基于物聯(lián)網(wǎng)的智能新風系統(tǒng)的研究

劉乾 信向譽 孫德欣 孫昭意

摘 要：隨著空氣質(zhì)量的惡化、霧霾的肆意橫行、人們對空氣質(zhì)量的擔憂，一種小型的智能新風系統(tǒng)應(yīng)運而生。簡要分析了傳統(tǒng)新風系統(tǒng)的缺點和不足，并在傳統(tǒng)新風系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行改造和升級。巧妙運用了傳感器裝置和WIFI智能控制裝置，通過液晶屏將檢測到的室內(nèi)溫濕度、PM2.5含量、VOC（有機物）含量直觀顯示出來，一旦室內(nèi)有毒氣體含量超標便會自動發(fā)出警報，同時開啟風機進行換風處理。為了完成智能的檢測與控制，我們提出了基于Android手機用戶端的智能新風系統(tǒng)的設(shè)計與研究。本設(shè)計以智能小巧，價格低廉為亮點，方便家庭室內(nèi)的安裝與使用。

關(guān)鍵詞：新風系統(tǒng);互聯(lián)網(wǎng);WiFi技術(shù);智能控制;報警裝置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.126

1 引言

如今，霧霾天氣在冬季和春季頻繁出現(xiàn)，使得人們開始對空氣質(zhì)量問題越來越擔憂。除此，室內(nèi)新裝修的房屋會產(chǎn)生多種致癌物如甲醛等氣體也使得人們對裝修后室內(nèi)的空氣提出了更高的要求。所以，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量已經(jīng)成為目前急需解決的問題。家庭中普遍采用的空氣凈化器依然存在著許多問題，如：采用內(nèi)循環(huán)的方式無法提供室外的新鮮空氣、占地空間大、安裝需要破壞墻體、價格昂貴。為解決上述問題，我們在傳統(tǒng)新風系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計出了一款小型家用智能新風系統(tǒng)，低成本且安裝便捷。

通過對傳統(tǒng)新風系統(tǒng)的分析與研究，我們看到了還存在許多不盡如人意的方面。近幾年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛，智能家居逐漸火熱起來，我們想到了新風系統(tǒng)的智能控制和互聯(lián)網(wǎng)進行接入，從而實現(xiàn)用戶在手機上實時進行調(diào)控室內(nèi)的狀況。同時，隨著人們需求越來越多元化，我們加入了溫濕度檢測、PM2.5的檢測、VOC的檢測等常見的環(huán)境傳感裝置。本項目就在考慮到人們的各種需求，把新風系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)當中，利用現(xiàn)在越來越普及的智能手機進行遠程控制，實時監(jiān)測自己家中的各種數(shù)據(jù)。在兼顧產(chǎn)品的功能的時候，考慮到了成本的問題。因此本設(shè)計無論是在材料的選購還是安裝上面都考慮了經(jīng)濟性和大眾性。產(chǎn)品功耗低、省電，并且采用附著的方式，安裝方便、占地空間小，適合在新舊住宅區(qū)的安裝?？梢灶A(yù)測在不久的未來傳統(tǒng)新風系統(tǒng)將會逐步淘汰，進而被智能新風系統(tǒng)所取代。

2 智能新風系統(tǒng)的整體設(shè)計方案

新風系統(tǒng)的設(shè)計是基于控制器集成板?？刂破骷砂宓慕Y(jié)構(gòu)如圖1所示，包括電源模塊、顯示屏、報警模塊、灰塵檢測模塊、溫濕度采集模塊、氣體傳感模塊、WiFi模塊等幾大部分。新風系統(tǒng)可以分為三個階段：監(jiān)測過程、控制過程和執(zhí)行過程。通過傳感器的實時監(jiān)測來實現(xiàn)凈化過程，中心控制單元來控制電力驅(qū)動裝置，達到換風的目的。室外新鮮空氣與室內(nèi)空氣混合進入新風機，經(jīng)初效過濾網(wǎng)阻擋毛發(fā)、灰塵、PM10等大顆粒懸浮物，再經(jīng)過高效過濾網(wǎng)過濾細小顆粒物，盡可能降低出風口PM2.5的百分含量。同時各個模塊采集信息并在液晶屏上顯示數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)實時控制調(diào)節(jié)的功能。CPU得到傳感器模塊檢測的信息，然后將信息通過無線網(wǎng)送入服務(wù)端口，客戶通過手機遠程訪問服務(wù)器，實時查詢當前室內(nèi)PM2.5含量，VOC含量以及有毒氣體的含量，從而客戶根據(jù)當前的室內(nèi)環(huán)境狀況來實時調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 電源模塊

為了滿足同時為風機，單片機以及wifi模塊供電，采用低功耗并且具有過載短路保護功能的220V轉(zhuǎn)5V和220V轉(zhuǎn)3.3V的AC-DC降壓電源模塊HLK-5M系列，保證各個模塊正常可靠的工作。

3.2 單片機核心控制模塊

本設(shè)計采用STC89C52RC單片機，含有8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，內(nèi)置4KB EEPROM，看門狗定時器，MAX810復(fù)位電路，全雙工串行口，并且含有32位I/O口線，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)。另外，STC89C52RC單片機還可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作。在空閑模式下，CPU停止工作，仍然允許RAM、中斷、定時器/計數(shù)器、串口繼續(xù)工作。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。此模塊在本設(shè)計中起著重要作用，需要對所有的數(shù)據(jù)進行處理，并且向執(zhí)行模塊發(fā)送指令。

3.3 傳感器模塊

傳感器模塊的設(shè)計是基于STC89C52單片機的控制系統(tǒng)，通過選擇不同模塊的傳感器來檢測PM2.5的含量、溫濕度和VOC的含量，實現(xiàn)功能的多樣化，滿足用戶的需求。

溫濕度檢測模塊采用DHT11傳感器，來可以檢測周圍環(huán)境的溫度和濕度，溫度測量范圍為0度-50度，可以以數(shù)字形式輸出數(shù)據(jù)。

PM2.5檢測模塊是基于光學原理的粉塵傳感器，其在檢測非常細的顆粒的時候是較為有效的，價格較低，并且常用在空氣凈化系統(tǒng)中。在此裝置中，含有紅外發(fā)光二極管和光電晶體管各一個，裝置定向發(fā)射LED光，通過檢測經(jīng)過空氣中灰塵折射過后的光線進而判斷灰塵的含量。

VOC傳感器模塊采用MQ135氣體傳感器。該傳感器不僅對氨氣、苯系蒸汽的靈敏度較高，而且對煙霧和其它有害氣體的檢測也很理想，此傳感器成本較低，適合于多種應(yīng)用。

3.4 風機以及安裝模塊

通常新風系統(tǒng)的安裝是在房屋裝修的時候進行的，這樣不僅可以較好的完成新風系統(tǒng)的安裝而且不會影響到室內(nèi)的裝修設(shè)計。但是通常人們在裝修的時候往往沒有考慮新風系統(tǒng)的安裝。為了解決這樣的問題，文章設(shè)計了采用附著的安裝方式。同時為了節(jié)省寶貴的室內(nèi)空間，文章設(shè)計了具有集成度高、無需鋪設(shè)管道適用于裝修后的房子、體積比傳統(tǒng)的新風系統(tǒng)更小的智能新風系統(tǒng)。新型新風系統(tǒng)采用附著安裝，對于房子的戶型以及室內(nèi)狀況沒有太多的要求，僅僅需要在其背后打上兩個孔就可以了。

4 系統(tǒng)的智能化設(shè)計

目前的智能化家居不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的新風系統(tǒng)已經(jīng)逐漸退出競爭的舞臺。因此，為了迎合國人的這種需求，我們設(shè)計了一種智能化的新風系統(tǒng)。新風系統(tǒng)以模糊控制實現(xiàn)智能控制調(diào)節(jié)，通過WIFI模塊接入路由器，進而接入網(wǎng)絡(luò)。同時文章采用eclipse中的GUI交互式界面為軟件平臺，通過Java語言對APP顯示界面以及WiFi模塊與單片機主控電路的連接達到顯示數(shù)據(jù)的目的。用戶通過手機遠程訪問服務(wù)器，實時查詢當前室內(nèi)PM2.5含量，VOC含量以及有毒氣體的含量，從而可以通過當前環(huán)境狀況來實時調(diào)節(jié)新風系統(tǒng)的開關(guān)和風量大小的智能調(diào)節(jié)，真正做到了WIFI模塊與手機APP的智能連接。

5 結(jié)語

智能新風系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)新風系統(tǒng)的缺陷，實現(xiàn)了通過WIFI模塊進行智能調(diào)節(jié)的功能，并且具有不用鋪設(shè)管道，占地面積小的優(yōu)點，這是傳統(tǒng)新風系統(tǒng)無法做到的，并且智能新風系統(tǒng)的安裝便捷，花費較少，智能化程度高，在大多數(shù)場合都能應(yīng)用得到。根據(jù)目前國內(nèi)的環(huán)境狀況，本文以室內(nèi)新風系統(tǒng)為研究對象，提出智能控制加物聯(lián)網(wǎng)的新風設(shè)計系統(tǒng)方案。這樣既實現(xiàn)了人們對新風系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)，又方便用戶通過手機進行遠程監(jiān)控和調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。智能新風系統(tǒng)可以隨著計算機軟硬件技術(shù)的升級而進行換代。并且適用于各種場所，很大程度符合了實際應(yīng)用的要求，具有一定的實際應(yīng)用價值。

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作者簡介：劉乾（1998-），男，河北衡水人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化研究。