和改善。

　　2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 電源管理電路

　　本系統(tǒng)采用的是外部DC 12 V供電，在DC 12 V輸入后直接給等離子、負(fù)離子、風(fēng)機(jī)這些負(fù)載供電，然后通過DC-DC變換將DC 12 V降為DC 5 V，為各類傳感器供電;最后再利用LDO將DC 5 V分兩路降為3.3 V，一路為主控單元及其外圍設(shè)備供電，一路為Wi-Fi模塊供電。具體電路如圖2所示。

　　2.2 MCU主控單元電路

　　STM32F103系列單片機(jī)微處理器構(gòu)建于高性能的Cortex-M3(32位RISC)內(nèi)核，是一種擁有高速處理能力的強(qiáng)大單片機(jī)，性價(jià)比卓越。默認(rèn)工作主頻為72 MHz，其內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，擁有豐富的增強(qiáng)型I/O端口和外設(shè)。片內(nèi)集成最高64 KB的RAM以及512 KB的ROM，同時(shí)支持JTAG和SWD兩種調(diào)試方式，具有兩個(gè)12位逐次逼近型的AD轉(zhuǎn)換器，最高分辨率為12位，4096級(jí)。最高具有11個(gè)定時(shí)器、4個(gè)16位定時(shí)器、2個(gè)看門狗定時(shí)器、1個(gè)系統(tǒng)滴答定時(shí)器。另外，它還具有2個(gè)IIC接口、5個(gè)USART接口、3個(gè)SPI接口、CAN接口、USB2.0接口等外設(shè)。具體如圖3所示。

　　2.3 設(shè)備聯(lián)動(dòng)模塊電路

　　在與其他設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)采用RS485總線的物理通信接口與聯(lián)動(dòng)的設(shè)備連接，通過差分的方式傳輸信號(hào)，通信穩(wěn)定、不易受外界干擾，并采用現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)Modbus Rtu協(xié)議與聯(lián)動(dòng)的設(shè)備進(jìn)行通信交互。具體電路如圖4所示。

　　2.4 傳感器及凈化單元電路

　　MCU主控單元通過I2C、串口、AD等外設(shè)接口讀取傳感器的數(shù)據(jù);凈化單元模塊有等離子、負(fù)離子、新風(fēng)風(fēng)機(jī)、出風(fēng)風(fēng)機(jī)組成，風(fēng)機(jī)使用PWM進(jìn)行調(diào)速實(shí)現(xiàn)四檔風(fēng)速的調(diào)節(jié);使用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)涂鴉智能平臺(tái)提供的Wi-Fi模組，以實(shí)現(xiàn)與涂鴉智能云平臺(tái)的連接。通過加濕閥與加濕電機(jī)可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)恒濕的控制。具體如圖5所示。

　　2.5 紅外及聲光指示單元電路

　　MCU主控單元通過級(jí)聯(lián)2個(gè)74HC595來控制多個(gè)雙色LED及蜂鳴器，節(jié)約了MCU中GPIO的資源，降低了成本;同時(shí)具有紅外接收管，其在異常情況下，可使用本地的紅外遙控器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。具體電路如圖6所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本次系統(tǒng)程序采用C語(yǔ)言編寫，程序編寫使用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)方法，達(dá)到高內(nèi)聚低耦合的標(biāo)準(zhǔn)，提高各模塊的獨(dú)立性，方便開發(fā)人員的調(diào)試和維護(hù)。程序功能模塊包括程序初始化模塊、Wi-Fi數(shù)據(jù)處理模塊、紅外遙控命令解析模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、聯(lián)動(dòng)設(shè)備控制模塊、加濕模塊、定時(shí)模塊、濾網(wǎng)使用壽命模塊和系統(tǒng)模式控制模塊，在主函數(shù)中調(diào)用各個(gè)模塊的接口，按照既定的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)空氣凈化、加濕與遠(yuǎn)程查看和控制的功能。系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。

　　4 實(shí)現(xiàn)功能

　　本系統(tǒng)由空氣凈化器和手機(jī)應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成，使用Wi-Fi連接互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)空氣凈化器與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)后臺(tái)的連接，手機(jī)客戶端也通過網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接，可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣凈化器的控制，主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

　?、龠h(yuǎn)程查看室內(nèi)空氣質(zhì)量及控制空氣凈化器，方便快捷;

　?、谶^濾空氣中大部分的顆粒物，改善居住的空氣環(huán)境;

　　③等離子和負(fù)離子殺除空氣中大部分對(duì)人體有害的細(xì)菌，減少生病的幾率;

　?、転槭覂?nèi)提供足夠的水分，為人們提供更加舒適的氣候條件;

　?、菘梢詤f(xié)同溫度控制器一起工作，在空氣凈化器智能化后，將溫度控制器也加入物聯(lián)網(wǎng)中，提高了人們對(duì)室內(nèi)小家電的科技感，更加方便人們的生活。

　　5 結(jié)論

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣凈化器，經(jīng)過測(cè)試可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)之初的所有功能，且可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。該空氣凈化器在可以凈化空氣的同時(shí)，還提供了加濕和設(shè)備聯(lián)動(dòng)的功能，能有效的改善室內(nèi)居住環(huán)境的空氣質(zhì)量，提高生活環(huán)境的舒適度，提升人們的幸福指數(shù)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]姚佳,張自嘉,朱莉.智能室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件, 2015(1):203-208.

　　[2]湯云峰.空氣凈化器智能化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].東南大學(xué), 2015.

　　[3]房金寶,韓宇光,張賢益,等.智能空氣凈化器的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2017(3):66.

　　[4]趙雷,周中平,葛偉,等.室內(nèi)空氣凈化器及其應(yīng)用前景[J]. 環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2006(1):4-7.

　　[5]Contini D, Gambaro A, Belosi F, et al. The direct influence of ship traffic on atmospheric PM2.5, PM10 and PAH in Venice.[J].Journal of Environmental Management, 2011, 92(9):2119-2129.

　　[6]Wang X, Wei P, Zhang Y, et al. System Software Design of Air Purifier Based on Internet of Things Technology[J]. Journal of Anhui Polytechnic University, 2018.

本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第42頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處