基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的空氣凈化器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

王小雪，未 平，張玉芳，朱仁進(jìn)，楊小雨，楊會(huì)成

(安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

近年來，已經(jīng)有很多公司為家用或辦公用電器(包括空氣凈化器)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)控制或改造.總體而言，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚處于起步階段，但是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)市場的成熟度和廣度正在不斷成長[1-2].目前，包含物聯(lián)網(wǎng)概念的空氣凈化器原型在市場上已有雛形，主要存在以下不足：空氣流動(dòng)速度是固定的，不管空氣中的污染物和空氣質(zhì)量如何，空氣凈化器按設(shè)定的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，這種作業(yè)模式不合理且浪費(fèi)能源；接觸式操作以調(diào)控其作業(yè)狀態(tài)；功能單一[3].空氣凈化器的干預(yù)可以顯著減少室內(nèi)PM 2.5水平，被人們一致認(rèn)同[4].因此，開發(fā)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，集空氣凈化器和空氣質(zhì)量檢測(cè)于一體的互聯(lián)網(wǎng)+空氣凈化器系統(tǒng)軟件是非常必要的[5].將基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的空氣凈化器，結(jié)合PM 2.5檢測(cè)，由單純的空氣凈化器變?yōu)槿诤峡諝鈨艋?、空氣質(zhì)量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點(diǎn)的綜合體.

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理及要求

1.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

設(shè)計(jì)一種復(fù)合型雙重凈化類空氣凈化器，同時(shí)擁有被動(dòng)吸附過濾式的濾網(wǎng)過濾技術(shù)和主動(dòng)式的紫外殺菌技術(shù).空氣凈化器通過風(fēng)機(jī)將外部空氣吸入，通過前置濾網(wǎng)將空氣中的微生物、粉塵等部分顆粒狀物質(zhì)濾除，通過紫外燈祛除其中甲醛、苯等有毒氣體，再由出風(fēng)口送到周圍環(huán)境.家用型的空氣凈化器使用220 V的工頻電，為了保證工作時(shí)的低噪音，盡量使用無噪音的主動(dòng)式空氣凈化技術(shù)，以及實(shí)時(shí)檢測(cè)空氣質(zhì)量與聯(lián)動(dòng)機(jī)制，保證當(dāng)空氣質(zhì)量在一定閾值以下時(shí)，部分或全部工作模塊進(jìn)入停止工作的狀態(tài).與此同時(shí)，還達(dá)到了節(jié)能的效果.考慮到部分使用者在特定的時(shí)間與場合下，不愿或不能到達(dá)空氣凈化器前通過按鍵對(duì)空氣凈化器發(fā)出一定的指令，故而設(shè)計(jì)了Wi-Fi通信和控制指令，同時(shí)為后續(xù)Android平臺(tái)與IOS平臺(tái)的控制程序預(yù)留了接口.針對(duì)大多數(shù)空氣凈化器采用人工調(diào)節(jié)節(jié)能，提出使用智能單元，通過檢測(cè)空氣中污染物濃度，協(xié)同電機(jī)和紫外燈工作，在達(dá)到同樣的凈化效果的前提下，調(diào)整空氣凈化器的運(yùn)行功率，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的.使用Wi-Fi通信，UDP通信協(xié)議與其他中繼節(jié)點(diǎn)或上位機(jī)通信，進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作，利用最常見的無線通信方式作為通信手段，減少了額外的組網(wǎng)成本，致力于控制邏輯層面和硬件BSP層的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試.

研究設(shè)計(jì)的空氣凈化器，最大的耗能組件是風(fēng)機(jī)和紫外燈.風(fēng)機(jī)的軸功率(P)是轉(zhuǎn)速(n)的3次冪函數(shù)關(guān)系.從節(jié)能角度考慮，讓風(fēng)機(jī)長時(shí)間低速運(yùn)轉(zhuǎn)可能比風(fēng)機(jī)短暫的全速運(yùn)行后回到低速運(yùn)行狀態(tài)更加節(jié)能，但是后者的環(huán)境敏感度更高.當(dāng)然，在空氣環(huán)境極度惡劣的條件下，空氣凈化器依舊處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)也不合理.所以需要通過傳感器去判斷外界環(huán)境參數(shù)，從而調(diào)整自身運(yùn)轉(zhuǎn)速度.因此，在風(fēng)機(jī)控制方案中，變頻調(diào)速應(yīng)為首選方案.對(duì)于紫外燈的控制方案則選擇了比較傳統(tǒng)而又簡單的二值控制.在需要紫外線殺菌和催化時(shí)，開啟紫外燈，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能.紫外燈的消耗功率是恒定的，但由于其打開時(shí)，瞬間電流過大，對(duì)其觸點(diǎn)有著極大的損耗，所以其控制方案采用帶遲滯的二值控制[6].

風(fēng)機(jī)的控制方案模型采用帶擾動(dòng)的PID控制模型，其中的擾動(dòng)表示為環(huán)境中的PM 2.5參數(shù)非理想變化以及人為的調(diào)速控制輸入，使得誤差值和設(shè)定值發(fā)生改變.使用STM32單片機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，包括兩個(gè)單獨(dú)控制的控制對(duì)象——風(fēng)機(jī)和紫外燈，還有Wi-Fi和按鍵等擾動(dòng)輸入.用ZPH01 PM 2.5傳感器檢測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，作為控制決策的選擇依據(jù)[7].控制決策發(fā)生變化時(shí)，所有的控制參數(shù)均會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，以符合新決策的實(shí)施.兩個(gè)獨(dú)立控制對(duì)象的調(diào)控是在總體決策的指導(dǎo)干預(yù)下完成的，彼此獨(dú)立，但在計(jì)算實(shí)時(shí)控制參數(shù)的過程中相互關(guān)聯(lián)，這樣既能保證控制的效果，又能保證控制方案的可實(shí)現(xiàn)性[8-9].

研究涉及控制邏輯和上位機(jī)部分的設(shè)計(jì)，其針對(duì)的硬件平臺(tái)主要部件及其相互連接關(guān)系如圖1所示.

1.2 系統(tǒng)要求

全系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無人值守，參數(shù)設(shè)定、參數(shù)修改和系統(tǒng)查看均可通過上位機(jī)或自帶人機(jī)交互界面進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化，風(fēng)機(jī)在切換檔位時(shí)的過渡時(shí)間小于2 s.

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 STM32F103 VET6

STM32F103 VET6單片機(jī)屬于STM32F103xx增強(qiáng)型系列，使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，支持單周期乘法和硬件除法，支持內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻，工作頻率最高可達(dá)72 MHz，豐富的增強(qiáng)I/O端口，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器和連接到兩條APB總線的外設(shè).其工作電壓處于2.0 V至3.6 V之間，環(huán)境溫度要求在-40 ℃～105 ℃之間，帶有一系列省電模式能確保低功耗應(yīng)用的要求.

2.2 ZPH01 PM 2.5傳感器

該傳感器整合了成熟的VOC檢測(cè)技術(shù)與先進(jìn)PM 2.5檢測(cè)機(jī)理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)VOC和PM 2.5的同時(shí)檢測(cè).傳感器模組中的VOC檢測(cè)對(duì)甲醛、苯、一氧化碳、氨氣、氫氣、酒精、香煙和香精等有機(jī)揮發(fā)氣體具有極高的靈敏度.PM 2.5檢測(cè)采用粒子計(jì)數(shù)原理，可靈敏檢測(cè)直徑1 μm以上灰塵顆粒物.使用UART輸出，輸出格式為9 600 bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位，并在模塊中固化，每隔1 s向外發(fā)送數(shù)據(jù).

2.3 RM04 Wi-Fi通信模塊

基于通用串行接口且符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)用戶串口與無線網(wǎng)接口之間的轉(zhuǎn)換.通過HLK-RM04模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，通信模式示意圖如圖2所示.此通信模式支持IEEE 802.11n、IEEE 802.11g和IEEE 802.11b協(xié)議.

圖2 通信模式示意圖

2.4 人機(jī)交互

通過OLED可以顯示當(dāng)前的PM 2.5值，方便用戶觀察實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).通過按鍵和LED實(shí)現(xiàn)近距離交互式系統(tǒng)設(shè)置，方便不同群體(老年人用戶)的操作.在硬件模塊中設(shè)置2個(gè)LED和2個(gè)按鍵，通過按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)檔位的增和減，2個(gè)LED通過3種不同的亮燈組合，表示高中低3個(gè)檔位.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)匯總、顯示、提供人機(jī)界面、接受用戶的操作，最重要的一點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線操作和監(jiān)控的功能.上位機(jī)作為一個(gè)交互的界面與平臺(tái)，提供圖形化的操作界面，通過后臺(tái)對(duì)前臺(tái)信息進(jìn)行編碼、判斷及處理.

使用TCP/IP協(xié)議簇，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信，降低控制端的額外成本.利用現(xiàn)有的電腦、手機(jī)、PDA等一切支持IPV4/IPV6協(xié)議的設(shè)備，從而降低控制端對(duì)于硬件上的要求和成本，同時(shí)也能節(jié)省無線信道資源.使用2.4 GHz公共頻段，降低對(duì)其他無線信道的干擾問題和實(shí)現(xiàn)無線通信的技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本.上位機(jī)軟件本身的底層功能不多，接收下位機(jī)通過Wi-Fi傳輸過來的數(shù)據(jù)，并通過軟件比對(duì)解析，調(diào)用相應(yīng)的處理機(jī)制進(jìn)行后續(xù)操作.

設(shè)計(jì)采用.NET平臺(tái)，使用C#語言，利用維護(hù)簡單的UDP協(xié)議編程，降低開發(fā)成本.使用其中的UDP庫完成UdpClient的創(chuàng)建、設(shè)置和維護(hù)，并建立UDP通信，收發(fā)數(shù)據(jù)包，UDP使用IP協(xié)議為基礎(chǔ)，面對(duì)無連接的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，提高了連接的使用效率，同時(shí)還降低了其維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互[10].

3.2 系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)

下位機(jī)軟件程序負(fù)責(zé)對(duì)上位機(jī)發(fā)送指令的解析和響應(yīng)，并及時(shí)反饋各種狀態(tài)給上位機(jī)，以供其進(jìn)行決策(包括對(duì)風(fēng)機(jī)和紫外燈的控制策略).主程序通過對(duì)HAL層的API調(diào)用，完成對(duì)硬件的讀寫操作，HAL層的API主要以讀寫為主，通過函數(shù)封裝成具體的操作指令函數(shù)，便于應(yīng)用代碼的編寫和調(diào)試.

通過對(duì)上位機(jī)發(fā)送指令字符比對(duì)，得到字符所包含的真實(shí)信息和指令，對(duì)這些信息和指令分析、判斷和執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作.如果通過比對(duì)發(fā)現(xiàn)在本地指令庫中其所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)與現(xiàn)有狀態(tài)相一致，則會(huì)返回錯(cuò)誤信息，告知上位機(jī)，提示其指令重復(fù)，同時(shí)將該指令拋棄，讀取或等待下一條指令.使用定時(shí)器計(jì)數(shù)獲得電機(jī)控制中PID控制方案的反饋量，并每隔一個(gè)固定的時(shí)間對(duì)其讀數(shù)清零.為防止計(jì)數(shù)的定時(shí)器數(shù)據(jù)溢出導(dǎo)致反饋失效，對(duì)上一次對(duì)其讀數(shù)清零后的溢出中斷發(fā)生次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，讀數(shù)時(shí)，將其相對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)，得到真實(shí)的反饋量.為了保證PID控制運(yùn)算輸出量在有效控制的前提下，并保持節(jié)能的效果，采用飽和處理，防止在有較大擾動(dòng)的環(huán)境中出現(xiàn)高能耗的情況.

圖3 系統(tǒng)功能模塊框圖

系統(tǒng)功能模塊總框圖如圖3所示.下位機(jī)軟件使用STM32F103作為硬件環(huán)境，在開發(fā)時(shí)使用STM32 V3.5的固件庫，方便開發(fā).在軟件邏輯控制部分代碼書寫過程中，遇到一些改變標(biāo)志位的操作，為了簡明直接，并不使用API函數(shù)封裝調(diào)用，而是直接在應(yīng)用層中將其值進(jìn)行讀改寫的操作，同時(shí)也降低了函數(shù)跳轉(zhuǎn)的額外CPU資源開銷.

下位機(jī)軟件在各種狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)候，會(huì)刷新相應(yīng)的記錄量和標(biāo)志位，通過原子操作的方法，保證讀寫記錄量和標(biāo)志位與空氣凈化器實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)保持一致.人機(jī)交互使用按鍵、LED和OLED屏，其中按鍵作為輸入設(shè)備，LED燈和OLED屏作為輸出設(shè)備.按鍵使用外部中斷進(jìn)行響應(yīng)，提高實(shí)時(shí)響應(yīng)速率，能保證交互過程的使用體感.

3.3 風(fēng)機(jī)控制模塊

風(fēng)機(jī)控制采用PID控制策略，其實(shí)現(xiàn)程序流程圖如圖4所示.實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)控制模塊的關(guān)鍵代碼見附件1.

圖4 風(fēng)機(jī)控制流模塊流程圖

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)空氣智能凈化系統(tǒng).利用STM32F103VET6單片機(jī)控制原理，結(jié)合PM 2.5檢測(cè)器、Wi-Fi通信和UDP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)融合空氣凈化器、空氣質(zhì)量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點(diǎn)的智能家居綜合體.該空氣凈化系統(tǒng)具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及人性化的特點(diǎn)，其不僅擁有凈化空氣的能力，同時(shí)具有空氣質(zhì)量檢測(cè)的功能.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在空氣凈化系統(tǒng)中的應(yīng)用也能讓其更智能地控制和管理，給更多的用戶帶來更加舒適、高效和便捷的家居生活.

附件1 風(fēng)機(jī)控制模塊的關(guān)鍵代碼：

void PID_realize(float speed)

{

int index;

pid.SetSpeed=speed;

pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;

if(pid.ActualSpeed>pid.umax)

{

if(fabs(pid.err)>200)

index=0;

else

{

index=1;

if(pid.err<0)

pid.integral+=pid.err;

}

}

else if(pid.ActualSpeed

{

if(fabs(pid.err)>200)

index=0;

else if(fabs(pid.err)<180)

{

index=1;

if(pid.err>0)

pid.integral+=pid.err;

}

else

{

index=(int)(200-fabs(pid.err))/20;

if(pid.err>0)

pid.integral+=pid.err;

}

}

else

{

if(fabs(pid.err)>200)

index=0;

else

{

index=1;

if(pid.err>0)

pid.integral+=pid.err;

}

}

pid.voltage=pid.Kp*pid.err+index*pid.Ki*pid.integral/2+pid.Kd*(pid.err-pid.err_last);

pid.err_last=pid.err;

pid.ActualSpeed=pid.voltage*1.0;

}

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