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基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣凈化器設(shè)計(jì)

作者:王堯 李艷 唐梅 時(shí)間:2019-01-29 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

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)

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201901/397269.htm

  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)了一款基于的空氣凈化系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成:和移動(dòng)應(yīng)用軟件。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)通過板載模塊連接平臺(tái)。手機(jī)應(yīng)用軟件能遠(yuǎn)程控制,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;空氣凈化器;;

  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、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:

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  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。

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  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。

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  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。

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  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。

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  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。

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  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。

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  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)

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  [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



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