基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣凈化器設計

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(xué)院電工電子實(shí)驗中心，江蘇 南京 210012)

　　摘要：隨著(zhù)全球工業(yè)化的發(fā)展，空氣污染越發(fā)嚴重，這不僅會(huì )對人的身體健康產(chǎn)生傷害，還會(huì )間接影響人的精神健康。為解決室內空氣污染問(wèn)題，本文設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣凈化系統。該系統主要由兩部分構成：空氣凈化器和移動(dòng)應用軟件。空氣凈化器利用單片機一方面實(shí)時(shí)監測室內空氣質(zhì)量，另一方面自動(dòng)控制空氣加濕單元、凈化單元、設備聯(lián)動(dòng)單元，同時(shí)通過(guò)板載Wi-Fi模塊連接物聯(lián)網(wǎng)平臺。手機應用軟件能遠程控制空氣凈化器，實(shí)現加濕、凈化空氣及溫控器聯(lián)動(dòng)這三大主要功能，在享受萬(wàn)物互聯(lián)便捷的同時(shí)有效改善室內空氣質(zhì)量，提高了室內居住環(huán)境的舒適度。

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

　　0 引言

　　隨著(zhù)時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，工業(yè)在為人類(lèi)創(chuàng )造巨大財富的同時(shí)，也把無(wú)數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(wèn)題^[1-2]。室內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]。

　　為改善室內空氣質(zhì)量，本文設計了一款基于STM32F103的空氣凈化器，使用等離子、負離子及過(guò)濾碳網(wǎng)對室內的空氣進(jìn)行過(guò)濾、殺菌^[4]。同時(shí)，空氣凈化器與“互聯(lián)網(wǎng)+”的大平臺相結合，實(shí)現對室內凈化器的遠程控制，并提供加濕、聯(lián)動(dòng)溫控器的功能，是一款結合物聯(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 系統總體設計概述

　　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、設備聯(lián)動(dòng)模塊等幾個(gè)部分組成，其系統總體設計框圖如圖1所示：

　　1.2 系統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PM2.5、CO2濃度、溫濕度、TVOC濃度等，然后經(jīng)風(fēng)機控制，等離子、負離子來(lái)凈化室內空氣。同時(shí)通過(guò)空氣凈化器溫濕度的設定值，控制加濕閥門(mén)和設備聯(lián)動(dòng)的溫控器，從而達到恒濕恒溫的目的。此外主控單元還會(huì )將處理后的數據按照物聯(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(hù)通過(guò)手機客戶(hù)端實(shí)時(shí)查看室內傳感器的數據，了解當前室內的空氣質(zhì)量。不僅如此，用戶(hù)還可以通過(guò)紅外遙控器對空氣凈化器進(jìn)行直接控制或者通過(guò)Wi-Fi遠程的方式對空氣凈化器和系統聯(lián)動(dòng)的設備進(jìn)行控制，真正實(shí)現任意時(shí)間任意地點(diǎn)都能對家中室內的空氣質(zhì)量進(jìn)行監測和改善。

　　2 系統硬件電路設計

　　2.1 電源管理電路

　　本系統采用的是外部DC 12 V供電，在DC 12 V輸入后直接給等離子、負離子、風(fēng)機這些負載供電，然后通過(guò)DC-DC變換將DC 12 V降為DC 5 V，為各類(lèi)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建于高性能的Cortex-M3(32位RISC)內核，是一種擁有高速處理能力的強大單片機，性?xún)r(jià)比卓越。默認工作主頻為72 MHz，其內置高速存儲器，擁有豐富的增強型I/O端口和外設。片內集成最高64 KB的RAM以及512 KB的ROM，同時(shí)支持JTAG和SWD兩種調試方式，具有兩個(gè)12位逐次逼近型的AD轉換器，最高分辨率為12位，4096級。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(mén)狗定時(shí)器、1個(gè)系統滴答定時(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。具體如圖3所示。

　　2.3 設備聯(lián)動(dòng)模塊電路

　　在與其他設備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)時(shí)，系統采用RS485總線(xiàn)的物理通信接口與聯(lián)動(dòng)的設備連接，通過(guò)差分的方式傳輸信號，通信穩定、不易受外界干擾，并采用現場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn)標準Modbus Rtu協(xié)議與聯(lián)動(dòng)的設備進(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(guò)I2C、串口、AD等外設接口讀取傳感器的數據;凈化單元模塊有等離子、負離子、新風(fēng)風(fēng)機、出風(fēng)風(fēng)機組成，風(fēng)機使用PWM進(jìn)行調速實(shí)現四檔風(fēng)速的調節;使用物聯(lián)網(wǎng)平臺涂鴉智能平臺提供的Wi-Fi模組，以實(shí)現與涂鴉智能云平臺的連接。通過(guò)加濕閥與加濕電機可實(shí)現室內恒濕的控制。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(guò)級聯(lián)2個(gè)74HC595來(lái)控制多個(gè)雙色LED及蜂鳴器，節約了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系統進(jìn)行控制。具體電路如圖6所示。

　　3 系統軟件設計

　　本次系統程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，程序編寫(xiě)使用模塊化和層次化的設計方法，達到高內聚低耦合的標準，提高各模塊的獨立性，方便開(kāi)發(fā)人員的調試和維護。程序功能模塊包括程序初始化模塊、Wi-Fi數據處理模塊、紅外遙控命令解析模塊、傳感器數據采集模塊、聯(lián)動(dòng)設備控制模塊、加濕模塊、定時(shí)模塊、濾網(wǎng)使用壽命模塊和系統模式控制模塊，在主函數中調用各個(gè)模塊的接口，按照既定的控制邏輯，實(shí)現空氣凈化、加濕與遠程查看和控制的功能。系統主程序流程圖如圖7所示。

　　4 實(shí)現功能

　　本系統由空氣凈化器和手機應用軟件兩大部分構成，使用Wi-Fi連接互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現空氣凈化器與物聯(lián)網(wǎng)平臺后臺的連接，手機客戶(hù)端也通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與物聯(lián)網(wǎng)平臺連接，可遠程實(shí)時(shí)查看狀態(tài)，并實(shí)現對空氣凈化器的控制，主要實(shí)現功能如下：

　?、龠h程查看室內空氣質(zhì)量及控制空氣凈化器，方便快捷;

　?、谶^(guò)濾空氣中大部分的顆粒物，改善居住的空氣環(huán)境;

　?、鄣入x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;

　?、転槭覂忍峁┳銐虻乃?，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，提高了人們對室內小家電的科技感，更加方便人們的生活。

　　5 結論

　　本系統設計的基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣凈化器，經(jīng)過(guò)測試可實(shí)現設計之初的所有功能，且可以長(cháng)期穩定運行。該空氣凈化器在可以?xún)艋諝獾耐瑫r(shí)，還提供了加濕和設備聯(lián)動(dòng)的功能，能有效的改善室內居住環(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。

　　參考文獻

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本文來(lái)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(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處