基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣凈化器設(shè)計

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;2.三江學院電工電子實驗中心，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)嚴重，這不僅會對人的身體健康產(chǎn)生傷害，還會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：空氣凈化器和移動應(yīng)用軟件。空氣凈化器利用單片機一方面實時監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量，另一方面自動控制空氣加濕單元、凈化單元、設(shè)備聯(lián)動單元，同時通過板載Wi-Fi模塊連接物聯(lián)網(wǎng)平臺。手機應(yīng)用軟件能遠程控制空氣凈化器，實現(xiàn)加濕、凈化空氣及溫控器聯(lián)動這三大主要功能，在享受萬物互聯(lián)便捷的同時有效改善室內(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;Wi-Fi

　　0 引言

　　隨著時代的進步和科技的發(fā)展，工業(yè)在為人類創(chuàng)造巨大財富的同時，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的問題^[1-2]。室內(nèi)作為城市居民主要的活動場所，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)計了一款基于STM32F103的空氣凈化器，使用等離子、負離子及過濾碳網(wǎng)對室內(nèi)的空氣進行過濾、殺菌^[4]。同時，空氣凈化器與“互聯(lián)網(wǎng)+”的大平臺相結(jié)合，實現(xiàn)對室內(nèi)凈化器的遠程控制，并提供加濕、聯(lián)動溫控器的功能，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)動模塊等幾個部分組成，其系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖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)風機控制，等離子、負離子來凈化室內(nèi)空氣。同時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)動的溫控器，從而達到恒濕恒溫的目的。此外主控單元還會將處理后的數(shù)據(jù)按照物聯(lián)網(wǎng)平臺的通信協(xié)議發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺的服務(wù)器中，方便用戶通過手機客戶端實時查看室內(nèi)傳感器的數(shù)據(jù)，了解當前室內(nèi)的空氣質(zhì)量。不僅如此，用戶還可以通過紅外遙控器對空氣凈化器進行直接控制或者通過Wi-Fi遠程的方式對空氣凈化器和系統(tǒng)聯(lián)動的設(shè)備進行控制，真正實現(xiàn)任意時間任意地點都能對家中室內(nèi)的空氣質(zhì)量進行監(jiān)測和改善。

　　2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

　　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、負離子、風機這些負載供電，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大單片機，性價比卓越。默認工作主頻為72 MHz，其內(nèi)置高速存儲器，擁有豐富的增強型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，同時支持JTAG和SWD兩種調(diào)試方式，具有兩個12位逐次逼近型的AD轉(zhuǎn)換器，最高分辨率為12位，4096級。最高具有11個定時器、4個16位定時器、2個看門狗定時器、1個系統(tǒng)滴答定時器。另外，它還具有2個IIC接口、5個USART接口、3個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)動模塊電路

　　在與其他設(shè)備進行聯(lián)動時，系統(tǒng)采用RS485總線的物理通信接口與聯(lián)動的設(shè)備連接，通過差分的方式傳輸信號，通信穩(wěn)定、不易受外界干擾，并采用現(xiàn)場工業(yè)總線標準Modbus Rtu協(xié)議與聯(lián)動的設(shè)備進行通信交互。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、負離子、新風風機、出風風機組成，風機使用PWM進行調(diào)速實現(xiàn)四檔風速的調(diào)節(jié);使用物聯(lián)網(wǎng)平臺涂鴉智能平臺提供的Wi-Fi模組，以實現(xiàn)與涂鴉智能云平臺的連接。通過加濕閥與加濕電機可實現(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主控單元通過級聯(lián)2個74HC595來控制多個雙色LED及蜂鳴器，節(jié)約了MCU中GPIO的資源，降低了成本;同時具有紅外接收管，其在異常情況下，可使用本地的紅外遙控器對系統(tǒng)進行控制。具體電路如圖6所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　本次系統(tǒng)程序采用C語言編寫，程序編寫使用模塊化和層次化的設(shè)計方法，達到高內(nèi)聚低耦合的標準，提高各模塊的獨立性，方便開發(fā)人員的調(diào)試和維護。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)動設(shè)備控制模塊、加濕模塊、定時模塊、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)用各個模塊的接口，按照既定的控制邏輯，實現(xiàn)空氣凈化、加濕與遠程查看和控制的功能。系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。

　　4 實現(xiàn)功能

　　本系統(tǒng)由空氣凈化器和手機應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成，使用Wi-Fi連接互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)空氣凈化器與物聯(lián)網(wǎng)平臺后臺的連接，手機客戶端也通過網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)平臺連接，可遠程實時查看狀態(tài)，并實現(xiàn)對空氣凈化器的控制，主要實現(xiàn)功能如下：

　?、龠h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等離子和負離子殺除空氣中大部分對人體有害的細菌，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)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣凈化器，經(jīng)過測試可實現(xiàn)設(shè)計之初的所有功能，且可以長期穩(wěn)定運行。該空氣凈化器在可以凈化空氣的同時，還提供了加濕和設(shè)備聯(lián)動的功能，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

　　[1]姚佳,張自嘉,朱莉.智能室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計[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)計與實現(xiàn)[D].東南大學, 2015.

　　[3]房金寶,韓宇光,張賢益,等.智能空氣凈化器的設(shè)計與開發(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，歡迎您寫論文時引用，并注明出處