一種室內(nèi)空氣凈化裝置的研制及其控制方法*

賈麗斯

（廣西大學行健文理學院 電氣工程系，廣西 南寧530005）

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展和生活水平的不斷提高，人們對住宅和辦公室內(nèi)的空氣質(zhì)量要求越來越高，特別是現(xiàn)代化的室內(nèi)空氣污染，包含裝修材料所釋放的甲醛、苯等有害氣體，可吸入顆粒物PM10、可入肺顆粒物PM2.5 和各種細菌等[1-3]。由于空氣中的氣體種類多、成分復雜，需要多種傳感器進行檢測、分析，根據(jù)分析結(jié)果做出相應的控制決策。所以這類控制問題是一個多變量輸入和多變量選擇輸出系統(tǒng)的控制問題。在實際中存在著許多這類系統(tǒng)，例如交通流量的控制也是分道進行的。這類控制的共同點是信息的來源是同時的和多方面的，因此，解決這類控制問題首先要用多種傳感器對信息進行檢測，然后對檢測結(jié)果進行分析和信息融合，根據(jù)融合的結(jié)果決定控制輸出。將多傳感信息融合技術(shù)應用于智能空氣凈化裝置可以獲得比單一傳感器對周圍環(huán)境更準確、更全面的信息，從而降低信息的不確定性，提高智能凈化裝置系統(tǒng)的互補性和可靠性。

目前的空氣凈化裝置[4-6]中的傳感器或檢測系統(tǒng)多為可以檢測空氣中酒精、香煙、氨氣、硫化物等各種污染源，由于檢測的污染源種類較多及傳感器本身誤差率等因素，導致空氣檢測系統(tǒng)在檢測過程中存在著較大的失誤率。在誤差出現(xiàn)的情況下，人們在室內(nèi)就難免會呼吸到有害氣體，長時間導致身體不適。針對空氣檢測系統(tǒng)或傳感器等智能化檢測設備存在的失誤率現(xiàn)象[7-9]，本文擬設計一種室內(nèi)空氣凈化裝置及其控制方法，通過在空氣凈化裝置中添加記錄存儲模塊、隨機數(shù)發(fā)生模塊和比對模塊，實現(xiàn)即使在檢測設備發(fā)生誤差的情況下，也會根據(jù)室內(nèi)人員的生活習慣來控制空氣凈化模塊對室內(nèi)空氣進行凈化。

1 空氣凈化裝置總體構(gòu)造

圖1 室內(nèi)空氣凈化裝置總體結(jié)構(gòu)圖

室內(nèi)空氣凈化裝置（以下簡稱裝置）的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，裝置主要由空氣凈化模塊、檢測模塊、控制模塊、記錄存儲模塊、隨機數(shù)發(fā)生模塊、比對模塊、電源等組成。其中本文設計的裝置創(chuàng)新之處在于檢測模塊中含有VOC 傳感器、顆粒物傳感器中的一種或兩種。隨機數(shù)發(fā)生模塊為Monte Carlo 隨機數(shù)發(fā)生器。記錄存儲模塊能夠記錄7 天的運行數(shù)據(jù)。

電源分別與空氣凈化模塊、檢測模塊、控制模塊、記錄存儲模塊、隨機數(shù)發(fā)生模塊、比對模塊電連接；空氣凈化模塊、控制模塊、記錄存儲模塊、隨機數(shù)發(fā)生模塊和比對模塊分別設有信號輸入端和信號輸出端，檢測模塊設有信號輸出端；空氣凈化模塊的信號輸出端與記錄存儲模塊的信號輸入端連接，檢測模塊的信號輸出端分別與控制模塊、記錄存儲模塊的信號輸入端連接，控制模塊的信號輸出端與空氣凈化模塊的信號輸入端連接，記錄存儲模塊的信號輸出端分別與隨機數(shù)發(fā)生模塊、比對模塊的信號輸入端連接，隨機數(shù)發(fā)生模塊的信號輸出端與比對模塊的信號輸入端連接，比對模塊的信號輸出端與控制模塊的信號輸入端連接。

2 室內(nèi)空氣凈化控制方法設計

本文擬采取以下控制方法實現(xiàn)即使在檢測設備發(fā)生誤差的情況下，也會根據(jù)室內(nèi)人員的生活習慣來控制空氣凈化模塊對室內(nèi)空氣進行凈化?？刂品椒鞒虉D見圖2。

圖2 控制流程圖

裝置的控制方法，包括以下a 到f 一共6 個步驟：

步驟a：開啟電源，轉(zhuǎn)至步驟b

步驟b：檢測模塊檢測室內(nèi)空氣，轉(zhuǎn)至步驟c

步驟c：檢測模塊判斷是否需要凈化空氣

若檢測模塊判斷需要凈化，則檢測模塊發(fā)送信號給控制模塊，轉(zhuǎn)至步驟e；若檢測模塊判斷不需要凈化，這種情況存在檢測模塊發(fā)生失誤的可能，則檢測模塊發(fā)送信號給記錄存儲模塊，轉(zhuǎn)至步驟d。

步驟d：比對模塊根據(jù)空氣凈化模塊前N 天的工作記錄來判斷是否需要凈化空氣

記錄存儲模塊發(fā)送信號給隨機數(shù)發(fā)生模塊和比對模塊，隨機數(shù)發(fā)生模塊生成1 個數(shù)字m（0≤m≤1），比對模塊計算前N 天的記錄中該時刻空氣凈化模塊為運行狀態(tài)的概率p，隨機數(shù)發(fā)生模塊發(fā)送信號給比對模塊，比對模塊計算m 與p 的大小，若m≤p，則比對模塊發(fā)送信號給控制模塊，轉(zhuǎn)至步驟e；若m＞p，則比對模塊發(fā)送信號給控制模塊，轉(zhuǎn)至步驟f。

步驟e：運行空氣凈化模塊

控制模塊發(fā)送運行信號給空氣凈化模塊，空氣凈化模塊發(fā)送記錄信號給記錄存儲模塊，記錄存儲模塊記錄空氣凈化模塊的運行時間，轉(zhuǎn)至步驟b。

步驟f：關閉空氣凈化模塊

控制模塊發(fā)送關閉信號給空氣凈化模塊，空氣凈化模塊停止運行，轉(zhuǎn)至步驟b。

3 實驗測試與結(jié)果

本文采用現(xiàn)有的含有VOC 傳感器、顆粒物傳感器的空氣凈化裝置和本文所設計的裝置實施例進行具體實驗測試，并對比凈化效果。實驗測試的室內(nèi)環(huán)境工況與空氣質(zhì)量接近。

3.1 對比例

對比例采用兩臺現(xiàn)在比較流行的含有VOC 傳感器、顆粒物傳感器的空氣凈化裝置作為與本文設計的裝置進行對室內(nèi)檢測結(jié)果的對比，該對比例裝置還包括控制單元和空氣凈化單元，通過上述傳感器定時檢測空氣中的污染源，當檢測到污染源時，則發(fā)送信號給控制單元，控制單元控制空氣凈化單元啟動；當未檢測到污染源時，則不發(fā)生信號給控制單元。本對比例中設定傳感器的檢測時間間隔為2 小時，在相同的實驗條件下將兩臺傳感器分別設置在室內(nèi)的兩個相對的墻體上，分別編號為1 和2，對室內(nèi)的檢測后的運行記錄如表1 所示。

3.2 實施例

實施例采用的是本文設計的裝置及控制方法。并設定傳感器的檢測時間間隔為2 小時。裝置對室內(nèi)檢測后的運行記錄如表2 所示。

表1 和表2 中的“√”表示空氣凈化模塊工作，空白表示空氣凈化模塊不工作。本文設計的控制方法與對比例相比，通過在空氣凈化裝置中添加記錄存儲模塊、隨機數(shù)發(fā)生模塊和比對模塊，實現(xiàn)了即使在兩個檢測設備檢測結(jié)果不統(tǒng)一的情況下（即檢測設備發(fā)生誤差的情況下），也會根據(jù)室內(nèi)人員的生活習慣來控制空氣凈化模塊對室內(nèi)空氣進行凈化，降低室內(nèi)人員呼吸有害氣體的風險。

表1 現(xiàn)有的空氣凈化裝置對室內(nèi)檢測后的運行記錄

表2 實施例采用的室內(nèi)空氣凈化裝置對室內(nèi)檢測后的運行記錄

4 結(jié)束語

本文立足于實際問題，設計了一種室內(nèi)空氣凈化裝置及其控制方法。采用了添加含有VOC 傳感器、顆粒物傳感器的檢測模塊，Monte Carlo 隨機數(shù)發(fā)生器的隨機數(shù)發(fā)生模塊和對比模塊。經(jīng)過實驗測試最終實現(xiàn)了設計要求，通過多次實驗測試表明，該控制方法完全達到設計要求。裝置對各種各樣的室內(nèi)場所都具有很強的適用性，具有一定的創(chuàng)新性和實際應用價值，并對室內(nèi)空氣凈化研究有一定的現(xiàn)實意義。同時該裝置為室內(nèi)空氣凈化提供實驗數(shù)據(jù)支持。