基于物聯網的智能新風系統(tǒng)的研究

傅杰

摘要：在當前國民經濟不斷發(fā)展的前提下，隨之而來的就是較為嚴重的環(huán)境污染問題，尤其以空氣污染最為嚴重，最明顯的外在表現就是霧霾天氣的增加。除此之外，人們居住的室內環(huán)境也經常性的存在著諸如二氧化碳以及甲醛等等污染物質的超標問題。在人們生活水平不斷提升的前提下，對于室內環(huán)境的空氣質量要求也是逐步提升，再加之物聯網技術的發(fā)展，也就加速了智能家居的發(fā)展，目前在凈化室內空氣質量的過程中，智能新風系統(tǒng)是其研究以及發(fā)展的重點。本文從其工作原理剖析出發(fā)，并立足于硬件選擇以及軟件設計角度，對其中使用的一些技術以及具體設計進行分析。

關鍵詞：物聯網;智能新風系統(tǒng);工作原理;系統(tǒng)設計

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）09-0078-03

1 物聯網基礎上的智能化新風系統(tǒng)的工作原理分析

在物聯網基礎上的智能化新風系統(tǒng)中的處理器需要將分布在系統(tǒng)的各個節(jié)點上的傳感器檢測的實時數據進行讀取操作，同時把檢測PM2.5以及VOC 的節(jié)點上的實時監(jiān)測到的數據變化作為模糊控制器自身的輸入變量，在和預設的標準化數值進行對應的對比工作之后借助于其中的計算軟件將誤差的具體數值及其變化做到精準化的計算，然后針對這個計算結果開展對應的量化、隸屬度至計算、去模糊化以及模糊決策等這一系列的操作的之后就可以打出最為精準的輸出變量，并以此輸出變量為基礎對風機做出對應的自動化控制，并且將這些實時監(jiān)測到的數據同步上傳到服務器之中，方便人們在隨時隨地掌握室內空氣質量的份額前提下通過遠程化的操控，針對風機進行合理化的人為控制操作。其中的控制芯片借助于串口和控制器進行對應的連接，借由TCP/IP協議通過連接家庭路由器進行對應的數據上傳服務器工作，用戶借助于移動智能化終端對服務器進行訪問，將其中儲存的數據進行對應的查詢操作，并以這些數據及其變化為基礎，判斷是否需要進行風機工作狀態(tài)的調整。如果需要進行風機運行狀態(tài)調整工作之時，通過移動終端將具體的控制指令發(fā)送到服務器中并以狀態(tài)碼的形式儲存在布爾傳感器中，位于新風系統(tǒng)中的處理器借助WIFI模塊的幫助做到定時查詢服務器中布爾傳感器中狀態(tài)碼的變化，根據狀態(tài)碼的實際要求進行對應的風機控制工作。

2 智能化新風系統(tǒng)的硬件選擇解析

2.1 處理器的選擇

在這個物聯網基礎下的新風系統(tǒng)自身需要的較大數量的I/0資源，并且在抗干擾性以及主板面積制約上都具備著較高的要求，基于此種要求，在新風系統(tǒng)中使用頻率較高的處理器就是STC企業(yè)生產的STC12C5A60S2/AD/PWM單片機，這種類型的單片機自身的指令以及管腳和8051是完全相容的，同時在其內部自帶有60K的FLASH類型的ROM，這種類型的單片機在其能耗、處理速度、抗干擾性能等方面都具備著較大的優(yōu)勢。同時在內部將專用性質的MAX810復位電路、兩路的PWM以及8路高速10位A/D轉換器予以高精密度的集合，也正是因為這項原因在電機控制以及干擾較強的場合中STC12C5A60S2/AD/PWM單片機依舊可以被使用。此外，與之前傳統(tǒng)類型的51單片機進行比較，這種類型單片機自身的哦儲存空間相對較大，同時可以直接借助于串口進行程序的下載操作，如此一來就將之前需要購買專業(yè)性質的編程器的資金予以省下，降低了本身的系統(tǒng)架構成本。

2.2 電源部分的選擇

在新風系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)中采用的電源類型基本就是三端性質的可調整的CM317類型的穩(wěn)壓器，這種類型的穩(wěn)壓器自身的輸出電壓基本控制在1.2到36伏之間，并且可以根據需求進行對應的調整，在穩(wěn)定性、適應性、便捷性上具備著較大的優(yōu)勢，也正因此，這種類型的電源可以在在不同性質的供電系統(tǒng)中予以使用。

2.3 傳感器部分的選擇

在進行傳感器的選擇之時是需要根據用戶需求的不同進行不同選擇的，同時也需要進行模塊化的設計工作。在正常情況下，用戶的實際需求可以分為如下的幾點：第一，室內環(huán)境監(jiān)測并自動切換成換流模式。第二，突遇大風或者是雨雪天氣的窗戶關閉需求。第三，窗戶自身遭受到重物撞擊或者是外來人員翻窗之時的系統(tǒng)警報需求等等方面。接下來針對這些需求大致分析一下其傳感器選擇。

2.3.1 濕度與溫度傳感器

目前使用最多的溫度與濕度傳感器類型就是DHT11溫濕度傳感器，其本質上是數字化符合性質的傳感器類型，其主要是由一個電阻性質的濕度感應元件以及一個NTC類型的溫度監(jiān)測元件構成的，借助于數字采集以及溫度與濕度的傳感技術來確保傳感器自身的長期穩(wěn)定工作。這種類型的濕度與溫度傳感器在投入成本、穩(wěn)定性、抗干擾性、響應速度、傳輸距離等方面上有著十分顯著的優(yōu)勢。

2.3.2 入侵檢測模塊的選擇

在入侵檢測模塊中基本都使用的就是主動性質的紅外線入侵檢測器，主要是由發(fā)射端、接收端以及警報器三部分組成的，電源、發(fā)光源以及光學系統(tǒng)共同組成了發(fā)射端，而接收端則是由光學系統(tǒng)、光電性質傳感器、放大設備以及處理信號設備共同組成的。在正常的情況下。發(fā)射端所發(fā)射出的紅外性質光線在被接收端接收之后，進入到單片機中的信號是一種高電平的信號，這時候的警報控制系統(tǒng)并不會啟動。紅外線本質上是不可見光的一種，一旦發(fā)生重物撞擊或者是外來人員翻窗進入的情況之時，這條不可見的光束就會被完全或者部分遮擋部分，在接受端口的電信號強度也就會隨著產生對應的變化，這之后的警報控制器就會啟動發(fā)出對應的警報。

2.3.3 灰塵傳感器的選擇

目前普遍使用的都是立足于光學原理而產生的GP2Y1010 AUOF類型的空氣質量傳感器，其內部主要包括一個紅外線性質的發(fā)光二極管以及光電性質的晶體管?？諝庵械囊恍┪⑿』覊m會將紅外光進行對應的反射，光電晶體管將這部分發(fā)射的紅外光予以接收，同時這個接收到的光強與空氣中的顆粒物濃度含量是同步變化的，并且光電性質的晶體管自身的電阻數值與這個接收的反射光強也是同步變化的，也就導致其最終的輸出電壓會產生一定的差異。在深入分析最終電壓輸出以及空氣中顆粒物濃度關系曲線圖的基礎上，就可以精準的計算出空氣中的實時顆粒物顆粒含量。這種類型的灰塵傳感器在能耗、靈敏度等等方面同樣具備著較大的優(yōu)勢。

2.3.4 空氣質量傳感器的選擇

在空氣質量傳感器的選擇上基本都是采取二氧化錫半導體性質的氣體傳感器，其感應元件就是二氧化錫，在二氧化錫暴露在空氣之中后，其中的SnO2就會被游離在空氣中的O2進行電子的奪取工作，繼而就會變成化學吸附性質的氧氣附著在其SnO2的表面之上。

這種吸附性質的氧氣離子會將二氧化錫自身的導電率予以降低，當二氧化錫與一些還原性質氣體進行接觸之后就睡釋放出一定數量的電子，增強其自身的導電性，并降低其自身的電阻數值，借助于傳感器自身的電阻數值以及對應點信號強度的變化就可以實現對空氣中的氣體檢測工作。這種半導體性質元件的又可以分為N型以及P型兩種，二者的氣體接觸側重點各有不同，前者主要是通過與還原性氣體進行反應將其電阻數值予以降低，后者的元件通過與自身的可燃性質氣體進行接觸之后，將其電阻增大主要是負責檢測一氧化碳、天然氣等等氣體。

2.4 窗戶模塊

窗戶目前主要有平移或者是轉動兩種形式，在選擇機械性質傳動機構模塊的時候此二者之間的選擇存在著較大的差異。新風系統(tǒng)中窗戶進行開關操作的動力主要來源于電機，在確保窗戶自身開關精度控制較高的目標上基本都是采用對應的步進類型電機。借由之前使用的STC12C5A60S2/AD/PWM單片機直接向電機的驅動模塊發(fā)送對應的控制指令，將步進類型電機的轉動速度、轉動方向以及實際步數進行嚴格的控制，隨后借助于傳動結構的幫助實現窗戶的自動化平移或者是轉動操作。

2.5 交換全熱新風部分的選擇

新風系統(tǒng)中交換全熱新風的換氣機部分主要包括了熱量回收、雙向性質的流風機、過濾設備以及加濕除濕設備等部分，該換氣機具有換氣的雙向化以及效率較高和能耗較低等等優(yōu)勢。在其進風以及排風的子系統(tǒng)中具備這內置性質的送風以及排風設施，并且同時安裝有風機以及對應管道，進風風機向室內送風以及排風風機向室外排風兩步操作時同步進行的，達成了風向的雙向等量置換目標，始終確室內新鮮空氣的數量以及質量，同時還可以針對空氣中的PM2.5開展對應過濾處理工作。除此之外，這種類型的換氣機與之前傳統(tǒng)類型的換氣機相比，不同之處就在于其中包含的全熱交換器會進行室內與室外空氣中的熱量交換工作，根據季節(jié)變化對室外空氣進行對應的加熱或者是冷卻之后再將之引入到室內之中，在將室內的溫度損耗予以降低的時候，將原本的室內的用于制冷或者是取暖的能源消耗予以降低。

3 智能化新風系統(tǒng)的軟件設計注意事項

3.1 客戶端軟件的設計

根據目前市面上安卓手機的數量及其普及程度，為了最大范圍內保障其使用者數量，其客戶端主要是針對Android系統(tǒng)手機用戶的。在進行程序編寫的過程中。考慮其今后的擴展性以及適用性，選擇Eclipse工具作為其主要的程序編寫工具。這個客戶端主要包括數據的實時查詢、顯示、遠程控制以及歷史數據查詢、智能連接等功能。在其登陸界面上將自己的服務器賬號以及密碼輸入其中，后臺借助于POST方式將之傳送到服務器的后臺之中，經由其內部的賬號密碼數據查詢，全部正確則進入主界面上。其中的智能連接使用的就是AILINK類型的技術，借助于之前的控制器模塊與當前移動終端進行網絡連接，以此實現設施與不同性質網絡的靈活化連接。其中的數據查詢功能，通過電機主界面的數據查詢按鈕，接下來就會跳轉到一個設施添加界面上，點擊添加按鈕的同時程序自身就會使用一個httpClient實例講一個URL發(fā)送到對應的服務器上并進行一個GET請求，查詢已有設施之后并返回到上一級界面上，就完成了設施的添加操作。其數據查詢的前部步驟也是通過實例的查詢，隨后就是發(fā)送查詢函數請求。并接受返回值并進行對應的split（）處理之后將結果予以顯示。

3.2 WIFI模塊程序的設計

之所以選擇WIFI模塊，主要原因就其自身的傳輸距離以及速度、效率等方面與藍牙等技術相比有著極大的優(yōu)勢。一般WIFI設施自身具有AP以及STA兩種工作模式。新風系統(tǒng)使用的WIFI工作模式就是STA模式。這種模式本身就是把WIFI設施看成是一個終端或者是接入熱點之一，需要與該設施進行對應通信操作之時需要先與該設施的AP進行對應的連接。目前使用頻率較高的WIFI模塊類型主要是ESP8266無線射頻模塊，其自身的通信編程就是借助于單片機自身的串口將AT控制指令傳送到對應的ESP8266工作模板之上，以便進行網絡連接工作，才可以進行隨后的服務器訪問以及數據發(fā)送等等操作。在與路由器完成連接之后其工作模板主要是負責將實時的監(jiān)測數據定時性的發(fā)送到對應的服務器中以及針對服務器中開關量的具體數值進行定時的檢測工作，并且需要注意的一點就是全部指令的字符化，以便數據的讀取以及上傳。這類型WIFI模塊的具體數據如表1所示。

4 結語

目前日益嚴重的空氣污染問題與人們所需的居住環(huán)境要求完全不符，也正是因此在物聯網技術的加持下，才誕生了對應的新風系統(tǒng)用以控制室內的空氣環(huán)境，本文從其工作原理分析出發(fā)，深入解析了其硬件以及軟件選擇以及設計方面的注意事項，希望可以對今后的新風系統(tǒng)發(fā)展提供一定的幫助。

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Abstract：Under the premise of the continuous development of the national economy， it is followed by more serious environmental pollution problems， especially with the most serious air pollution. The most obvious external manifestation is the increase of haze weather. In addition， the indoor environment in which people live is also frequently exposed to excessive pollutants such as carbon dioxide and formaldehyde. Under the premise of people's living standards， the air quality requirements for indoor environment are gradually improved. Together with the development of Internet of Things technology， it has accelerated the development of smart homes. At present， in the process of purifying indoor air quality， intelligent new style The system is the focus of its research and development. This paper starts from the analysis of its working principle， and based on the hardware selection and software design perspective， analyzes some of the technologies and specific designs used.

Key words：Internet of Things; intelligent fresh air system; working principle; system design