室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

近年來(lái)室內(nèi)空氣污染物的來(lái)源和種類不斷增多，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量日益惡劣，對(duì)人體健康影響較大，目前已引起人們的廣泛關(guān)注并成為研究熱點(diǎn)。調(diào)查表明，人有 80% 以上的時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)的，室內(nèi)環(huán)境污染對(duì)人們的身體健康和生活工作質(zhì)量帶來(lái)了直接影響。市場(chǎng)上的凈化器只起到凈化效果，且其檢測(cè)及凈化裝置為一個(gè)整體，效果差強(qiáng)人意。本系統(tǒng)采用分立式設(shè)計(jì)，凈化范圍廣、安裝便捷，不僅能凈化空氣，還具有防火、防泄漏、報(bào)警等功能，可消除室內(nèi)安全隱患[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)端主機(jī)（1 個(gè)）、監(jiān)測(cè)端從機(jī)（多個(gè)）、凈化端（多個(gè)）和上位機(jī)（電腦客戶端和手機(jī) App）組成，由這 4 部分構(gòu)成完整的網(wǎng)絡(luò)，作為智能家居的組成部分[2]。

1.1 監(jiān)測(cè)端主機(jī)

監(jiān)測(cè)端主機(jī)是系統(tǒng)的核心單元，是系統(tǒng)的控制中心和數(shù)據(jù)處理中心。它采用TFT 屏進(jìn)行人機(jī)交互，用戶可以查看各個(gè)房間的溫濕度及氣體濃度，當(dāng)室內(nèi)空氣污濁時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟凈化端凈化空氣，若室內(nèi)有害氣體或甲烷濃度高于100 ppm 時(shí)，認(rèn)為室內(nèi)空氣危險(xiǎn)，啟動(dòng)聲光報(bào)警。同時(shí)配備WiFi 模塊和藍(lán)牙模塊分別用于連接電腦客戶機(jī)和手機(jī) App。監(jiān)測(cè)端主機(jī)與從機(jī)通過(guò) 2.4 G 模塊通信，從機(jī)把溫濕度以及氣體濃度信息傳送給主機(jī)。

1.2 監(jiān)測(cè)端從機(jī)

監(jiān)測(cè)端從機(jī)主要負(fù)責(zé)空氣信息的采集，包含氣體溫濕度、PM2.5、CO2、CO、甲烷等。不同的從機(jī)可以攜帶不同的傳感器， 每個(gè)從機(jī)可以同時(shí)攜帶 1 ～5 個(gè)不同的氣體傳感器。

1.3 凈化端

凈化端主要起凈化空氣的作用?？梢詢艋?PM2.5，降解甲醛和苯，產(chǎn)生負(fù)氧離子，吸收異味 [3]。

1.4 上位機(jī)

上位機(jī)部分主要由PC 端客戶機(jī)和手機(jī) App 組成，PC 端通過(guò)WiFi 和監(jiān)測(cè)端主機(jī)連接，手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙方式連接。通過(guò)WiFi 或者藍(lán)牙可以在電腦客戶端或者手機(jī) App 上實(shí)時(shí)觀察室內(nèi)的空氣情況，并將 7 天內(nèi)的信息繪制成曲線，給出合理建議。

系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件方案

監(jiān)測(cè)端主機(jī)采用功能強(qiáng)大的STM32F407ZET6 作為主控芯片[4，5]，主頻高達(dá) 168 MHz，擁有豐富的外設(shè)模塊，可以滿足無(wú)線收發(fā)以及彩屏控制等功能的需要。采用nRF24L01 芯片作為無(wú)線傳輸芯片，該芯片通過(guò) SPI 接口和主控相連。與手機(jī) App 通信時(shí)采用藍(lán)牙方式，所以使用CC2540 芯片作為藍(lán)牙傳輸芯片與手機(jī) App 進(jìn)行通信，它通過(guò)串口和主控相連，數(shù)據(jù)傳輸非常方便。采用WiFi 的方式與電腦客戶端連接，將ESP8266 芯片作為藍(lán)牙傳輸芯片，當(dāng)電腦連接上該芯片發(fā)射出的WiFi 信號(hào)后便可與電腦客戶端進(jìn)行通信 [6]。ESP8266 芯片同樣也通過(guò)串口與主控相連，配置一塊分辨率為 320 240 的彩色觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互。采用 5 V 開(kāi)關(guān)電源[7] 供電為常用供電方式，鋰電池為備用供電方式。鋰電池充電采用TP4056 芯片，其充電電路如圖 2 所示。

考慮到監(jiān)測(cè)端從機(jī)功能較為單一，所以采用引腳較少、主頻較低的STM32F103C8T6為主控芯片。與主機(jī)一樣，無(wú)線傳輸采用nRF24L01芯片和主機(jī)進(jìn)行通信。由AM2321溫濕度模塊測(cè)量室內(nèi)溫濕度，該芯片比較靈敏、準(zhǔn)確，對(duì)溫度的分辨率可達(dá)到 0.1℃，精度為 0.5℃，它通過(guò) I2C總線和主控進(jìn)行通信。提供 4 種氣體傳感器的接口，分別為檢測(cè) PM2.5的SDS011傳感器接口、檢測(cè)CO2的MH-Z14傳感器接口、檢測(cè)甲烷的MQ-2傳感器接口和檢測(cè)CO氣體的MQ-7傳感器接口。其中SDS011通過(guò)讀取數(shù)據(jù)口的高電平比例來(lái)計(jì)算 PM2.5的濃度，其他氣體傳感器均采用ADC轉(zhuǎn)換的方式讀取氣體濃度。供電采用12V開(kāi)關(guān)電源和鋰電池混合供電的方式，開(kāi)關(guān)電源為常用供電方式，鋰電池為備用供電方式[8]，當(dāng)停電時(shí)立即開(kāi)啟鋰電池供電。

凈化端內(nèi)部主要由風(fēng)扇、過(guò)濾網(wǎng)、負(fù)氧離子發(fā)生器組成。其中負(fù)氧離子發(fā)生器和風(fēng)扇由監(jiān)測(cè)端從機(jī)控制，負(fù)氧離子發(fā)生器由紫外燈板組成，紫外燈照射空氣后可以產(chǎn)生大量負(fù)氧離子， 使空氣更加清新。過(guò)濾網(wǎng)由光觸媒濾網(wǎng)、HEPA濾網(wǎng)、活性炭濾網(wǎng)組成，空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾網(wǎng)后不僅可以降解苯、甲苯等有害分子，還可以吸附 PM2.5，吸收異味。當(dāng)監(jiān)測(cè)端主機(jī)檢測(cè)到空氣污濁時(shí)，控制風(fēng)扇和紫外燈板凈化空氣。

2.2 軟件方案

系統(tǒng)共使用 4 個(gè) 2.4 G 無(wú)線模塊，模塊初始狀態(tài)均配置為接收方式，每個(gè)無(wú)線模塊擁有不同的地址，依次為 0x01 到0x04。當(dāng)某個(gè)模塊需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)先配置發(fā)送方式，將接收地址和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)包中后開(kāi)啟發(fā)送，數(shù)據(jù)包發(fā)送成功后會(huì)收到接收方的應(yīng)答信號(hào)，可以根據(jù)應(yīng)答信號(hào)的有無(wú)判斷數(shù)據(jù)包是否發(fā)送成功。如果發(fā)送成功則重新切換成接收狀態(tài)，如果發(fā)送失敗則重新發(fā)送，連續(xù) 5次發(fā)送失敗后放棄發(fā)送。2.4 G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包格式如表 1所列[9]。

WiFi 模塊、藍(lán)牙模塊分別和電腦、手機(jī)建立連接后可直接使用發(fā)送函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

監(jiān)測(cè)端從機(jī)每分鐘采集 10 次空氣成分信息，經(jīng)處理后發(fā)送到監(jiān)測(cè)端主機(jī)。由于測(cè)量數(shù)據(jù)易受環(huán)境影響，會(huì)產(chǎn)生粗大誤差，所以在 10 次測(cè)量結(jié)果中剔除粗大誤差后取平均值作為當(dāng)前空氣濃度的真實(shí)值。剔除粗大誤差采用格拉布斯準(zhǔn)則： 當(dāng)某測(cè)量值 Ui 的殘差的絕對(duì)值|Vi| ＞ G時(shí)，則剔除 Ui，其中G 值與測(cè)量次數(shù)和置信概率有關(guān)[10]， 為數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

監(jiān)測(cè)端主機(jī)首先接收空氣成分?jǐn)?shù)據(jù)，在 TFT屏上顯示， 若與電腦或手機(jī)建立連接則將數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦或者手機(jī)。當(dāng)空氣污濁（CO2濃度大于 500ppm、PM2.5濃度大于 25g/ m3）時(shí)，發(fā)送凈化指令到監(jiān)測(cè)端從機(jī)，從機(jī)控制凈化端凈化空氣。當(dāng)有害氣體濃度超過(guò)正常值時(shí)，開(kāi)啟聲光警報(bào)，同時(shí)發(fā)送凈化指令。監(jiān)測(cè)端主機(jī)程序框圖如圖 3所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為檢測(cè) 2.4 G 網(wǎng)絡(luò)能否通信，可通過(guò)編程讓 4 個(gè)監(jiān)測(cè)端從機(jī)每秒發(fā)送 20 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，在主機(jī)的 TFT 屏上實(shí)時(shí)顯示接收到的數(shù)據(jù)，用以驗(yàn)證結(jié)果是否達(dá)到了預(yù)期要求。

為檢測(cè)系統(tǒng)的凈化能力以及測(cè)量的準(zhǔn)確度，特地購(gòu)置了阿格瑞斯公司型號(hào)為WP6120 的 PM2.5 檢測(cè)儀。在生活中， PM2.5 的來(lái)源主要是廚房里的油煙，所以實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇在廚房，將 WP6120 檢測(cè)儀和本系統(tǒng)放置于同一地點(diǎn)并產(chǎn)生一定的油煙，記錄兩者的數(shù)據(jù)并繪制成如圖 4 所示的凈化效果圖。

由測(cè)量結(jié)果可知，本系統(tǒng)的誤差在 1 g/m3 范圍內(nèi)，對(duì)PM2.5 的濾除非常有效，整體上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了空氣檢測(cè)及凈化和可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警的功能。同時(shí)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合在一起，符合當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的方向。

系統(tǒng)具有電腦客戶端和手機(jī)App，TFT 彩色屏等人機(jī)交互界面，非常人性化。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性，大大提高了人們的生活質(zhì)量，可廣泛應(yīng)用于家庭、醫(yī)療系統(tǒng)、行政機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位等場(chǎng)所。