一種室內(nèi)空氣質(zhì)量智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)

周磊?何旭東?梅春雷

摘 要：為了改善目前日益嚴(yán)峻的室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量，通過智能控制新風(fēng)與空調(diào)聯(lián)動(dòng)為突破口，結(jié)合紅外探測(cè)技術(shù)、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、空氣凈化技術(shù)等集成一套室內(nèi)空氣質(zhì)量智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)集中收集室內(nèi)空氣各指標(biāo)參數(shù)，通過智能云端控制策略自動(dòng)遠(yuǎn)程控制空調(diào)、新風(fēng)、空氣凈化模塊的啟停和換擋，系統(tǒng)在優(yōu)化室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量的同時(shí)大大提高了空調(diào)和新風(fēng)的運(yùn)行效率，具有提高室內(nèi)舒適度與節(jié)能雙重作用。

基金支持：重慶市應(yīng)用開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（cstc2013yykfA0082）

1.引言

現(xiàn)代建筑為了提高房屋的保溫性能與安全性，密封化程度越來越高門窗可開啟面積越來越小室外自然風(fēng)無法進(jìn)入室內(nèi)，造成室內(nèi)的空氣不流通、熱量積聚和細(xì)菌滋生；加之裝飾材料、家具、家用電器、清潔劑等不斷釋放的揮發(fā)性有機(jī)物VOC，室內(nèi)空氣污染程度常常比室外空氣污染嚴(yán)重2～3倍，在某些情況下，甚至可達(dá)100多倍。在室內(nèi)可檢測(cè)出約300多種污染物。越來越嚴(yán)峻的室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量嚴(yán)重影響了人體健康。相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示人體68%的疾病都與室內(nèi)空氣污染有關(guān)。傳統(tǒng)關(guān)窗開空調(diào)的做法解決了室內(nèi)溫濕度失衡的問題，但仍不能有效降低室內(nèi)空氣的污染物濃度、細(xì)菌濃度和CO2濃度。為了解決上述問題通常人們采用在空調(diào)使用過程中打開門窗，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)。這一普遍采用的空調(diào)采暖季節(jié)通風(fēng)方式不僅極大的增加空調(diào)的負(fù)荷，加重能源的損耗，而且在很多場(chǎng)合難以應(yīng)用，例如：當(dāng)室外噪聲嚴(yán)重時(shí)，開窗通風(fēng)換氣會(huì)引來噪聲污染；當(dāng)室外風(fēng)沙、灰塵較大時(shí)，開窗會(huì)破壞原本清潔的室內(nèi)環(huán)境；晚上或者人少的時(shí)候，開窗會(huì)帶來一些安全隱患。

2. 開發(fā)室內(nèi)空氣質(zhì)量智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)包括軟件和硬件兩部分。硬件部分由人員活動(dòng)探測(cè)器、空氣品質(zhì)傳感器、無線控制模塊組成。軟件部分為空氣質(zhì)量云端管理平臺(tái)，平臺(tái)可運(yùn)行在用戶的手機(jī)或PC上，整套系統(tǒng)的軟硬件通過用戶的家庭局域網(wǎng)連接起來，系統(tǒng)各部件間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交換。

2.2 部件的功能說明

人員活動(dòng)探測(cè)器負(fù)責(zé)探測(cè)房間的人員進(jìn)出和滯留情況，其工作原理是由于人在探測(cè)器覆蓋區(qū)域內(nèi)移動(dòng)引起接收到的紅外輻射變化而產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，空氣品質(zhì)傳感器負(fù)責(zé)探測(cè)室內(nèi)的通風(fēng)換氣情況與污染物濃度，無線控制模塊負(fù)責(zé)實(shí)施對(duì)終端設(shè)備調(diào)控命令，空氣質(zhì)量云端管理平臺(tái)負(fù)責(zé)接收處理傳感器傳遞來的數(shù)據(jù)并對(duì)無線控制模塊下達(dá)調(diào)控命令。

2.3 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)通過布置于各房間的人員活動(dòng)探測(cè)器探測(cè)房間的人員活動(dòng)情況，當(dāng)檢測(cè)到人員進(jìn)入并滯留后，云端管理平臺(tái)啟動(dòng)對(duì)空氣品質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)的分析服務(wù)，平臺(tái)根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定理想?yún)?shù)范圍對(duì)接收到空氣指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果匹配相應(yīng)的控制策略，控制策略轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后傳輸至空調(diào)、新風(fēng)、空氣凈化器的無線控制端，由無線控制端控制控制三者的聯(lián)動(dòng)啟停，從而達(dá)到了智能控制的目的。

2.4 硬件設(shè)計(jì)

（1）人員活動(dòng)探測(cè)器

傳感器部分：在入戶過道順次安裝兩個(gè)傳感器A、B，每當(dāng)有人順序通過AB或BA時(shí)，通過光敏二極管及配套元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳給整個(gè)電路，使電路開始工作。

觸發(fā)其部分：利用JK觸發(fā)器，將人通過入戶過道的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為CP脈沖，從而驅(qū)動(dòng)進(jìn)入人員計(jì)數(shù)器、出去人員計(jì)數(shù)器及逗留人員計(jì)數(shù)器等其他部分工作。

計(jì)數(shù)器部分：將計(jì)數(shù)器分為兩部分，一個(gè)是同步加法計(jì)數(shù)器74LS160N，對(duì)進(jìn)入及出去人員分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。一個(gè)是可逆計(jì)數(shù)器74LS192D，將進(jìn)出人員信號(hào)分別輸入到計(jì)數(shù)器中，通過計(jì)算得出逗留人員數(shù)目。

（2）無線控制模塊

基于無線網(wǎng)絡(luò)的控制模塊結(jié)構(gòu)如圖所示，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)群、網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控中端構(gòu)成。通過網(wǎng)關(guān)與各無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、顯示，也可根據(jù)需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和控制等。網(wǎng)關(guān)完成RS-232接口到無線接口之間的轉(zhuǎn)換。無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要完成中段設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的采集，根據(jù)監(jiān)控主機(jī)的指令通過紅外遙控方式控制終端設(shè)備的運(yùn)行，并通過無線網(wǎng)絡(luò)完成與監(jiān)控主機(jī)的通信

2.5 軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)本身數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)多、傳輸數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率低的特點(diǎn)；又由于IEEE802.15.4本身支持多跳和端到端的通信方式提供設(shè)備級(jí)無線連接，為保證網(wǎng)絡(luò)通信暢通和低能量消耗，提高節(jié)點(diǎn)的生存能力，因此本系統(tǒng)采用基于IEEE802.15.4的通信協(xié)議體系結(jié)構(gòu)在本系統(tǒng)應(yīng)用中，PHY層為最底層，由射頻收發(fā)器及底層的控制模塊組成，主要功能信道能量檢測(cè)（ED），信道接受數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量檢測(cè)指示（LQI），空閑信道評(píng)估（CCA）；MAC層為第二層，采用載波監(jiān)聽多址沖突退避（CSMA-CA）機(jī)制，支持網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)操作以及時(shí)槽保障（GTS）機(jī)制，用來確保周期性和非周期性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。SSCS（特點(diǎn)服務(wù)匯聚子層）提供確實(shí)的數(shù)據(jù)傳輸和LLC（邏輯鏈路子層）管理數(shù)據(jù)鏈路通信；網(wǎng)絡(luò)層主要為系統(tǒng)多跳通信提供可靠的路由通信鏈路。

3.結(jié)語

系統(tǒng)根據(jù)收集到室內(nèi)空氣指標(biāo)參數(shù)，量化的配置了控制調(diào)節(jié)方案，有效地減少了空調(diào)與新風(fēng)的運(yùn)行能耗，通過智能控制空調(diào)與新風(fēng)的運(yùn)行參數(shù)，確保其工作在人體所需的健康環(huán)境之中，有利于人體的健康。在優(yōu)化室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量的同時(shí)大大提高了空調(diào)和新風(fēng)的運(yùn)行效率，具有科學(xué)降低能耗和進(jìn)化室內(nèi)空氣的雙重意義。