基于無線監(jiān)控的離子水霧化加濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張登明， 陳家新， 陸紀(jì)勛

(東華大學(xué)，上海 201620)

基于無線監(jiān)控的離子水霧化加濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張登明， 陳家新， 陸紀(jì)勛

(東華大學(xué)，上海201620)

基于現(xiàn)有霧化加濕系統(tǒng)，結(jié)合無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電解水技術(shù)和傳感器檢測技術(shù)，并對(duì)離子水霧化裝置進(jìn)行了研究，提出并設(shè)計(jì)了基于無線監(jiān)控的離子水霧化加濕系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)外溫濕度，并通過無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)離子水發(fā)生裝置和其他溫控設(shè)備進(jìn)行控制，還可以在加濕過程中對(duì)病原體進(jìn)行有效抑制或殺滅，達(dá)到環(huán)境保濕和預(yù)防病原體滋生的作用。

無線通信； 電解水； 降溫保濕； 消毒殺菌

0 引 言

傳統(tǒng)的加濕裝置控制方式單一，缺少實(shí)時(shí)檢測和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，對(duì)空氣和霧化液的消毒效果不理想[1]。

通過對(duì)離子水施加高壓電場，可有效增強(qiáng)電解水的殺菌消毒性能[2]。離子水最終可還原成普通水，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染。本文介紹了離子水的環(huán)保殺菌特性，并結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)，搭建無線物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)控平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于無線監(jiān)控的離子水霧化加濕系統(tǒng)。

1 離子水的滅菌機(jī)理

傳統(tǒng)離子水通過電解一定濃度的NaCl溶液制備。電解產(chǎn)生酸性離子水主要用于消毒，但同時(shí)會(huì)流失堿性離子水[3]。本文可將電解得到的離子水全部用于殺菌消毒且無任何化學(xué)殘留。通過增大電解槽的電極面積，合理的設(shè)計(jì)電解槽結(jié)構(gòu)有效提高了電解效率。

采用陽離子隔膜電解槽，經(jīng)電解后兩極產(chǎn)生兩種離子水。陽離子交換膜只允許陽離子通過，陰極側(cè)的陰離子及還原物質(zhì)均無法通過[4]。根據(jù)USA20110121110研究證實(shí)：酸性離子水和堿性離子水混合液短時(shí)間內(nèi)仍然具有較理想的滅菌消毒效果[5]。將兩種離子水混合后霧化，在霧化噴頭處外加一個(gè)高壓脈沖電場，充分利用離子水的導(dǎo)電性傳遞電荷，建立一定強(qiáng)度的高壓電場，增強(qiáng)了滅菌消毒能力。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

圖1為裝置的系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括：智能終端、路由器、無線通信模塊、傳感器模塊、主控板模塊和離子水制備模塊。其中，通過單片機(jī)控制無線通信模塊、傳感器模塊和電解模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理。以上3個(gè)模塊和主控板構(gòu)成一種裝置。每種裝置相同，功能相同，但操作和監(jiān)控獨(dú)立。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)的工作原理

使用前根據(jù)房間的實(shí)際面積和使用環(huán)境，通過監(jiān)控終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。加濕系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)加濕量做出計(jì)算，并控制電解裝置運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，各個(gè)傳感器模塊將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)整合處理后，由無線通信模塊傳送至路由器，再經(jīng)路由器發(fā)送到監(jiān)控終端。用戶可根據(jù)實(shí)際需求自行設(shè)定系統(tǒng)自動(dòng)加濕或手動(dòng)加濕，系統(tǒng)會(huì)通過預(yù)先設(shè)定的離子水霧化程序?qū)ρb置進(jìn)行控制。系統(tǒng)的傳感器檢測與霧化加濕過程同時(shí)進(jìn)行，形成實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集和動(dòng)態(tài)的反饋調(diào)節(jié)。電解裝置收到電解信號(hào)后，開啟開關(guān)閥門給裝置供水，同時(shí)電解槽電極通電電解，后經(jīng)高壓電場對(duì)電解后的離子水使能，最終霧化噴射。整個(gè)溫濕度檢測過程和加濕過程循環(huán)進(jìn)行。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 裝置設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的離子水發(fā)生裝置直接電解自來水制備離子水，對(duì)電解電壓和電解電流等方面均有極高的要求，基于對(duì)國外高效離子水發(fā)生裝置的研究[6]，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，電解裝置如圖2所示。選用大面積鈦網(wǎng)電極，隔膜式電解槽進(jìn)行電解。選用鈦網(wǎng)電極不但增加了電極的表面積，而且提高了電解效率。同時(shí)裝置的陰、陽電極緊貼在離子交換膜兩側(cè)，促進(jìn)了離子交換。電解槽供電使用自倒極供電模式，能減少電極表面結(jié)垢，提高電解效率，延長使用壽命。在電解裝置的霧化噴射處施加單電極的高壓電場端子，通過對(duì)噴射的μm級(jí)的離子水霧使能，在一定范圍建立一定強(qiáng)度的電場[2]。高壓電場裝置與霧化噴頭一體化設(shè)計(jì)，利用離子水的導(dǎo)電性能傳遞電荷，可有效提高離子水的消毒殺菌效果[7]。

圖2 離子水發(fā)生裝置

控制系統(tǒng)原理如圖3所示，主控板接收來自無線模塊的信號(hào)，電磁閥打開,電解電路開始運(yùn)行，控制電解槽驅(qū)動(dòng)電路和高壓產(chǎn)生電路，LED指示燈閃爍提示運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 控制電路原理框圖

3.2 傳感器模塊選擇

傳感器應(yīng)滿足功耗低，成本低，穩(wěn)定性好，使用壽命長等要求。選用貼片型溫濕度傳感器SHT11,濕度測量范圍[8]0%～100%RH；溫度測量范圍-40～123.8℃;濕度測量精度±3%RH;溫度測量精度±0.4℃，其具有在同類產(chǎn)品中低價(jià)格和高精度的特點(diǎn)[7]。無線模塊選用ESP8266，具有較好的抗干擾性能，開發(fā)便捷特點(diǎn)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 無線通信模塊設(shè)計(jì)

無線通信模塊用于主控板與智能終端的信息通信。無線模塊和智能終端間的通信流程如圖4所示。

圖4 通信流程

4.2 主控板的設(shè)計(jì)

主控板模塊是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分，主控板連接系統(tǒng)的4個(gè)主要功能模塊：主程序模塊、電解模塊、傳感器模塊和高壓電場生成模塊。通過控制面板對(duì)室內(nèi)加濕環(huán)境進(jìn)行設(shè)定，例如房間面積，人員流動(dòng)量和環(huán)境參數(shù)等。設(shè)定單位時(shí)間噴射量，可通過調(diào)節(jié)霧化時(shí)間控制加濕量。根據(jù)濕平衡計(jì)算出需要的加濕量。加濕器的加濕量、人員的散濕量、其它設(shè)備的散濕量及進(jìn)入室內(nèi)的濕量與從室內(nèi)排出的濕量之差應(yīng)等于室內(nèi)濕量的變化率[1]，如式(1)

W+W1+W2+G·dw=G·dndτ

(1)

式中W為加濕器的加濕量，g/h;W1為室內(nèi)人員的散濕量，g/h;dw為室外空氣的含濕量，g/kg;W2為其它裝置的散濕量，g/h;G為進(jìn)入室內(nèi)的空氣量，g/h;dn為室內(nèi)空氣的含濕量，g/kg;τ為時(shí)間，h。在穩(wěn)定狀態(tài)下,由式(1)得

W=G·(dn-dw)-W1-W2

(2)

由式(2)可見,房間內(nèi)需要的加濕量與進(jìn)入室內(nèi)的空氣量、室內(nèi)外空氣含濕量、室內(nèi)人員及設(shè)備散濕量有關(guān)。在冬季，由于室外空氣的含濕量dw小于室內(nèi)空氣的含濕量dn,而人員的散濕量又比較小,在不考慮W2的條件下[1],通過對(duì)環(huán)境的舒適度檢測統(tǒng)計(jì)后，可確定最適宜的溫濕度范圍。20m2房間大約需要270mL/h的加濕量，40～50m2的房間大約需要540mL/h的加濕量。加濕時(shí)間可根據(jù)式(3)確定

T=Qq+c

(3)

式中T為加濕器的加濕時(shí)間，s;Q為室內(nèi)所需的散濕量，mL;q為加濕器的噴射量，mL/s；C為其他環(huán)境因素參數(shù)。

運(yùn)行過程中，房間參數(shù)經(jīng)無線模塊發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將實(shí)時(shí)采集溫濕度到的數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，并判斷是否開啟加濕器。主控程序流程如圖5。

圖5 主控板程序流程

4.3 系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控界面采用基于LabVIEW的設(shè)計(jì)[7]。監(jiān)控界面如圖6，界面依據(jù)家庭式一室一廳規(guī)劃進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過界面，設(shè)定房間的基本參數(shù)和溫濕度預(yù)警范圍，獨(dú)立監(jiān)控每個(gè)房間的溫濕度和加濕器狀態(tài)，由雙曲線直觀顯示房間內(nèi)的環(huán)境參數(shù)的變化。裝置在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)溫濕度預(yù)警范圍控制電解模塊的運(yùn)行狀態(tài)；在手動(dòng)模式下，用戶可以手動(dòng)控制加濕器，調(diào)節(jié)舒適的環(huán)境濕度，設(shè)定濕度預(yù)警范圍。手動(dòng)模式優(yōu)先級(jí)均高于自動(dòng)模式。

圖6 監(jiān)控界面

5 結(jié)束語

裝置是基于無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、離子水霧化加濕技術(shù)和現(xiàn)代傳感器技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，能達(dá)到消毒滅菌，降溫保濕的功能。在測試過程中，裝置能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)檢測室內(nèi)外溫濕度，并能夠按照設(shè)定的調(diào)節(jié)范圍對(duì)空氣進(jìn)行加濕，實(shí)時(shí)的環(huán)境參數(shù)可通過電腦觀察，動(dòng)態(tài)反饋調(diào)節(jié)過程明顯。同時(shí)，裝置能達(dá)到預(yù)期的殺菌和清潔空氣的效果，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，相對(duì)傳統(tǒng)的加濕器裝置的效果提高了5倍以上?？稍诂F(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，通過裝置預(yù)留的傳感器接口增加外部傳感器數(shù)量，擴(kuò)大檢測的范圍和種類，調(diào)節(jié)更加舒適的室內(nèi)溫濕度。

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Designofionwateratomizinghumidificationsystembasedonwirelessmonitoring

ZHANG Deng-ming， CHEN Jia-xin， LU Ji-xun

(DonghuaUniversity，Shanghai201620，China)

Based on existing atomizing humidification system and combined with wireless networking technology,water electrolysis technology and sensor detection technology,through study on ion water atomizing device,put forward and design ion water atomizing humidification system based on wireless monitoring. The system can monitor indoor and outdoor temperature and humidity and monitor the running state of the ion water generation device and other temperature controller devices via wireless Internet of things(IoT) technology. It can also effectively control or kill pathogens in the process of humidification so as to achieve environment moisturizing and pathogens preventing.

wireless communication; electrolytic water; cooling moisture; disinfection

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0102—03

2016—10—25

TP 212

A

1000—9787(2017)10—0102—03

張登明(1992-),男,通訊作者，碩士研究生,研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)與智能測控，E—mail:zhangdmmail@sina.com。陳家新(1967-),男,博士，教授,主要從事電力電子變換器、電機(jī)設(shè)計(jì)及其智能測控等研究工作。