室內空氣監(jiān)測凈化系統(tǒng)設計

引 言

近年來室內空氣污染物的來源和種類不斷增多，室內環(huán)境質量日益惡劣，對人體健康影響較大，目前已引起人們的廣泛關注并成為研究熱點。調查表明，人有 80% 以上的時間是在室內度過的，室內環(huán)境污染對人們的身體健康和生活工作質量帶來了直接影響。市場上的凈化器只起到凈化效果，且其檢測及凈化裝置為一個整體，效果差強人意。本系統(tǒng)采用分立式設計，凈化范圍廣、安裝便捷，不僅能凈化空氣，還具有防火、防泄漏、報警等功能，可消除室內安全隱患[1]。

1 系統(tǒng)設計

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

1.1 監(jiān)測端主機

監(jiān)測端主機是系統(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 屏進行人機交互，用戶可以查看各個房間的溫濕度及氣體濃度，當室內空氣污濁時自動開啟凈化端凈化空氣，若室內有害氣體或甲烷濃度高于100 ppm 時，認為室內空氣危險，啟動聲光報警。同時配備WiFi 模塊和藍牙模塊分別用于連接電腦客戶機和手機 App。監(jiān)測端主機與從機通過 2.4 G 模塊通信，從機把溫濕度以及氣體濃度信息傳送給主機。

1.2 監(jiān)測端從機

監(jiān)測端從機主要負責空氣信息的采集，包含氣體溫濕度、PM2.5、CO2、CO、甲烷等。不同的從機可以攜帶不同的傳感器， 每個從機可以同時攜帶 1 ～5 個不同的氣體傳感器。

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)生負氧離子，吸收異味 [3]。

1.4 上位機

上位機部分主要由PC 端客戶機和手機 App 組成，PC 端通過WiFi 和監(jiān)測端主機連接，手機通過藍牙方式連接。通過WiFi 或者藍牙可以在電腦客戶端或者手機 App 上實時觀察室內的空氣情況，并將 7 天內的信息繪制成曲線，給出合理建議。

系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 硬件方案

監(jiān)測端主機采用功能強大的STM32F407ZET6 作為主控芯片[4，5]，主頻高達 168 MHz，擁有豐富的外設模塊，可以滿足無線收發(fā)以及彩屏控制等功能的需要。采用nRF24L01 芯片作為無線傳輸芯片，該芯片通過 SPI 接口和主控相連。與手機 App 通信時采用藍牙方式，所以使用CC2540 芯片作為藍牙傳輸芯片與手機 App 進行通信，它通過串口和主控相連，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 芯片作為藍牙傳輸芯片，當電腦連接上該芯片發(fā)射出的WiFi 信號后便可與電腦客戶端進行通信 [6]。ESP8266 芯片同樣也通過串口與主控相連，配置一塊分辨率為 320 240 的彩色觸摸屏進行人機交互。采用 5 V 開關電源[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)測端從機功能較為單一，所以采用引腳較少、主頻較低的STM32F103C8T6為主控芯片。與主機一樣，無線傳輸采用nRF24L01芯片和主機進行通信。由AM2321溫濕度模塊測量室內溫濕度，該芯片比較靈敏、準確，對溫度的分辨率可達到 0.1℃，精度為 0.5℃，它通過 I2C總線和主控進行通信。提供 4 種氣體傳感器的接口，分別為檢測 PM2.5的SDS011傳感器接口、檢測CO2的MH-Z14傳感器接口、檢測甲烷的MQ-2傳感器接口和檢測CO氣體的MQ-7傳感器接口。其中SDS011通過讀取數(shù)據(jù)口的高電平比例來計算 PM2.5的濃度，其他氣體傳感器均采用ADC轉換的方式讀取氣體濃度。供電采用12V開關電源和鋰電池混合供電的方式，開關電源為常用供電方式，鋰電池為備用供電方式[8]，當停電時立即開啟鋰電池供電。

凈化端內部主要由風扇、過濾網(wǎng)、負氧離子發(fā)生器組成。其中負氧離子發(fā)生器和風扇由監(jiān)測端從機控制，負氧離子發(fā)生器由紫外燈板組成，紫外燈照射空氣后可以產(chǎn)生大量負氧離子， 使空氣更加清新。過濾網(wǎng)由光觸媒濾網(wǎng)、HEPA濾網(wǎng)、活性炭濾網(wǎng)組成，空氣經(jīng)過過濾網(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。當監(jiān)測端主機檢測到空氣污濁時，控制風扇和紫外燈板凈化空氣。

2.2 軟件方案

系統(tǒng)共使用 4 個 2.4 G 無線模塊，模塊初始狀態(tài)均配置為接收方式，每個無線模塊擁有不同的地址，依次為 0x01 到0x04。當某個模塊需要發(fā)送數(shù)據(jù)時先配置發(fā)送方式，將接收地址和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)包中后開啟發(fā)送，數(shù)據(jù)包發(fā)送成功后會收到接收方的應答信號，可以根據(jù)應答信號的有無判斷數(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)絡數(shù)據(jù)包格式如表 1所列[9]。

WiFi 模塊、藍牙模塊分別和電腦、手機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)測端從機每分鐘采集 10 次空氣成分信息，經(jīng)處理后發(fā)送到監(jiān)測端主機。由于測量數(shù)據(jù)易受環(huán)境影響，會產(chǎn)生粗大誤差，所以在 10 次測量結果中剔除粗大誤差后取平均值作為當前空氣濃度的真實值。剔除粗大誤差采用格拉布斯準則： 當某測量值 Ui 的殘差的絕對值|Vi| ＞ G時，則剔除 Ui，其中G 值與測量次數(shù)和置信概率有關[10]， 為數(shù)據(jù)的標準差。

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

3 系統(tǒng)測試

為檢測 2.4 G 網(wǎng)絡能否通信，可通過編程讓 4 個監(jiān)測端從機每秒發(fā)送 20 個字節(jié)的數(shù)據(jù)，在主機的 TFT 屏上實時顯示接收到的數(shù)據(jù)，用以驗證結果是否達到了預期要求。

為檢測系統(tǒng)的凈化能力以及測量的準確度，特地購置了阿格瑞斯公司型號為WP6120 的 PM2.5 檢測儀。在生活中， PM2.5 的來源主要是廚房里的油煙，所以實驗地點選擇在廚房，將 WP6120 檢測儀和本系統(tǒng)放置于同一地點并產(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。

由測量結果可知，本系統(tǒng)的誤差在 1 g/m3 范圍內，對PM2.5 的濾除非常有效，整體上達到了設計要求。

4 結 語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了空氣檢測及凈化和可燃氣體泄漏報警的功能。同時和物聯(lián)網(wǎng)技術結合在一起，符合當今技術發(fā)展的方向。

系統(tǒng)具有電腦客戶端和手機App，TFT 彩色屏等人機交互界面，非常人性化。系統(tǒng)具有很強的實用性，大大提高了人們的生活質量，可廣泛應用于家庭、醫(yī)療系統(tǒng)、行政機關、企事業(yè)單位等場所。