基于物聯(lián)網(wǎng)的智能防霧霾新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王進(jìn)升

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬中學(xué)，安徽 合肥 230051）

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能防霧霾新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王進(jìn)升

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬中學(xué)，安徽 合肥 230051）

針對(duì)霧霾問題日趨嚴(yán)重的情況，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的防霧霾新風(fēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，具備PM2.5檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、濕度檢測(cè)、紅外探測(cè)檢測(cè)、溫度檢測(cè)等傳感器模塊，可根據(jù)環(huán)境狀況自動(dòng)實(shí)現(xiàn)全熱交換新風(fēng)或自然通風(fēng)或智能加濕，可對(duì)盜賊越窗、小孩翻窗等情況發(fā)出報(bào)警，可對(duì)室內(nèi)有害氣體濃度進(jìn)行感知。環(huán)境情況通過物聯(lián)網(wǎng)上傳到云數(shù)據(jù)端，方便用戶進(jìn)行信息的交互，提高了用戶的生活質(zhì)量。

物聯(lián)網(wǎng)；防霧霾；全熱交換新風(fēng)；智能家居

隨著國內(nèi)霧霾天氣的發(fā)生趨于常態(tài)化，霧霾的監(jiān)測(cè)與治理日益加強(qiáng)［1，2］。住宅室內(nèi)裝修產(chǎn)生的污染物均存在超標(biāo)現(xiàn)象，其中超標(biāo)嚴(yán)重的污染物有CO2、甲醛和揮發(fā)性有機(jī)物TVOC（Total Votatile Organic Compounds）。可見，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)是目前國內(nèi)住宅亟待解決的一項(xiàng)重要問題［3］。相比而言，歐美住宅通常設(shè)置有集中新風(fēng)系統(tǒng)，而國內(nèi)普通住宅裝修基本沒有安裝新風(fēng)系統(tǒng)［4］。

目前，家庭為改善空氣質(zhì)量主要采用空氣凈化器和新風(fēng)系統(tǒng)［5，6］。其中，空氣凈化器采用內(nèi)循環(huán)的方式將密閉空間空氣中的細(xì)菌、污染物等吸附或慮出，以達(dá)到潔凈空氣的目的，其不足之處是無法獲得新鮮空氣。新風(fēng)裝置能為室內(nèi)提供源源不斷的新鮮空氣，其不足之處是需要安裝風(fēng)道，風(fēng)道穿越墻體或?yàn)榱嗣烙^需要吊頂，增加了工程量。為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能防霧霾的新風(fēng)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體方案

本設(shè)計(jì)是對(duì)原有家庭窗戶進(jìn)行改造，普通家庭只需改造2扇窗戶即可。系統(tǒng)總體方案如圖1所示，即以STC89C52RC單片機(jī)為核心，由PM2.5檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、濕度檢測(cè)、紅外探測(cè)檢測(cè)、溫度檢測(cè)等傳感器模塊、全熱交換新風(fēng)、窗戶本體及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、供電模塊、加濕模塊、物聯(lián)網(wǎng)及用戶終端（如手機(jī)、電腦）組成。單片機(jī)核心控制模塊通過傳感器模塊采集室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)、窗戶安全信息檢測(cè)等信息，自動(dòng)選擇機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)打開窗戶自然通風(fēng)或是全熱交換新風(fēng)、是否加濕等自動(dòng)控制功能。用戶終端通過通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)、無線傳輸模塊與單片機(jī)核心控制模塊建立信息交流和用戶指令的下達(dá)。電源模塊為整個(gè)智能防霧霾新風(fēng)系統(tǒng)提供動(dòng)力。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

控制系統(tǒng)采用三端可調(diào)穩(wěn)壓器CM317為各電路提供電源。CM317輸出電壓在1.2～36V范圍內(nèi)可調(diào)，具有穩(wěn)定度高、適應(yīng)性強(qiáng)、使用方便的特點(diǎn)，適合多種方式的供電系統(tǒng)使用。

2.2 窗戶模塊

窗戶通常有平移式或轉(zhuǎn)動(dòng)式，根據(jù)窗戶的開關(guān)方式選擇相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊。窗戶開關(guān)的動(dòng)力來自電機(jī)，為了能對(duì)窗戶開啟幅度進(jìn)行精確控制，選用步進(jìn)電機(jī)。由單片機(jī)核心控制模塊直接發(fā)送控制指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和步數(shù)，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)窗戶本體的自動(dòng)平移或轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3 單片機(jī)核心控制模塊

系統(tǒng)核心控制模塊選用國內(nèi)STC公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2/AD/PWM單片機(jī)，其指令、管腳與8051完全兼容，片內(nèi)自帶高達(dá)60K FLASH ROM，功耗低、速度快、抗干擾能力超強(qiáng)，片內(nèi)集成專用復(fù)位電路MAX810，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換器，適用于電機(jī)控制及強(qiáng)干擾場(chǎng)合。與傳統(tǒng)的51單片機(jī)相比，其具有較大的存儲(chǔ)空間且支持串口直接下載程序，免去購買價(jià)格昂貴的專用編程器。

2.4 傳感器模塊

傳感器模塊的類型取決于用戶需求，采用模塊化設(shè)計(jì)。一般情況下，用戶需求包括：一是室內(nèi)空氣污濁時(shí)，檢測(cè)室外空氣PM2.5、溫濕度情況，自動(dòng)選擇與室外空氣的換流模式；二是天氣突變刮大風(fēng)需要關(guān)閉處于開啟狀態(tài)的窗戶；三是窗戶遭遇物體撞擊或人員翻窗入戶時(shí)系統(tǒng)需要及時(shí)向用戶發(fā)出報(bào)警信號(hào)；四是天氣下雨需要關(guān)閉處于開啟狀態(tài)的窗戶；五是室內(nèi)甲醛、CO、液化氣等有害氣體或可燃性氣體超標(biāo)時(shí)需要自動(dòng)開窗通風(fēng)并及時(shí)提醒戶主。針對(duì)不同用戶需求，可開發(fā)出各種不同功能的傳感器分模塊，使用時(shí)插在總線端子上即可。

紅外防入侵檢測(cè)模塊選用主動(dòng)紅外入侵探測(cè)器，包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和報(bào)警控制器三個(gè)部分。發(fā)射機(jī)由電源、發(fā)光源和光學(xué)系統(tǒng)組成，接收機(jī)由光學(xué)系統(tǒng)、光電傳感器、放大器、信號(hào)處理器等部分組成。正常工況下，發(fā)射機(jī)發(fā)出的紅外光束被接收機(jī)收到后輸入到單片機(jī)的信號(hào)為高電平，不會(huì)啟動(dòng)報(bào)警控制器；紅外光屬于不可見光譜，當(dāng)有人翻窗入戶經(jīng)過這條無形的封鎖線時(shí)，會(huì)全部或部分遮擋紅外光束，接收機(jī)輸出的電信號(hào)強(qiáng)度會(huì)因此產(chǎn)生變化，從而啟動(dòng)報(bào)警控制器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

濕溫度檢測(cè)模塊選用單總線數(shù)字式DHT11傳感器，其由電阻式感濕元件、NTC測(cè)溫元件及高性能8位單片機(jī)組成，具有體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

PM2.5的檢測(cè)模塊選用GP2Y1010AU0F型傳感器，由紅外發(fā)光二極管、光電晶體管及放大電路組成，屬于光學(xué)傳感器，即通過光學(xué)的反射原理檢測(cè)空氣中的塵埃，輸出脈沖模式的電壓信號(hào)。特點(diǎn)是能有效檢測(cè)非常細(xì)微的顆粒，如香煙煙霧，還可以區(qū)分屋內(nèi)煙塵，適用于空氣凈化器、空調(diào)、空氣監(jiān)測(cè)等。

2.5 用戶終端模塊

用戶終端模塊由GPRS通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)及無線傳輸模塊組成。其中，物聯(lián)網(wǎng)模塊可實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)APP實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、云計(jì)算存儲(chǔ)、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)核心控制模塊經(jīng)無線傳輸模塊、物聯(lián)網(wǎng)及通信模塊與終端手機(jī)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控信息的交互及控制指令下達(dá)。

2.6 全熱交換新風(fēng)模塊

全熱交換新風(fēng)換氣機(jī)由熱回收裝置、雙向流風(fēng)機(jī)、過濾器、加濕或除濕器等構(gòu)成，具有雙向換氣和高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

①雙向換氣。內(nèi)置送、排風(fēng)機(jī)，在進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)系統(tǒng)都有風(fēng)機(jī)和管道，通過進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)往室內(nèi)送風(fēng)，排風(fēng)風(fēng)機(jī)往室外排風(fēng)，新風(fēng)雙向等量置換，保持室內(nèi)有足夠的新鮮空氣。同時(shí)，換氣機(jī)配置不同過濾材料，對(duì)新風(fēng)中PM2.5進(jìn)行過濾處理。

②高效節(jié)能。與普通的換氣機(jī)不同，全熱交換器在室外空氣引入室內(nèi)前與室內(nèi)引出室外的空氣進(jìn)行熱交換，室外空氣預(yù)冷或預(yù)熱后再引入室內(nèi)，降低了室內(nèi)的溫度損耗，節(jié)省冷暖氣的費(fèi)用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主程序和中斷服務(wù)子程序，主程序的作用是實(shí)現(xiàn)初始化和LCD顯示，然后進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，其他功能由中斷服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)。單片機(jī)檢測(cè)各種傳感器傳遞過來的信號(hào)，根據(jù)用戶的控制指令，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析，并將處理的結(jié)果經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)傳遞到用戶終端手機(jī)，用戶可根據(jù)獲得的信息遙控窗戶啟閉或新風(fēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)程序用C語言編譯，在Keil環(huán)境下開發(fā)，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)的功能主要有以下幾方面。

①當(dāng)室內(nèi)甲醛、CO、液化氣等有害氣體或可燃性氣體超標(biāo)時(shí)，自動(dòng)打開窗戶和新風(fēng)系統(tǒng)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，防止室內(nèi)人員發(fā)生有害氣體中毒或火災(zāi)事故，并將短信發(fā)送給戶主。

②當(dāng)檢測(cè)空氣質(zhì)量良好時(shí)，會(huì)自動(dòng)開窗通風(fēng)。若天氣下雨，濕度傳感器會(huì)將檢測(cè)到的信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出電機(jī)控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置實(shí)時(shí)關(guān)窗并進(jìn)行報(bào)警。

③當(dāng)空氣質(zhì)量不佳時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)新風(fēng)系統(tǒng)。新風(fēng)系統(tǒng)使用的是凈化型全熱交換器，其雙向流風(fēng)機(jī)保證室內(nèi)進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)進(jìn)行等量置換，而熱回收裝置使雙向置換通風(fēng)過程中產(chǎn)生能量交換，降低了新風(fēng)預(yù)處理的能耗，達(dá)到節(jié)能換氣的目的，同時(shí)附加了三重過濾網(wǎng)，將室外到室內(nèi)的新風(fēng)通過初效、活性炭、hepa高效濾網(wǎng)進(jìn)行PM2.5、甲醛、霧霾、細(xì)菌粉塵等凈化后再送到室內(nèi)。

④當(dāng)室內(nèi)空氣干燥時(shí)，加濕器會(huì)自動(dòng)開始加濕工作。

⑤當(dāng)盜賊欲翻窗入戶行竊時(shí)，經(jīng)過紅外發(fā)射接收通道，會(huì)全部或部分遮擋紅外光束，接收機(jī)輸出的電信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生變化，從而啟動(dòng)報(bào)警裝置，提醒戶主有人行竊。同理，室內(nèi)人員翻窗，也會(huì)影響接收機(jī)收到紅外光束的強(qiáng)弱，啟動(dòng)報(bào)警裝置，可以有效預(yù)防小孩翻窗而發(fā)生的意外事故。

⑥系統(tǒng)的判斷行為及結(jié)果可傳送至用戶手機(jī)，環(huán)境的數(shù)據(jù)情況通過物聯(lián)網(wǎng)上傳到云數(shù)據(jù)端，方便用戶通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)和遙控。

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能要求，系統(tǒng)軟件框圖如圖2所示。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)智能防霧霾全熱交換新風(fēng)系統(tǒng)，通過智能模塊自動(dòng)采集傳感器通道信息，根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境溫度、濕度、PM2.5等信息作出自然通風(fēng)還是全熱交換新風(fēng)的判斷，控制防霧霾新風(fēng)系統(tǒng)的開啟或關(guān)閉；根據(jù)紅外檢測(cè)信息，監(jiān)控窗戶的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息；通過物聯(lián)網(wǎng)與用戶終端建立人窗交互，用戶可以隨時(shí)隨地掌握家庭情況，提高用戶生活質(zhì)量。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

［1］魏嘉，呂陽，付柏淋.我國霧霾成因及防控策略研究［J］.環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2014（5）：51-55

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［3］葉霖.中央新風(fēng)系統(tǒng)在住宅中的應(yīng)用［J］.住宅與房地產(chǎn)，2016（12）：273，292.

［4］范文良，李兵尚.基于物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)的智能窗戶設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015（19）：58-59，63.

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Design of Intelligent Anti-fog and Haze New Air System Based on the Internet of Things

Wang Jinsheng
（The Middle School Affiliated to University of Science and Technology of China，Hefei Anhui 230051）

Aiming at the increasingly serious haze problem,a new anti-fog and haze air system based on In?ternet of things is designed.The system adopts single chip microcomputer as the core,and possesses PM2.5 detection,smoke detection,humidity detection,infrared detection,temperature detection and other sensor modules.The whole heat exchange fresh air or natural ventilation or intelligent humidification can be realized automatically according to the environmental conditions.It can alarm when thieves or the child crossing window.It can be perceived for indoor harmful gas concentration.The environment is uploaded to the cloud data terminal through the Internet of things,which facilitates the user to interact with the infor?mation and improves the quality of the user's life.

internet of things；anti-fog and haze；full heat exchange fresh air；smart home

TP273

A

1003-5168（2017）12-0036-03

2017-11-01

王進(jìn)升（2000-），男，研究方向：互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。