室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

*基金項(xiàng)目：福建省中青年教師教育科研基金資助項(xiàng)目（編號(hào) JAT210842）和漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題（編號(hào) ZZY2022Z13）的成果之一。

收稿日期：2024-4-30

第一作者簡(jiǎn)介：沈周鋒（1985-），福建漳州人，講師，碩士，主要研究通信技術(shù)與電子測(cè)量技術(shù)。Email：284782617@qq.com。

摘要：車(chē)間環(huán)境中，生產(chǎn)活動(dòng)可導(dǎo)致空氣質(zhì)量惡化，極大影響員工身體健康。文章提出了一種空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣粉塵和VOC污染物濃度，適時(shí)開(kāi)啟換氣系統(tǒng)，使空氣參數(shù)保持在較高的水平。該系統(tǒng)集成多組粉塵和VOC檢測(cè)模塊和雙向換氣裝置，根據(jù)發(fā)生空氣質(zhì)量惡化區(qū)域自適應(yīng)調(diào)整空氣流動(dòng)路徑，有針對(duì)性的凈化空氣。車(chē)間外設(shè)置風(fēng)向傳感器，根據(jù)自然風(fēng)的風(fēng)向調(diào)整室內(nèi)換氣方向，提高換氣效率。各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和執(zhí)行點(diǎn)利用WiFi實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，點(diǎn)與點(diǎn)之間密切配合，提高系統(tǒng)換氣效率。驗(yàn)證試驗(yàn)表明：監(jiān)測(cè)器能夠穩(wěn)定運(yùn)行，點(diǎn)與點(diǎn)之間配合良好，高效率、針對(duì)性實(shí)現(xiàn)空氣凈化，大大改善了車(chē)間生產(chǎn)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：粉塵監(jiān)測(cè)，風(fēng)向監(jiān)測(cè)，新風(fēng)系統(tǒng)，空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)，WiFi組網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9545（2024）02-0000-（06）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2024.02.019

企業(yè)用工荒一直是困擾著我國(guó)勞動(dòng)力市場(chǎng)的難題。車(chē)間空氣渾濁、工作環(huán)境差是用工荒的原因之一。由于生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生粉塵和VOC污染物，員工在工作中產(chǎn)生“厭工”情緒日益加深，導(dǎo)致老員工流失，且很難引進(jìn)新員工。因此創(chuàng)造舒適的工作環(huán)境，讓車(chē)間員工安心工作，成為企業(yè)急需解決的問(wèn)題。室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)逐漸成為企業(yè)車(chē)間的必備設(shè)備，這無(wú)疑加重了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。一款低成本、智能化、組網(wǎng)方便、能耗低的新風(fēng)系統(tǒng)，必將受到企業(yè)的歡迎。

文獻(xiàn)［1］結(jié)合《住宅新風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（JGJ/T440-2018）》，對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)的電氣控制策略進(jìn)行了總結(jié)。文獻(xiàn)［2］提出了適合在智能家居中應(yīng)用的新風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)新風(fēng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制邏輯進(jìn)行了闡述，但是未提及軟硬件的具體實(shí)現(xiàn)方式。文獻(xiàn)［3］利用數(shù)值模擬對(duì)地道換氣系統(tǒng)進(jìn)行研究，總結(jié)出風(fēng)管尺寸和埋藏深度，以及最佳送風(fēng)速度，不適合應(yīng)用于車(chē)間環(huán)境。文獻(xiàn)［4］研究總結(jié)和送風(fēng)溫濕度和送風(fēng)方式對(duì)臥室二氧化碳濃度的影響。文獻(xiàn)［5-6］提及了新風(fēng)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，但是無(wú)法完全滿足大型廠房針對(duì)性換氣和節(jié)能減排的需求。

該系統(tǒng)以STM8芯片為控制核心，采用ESP8266實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)和執(zhí)行設(shè)備的組網(wǎng)和通信［7-8］。將大型廠房劃分為多個(gè)區(qū)域，分區(qū)域設(shè)置空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)和換氣設(shè)備，實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的換氣。在廠房外設(shè)置自然風(fēng)風(fēng)向監(jiān)測(cè)器，根據(jù)自然風(fēng)向，確定室內(nèi)空氣流動(dòng)方向，大大提高換氣效率。各個(gè)換氣設(shè)備適時(shí)啟動(dòng)和改變送風(fēng)排氣模式，實(shí)現(xiàn)大型密閉空間的換氣，保證空氣質(zhì)量，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)可將系統(tǒng)狀態(tài)上傳服務(wù)器，并接收服務(wù)器下發(fā)的換氣命令，實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)。

1基本原理

企業(yè)廠房中，由于面積大，全天候開(kāi)啟換氣系統(tǒng)進(jìn)行全面換氣，導(dǎo)致?lián)Q氣系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)耗費(fèi)電量較大，加重企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。而且廠房面積巨大，全面換氣效率低，無(wú)法達(dá)到重污染區(qū)域快速調(diào)節(jié)空氣參數(shù)的效果。若換氣方向與室外自然風(fēng)流向沖突，換氣效果大打折扣，無(wú)法給廠房中的工人提供舒適的工作體驗(yàn)。根據(jù)上述問(wèn)題，換氣系統(tǒng)須具備風(fēng)向監(jiān)測(cè)功能、風(fēng)向可調(diào)的換氣機(jī)制以及污染物分區(qū)域監(jiān)測(cè)功能。廠房換氣示意圖如圖1所示。

根據(jù)廠房占地面積，將廠房分為A/B/C/D多個(gè)區(qū)域，并在每個(gè)區(qū)域中央設(shè)置空氣監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。風(fēng)向監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置在廠房外，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)自然風(fēng)的風(fēng)向。廠房墻壁設(shè)置多個(gè)換氣節(jié)點(diǎn)，根據(jù)發(fā)生空氣污染的區(qū)域和自然風(fēng)風(fēng)向，進(jìn)行針對(duì)性的換氣。例如，當(dāng)A區(qū)域粉塵或VOC污染等級(jí)超標(biāo)，而且室外自東向西時(shí)，啟動(dòng)換氣節(jié)點(diǎn)1/5/6。換氣節(jié)點(diǎn)6切換為進(jìn)氣模式，換氣節(jié)點(diǎn)1/5切換為排氣模式。換氣節(jié)點(diǎn)6可以充分利用室外風(fēng)壓，實(shí)現(xiàn)高效率進(jìn)氣。換氣節(jié)點(diǎn)1室外空氣流速較快，且流速高于室內(nèi)空氣，此時(shí)風(fēng)壓由內(nèi)向外，排氣模式可實(shí)現(xiàn)高效率排氣。換氣節(jié)點(diǎn)5切換成排氣模式也能得到自然風(fēng)的助力。根據(jù)圖1所示的換氣邏輯，對(duì)室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行框圖設(shè)計(jì)，如圖2所示。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)以STM單片機(jī)為核心，通過(guò)ESP8266模塊發(fā)送或接收其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和命令。主控節(jié)點(diǎn)控制著室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。顯示屏用于顯示系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)信息和設(shè)置菜單。用戶可通過(guò)按鍵電路查詢風(fēng)向信息和其他節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，手動(dòng)開(kāi)啟、關(guān)閉和設(shè)置換氣方向。主控節(jié)點(diǎn)搭載ESP8266設(shè)置為AP+Station模式，成為整個(gè)系統(tǒng)的控制中樞和數(shù)據(jù)樞紐，同時(shí)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳服務(wù)器。風(fēng)向監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置在室外，單片機(jī)連接風(fēng)向傳感器，讀取室外自然風(fēng)風(fēng)向，并將風(fēng)向信息實(shí)時(shí)發(fā)送至主控節(jié)點(diǎn)?？諝鈾z測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)有粉塵傳感器和VOC傳感器，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)本區(qū)域的空氣污染情況。換氣節(jié)點(diǎn)采用交流單相電機(jī)并加裝扇葉。設(shè)計(jì)一個(gè)支持正反轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)可控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，進(jìn)而切換進(jìn)氣模式和排氣模式。節(jié)點(diǎn)內(nèi)的ESP8266模塊接收主控節(jié)點(diǎn)指令，適時(shí)切換正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止?fàn)顟B(tài)。廠房?jī)?nèi)發(fā)生空氣污染影響員工工作體驗(yàn)感時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)間緊密配合，針對(duì)性的排除特定區(qū)域污染物。換氣的方向總是與自然風(fēng)風(fēng)向相同，達(dá)到節(jié)約電能且提高通風(fēng)效率的效果。

2主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1空氣檢測(cè)節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

空氣檢測(cè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)檢測(cè)廠房中各個(gè)區(qū)域的粉塵濃度和VOC污染等級(jí)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳回主控節(jié)點(diǎn)。采用STM8S103芯片作為節(jié)點(diǎn)的主控芯片，如圖3所示。

U2為主控核心，C4、C5、C6作為CPU的最小系統(tǒng)電路。J1連接單片機(jī)的SWIM引腳、NRST引腳以及電源地線，組成程序燒錄和調(diào)試接口。當(dāng)前粉塵監(jiān)測(cè)主要有摩擦靜電技術(shù)、阻光度技術(shù)、光散射技術(shù)和光吸收技術(shù)。目前民用和工業(yè)用設(shè)備多采用激光散射技術(shù)制成激光傳感器。采用激光散射原理，即令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時(shí)在某一特定角度收集散射光，得到散射光強(qiáng)隨時(shí)間變化的曲線，進(jìn)而微處理器利用基于米氏（MIE）理論的算法，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內(nèi)不同粒徑的顆粒物數(shù)量。本節(jié)點(diǎn)采用河南福申電子科技有限公司推出的FS00210激光粉塵傳感器，可以獲得PM1.0、PM2.5、PM10等數(shù)值，并以數(shù)字接口形式輸出。本傳感器可集成UART接口和IIC接口，單片機(jī)唯一的UART接口用于WiFi模塊通信，因此采用IIC接口讀取粉塵濃度。U1、R1-R4、C1-C3、L1-L2組成粉塵傳感電路。電解電容C1和瓷介電容C2作為去耦電容，C2用于抵消C1的電感分量。L1和L2用于濾除電源和地線的電位波動(dòng)，進(jìn)一步保證模塊的正常運(yùn)行和測(cè)量精度。PM2.5Set用于設(shè)置FS00210的工作狀態(tài)，高電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)，低電平為休眠模式。R1作為使能引腳的限流電阻，起到保護(hù)作用。R2和C3組成FS00210的復(fù)位電路。SDA和SCL引腳通過(guò)U2單片機(jī)的第11和第12腳連接單片機(jī)內(nèi)部的IIC通信單元。由于U2第11和第12腳為開(kāi)集引腳，采用R3和R4上拉5V電源，保證端子電位能正常拉高。

VOC污染等級(jí)監(jiān)測(cè)電路由U4、L3-L4、C6-C7和R5組成。U4采用鄭州煒盛電子科技有限公司推出的MP503傳感器。該傳感器采用多層厚膜制造工藝，在微型陶瓷基片的兩面分別制作加熱電阻RH和金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏層RS。加熱電阻阻值約為95Ω±10Ω，5V±0.1V電源施加在加熱電阻上使其通電加熱。當(dāng)達(dá)到熱平衡后，氣敏層的電導(dǎo)率隨著環(huán)境空氣的VOC污染的變化而變化。污染濃度越高，電導(dǎo)率則越高。如圖3所示，RS與負(fù)載電阻R5串聯(lián)，污染等級(jí)越高則AdVOC電壓越高。AdVOC連接單片機(jī)的AD通道，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行10位位寬的AD采樣，即可換算出污染等級(jí)。

另外，WiFi通信采用安信可科技推出的ESP8266_01S模塊。占用U2單片機(jī)的UART通信端口，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交互。ESP8266Ena連接單片機(jī)，用于切換模塊進(jìn)入正常工作模式和低功耗模式。高電平則進(jìn)入正常工作模式，低電平則進(jìn)入低功耗模式。適時(shí)開(kāi)啟/休眠WiFi模塊，實(shí)現(xiàn)節(jié)約功耗、提高器件壽命的效果。

該節(jié)點(diǎn)設(shè)備，傳感器電路采用5V供電，WiFi模塊和單片機(jī)采用3.3V供電。為滿足供電需求，選用TI公司的TPS562242和TPS628303芯片分別產(chǎn)生5V和3.3V電源，如圖1所示。開(kāi)關(guān)電源電路相比LDO穩(wěn)壓芯片，具有抗干擾能力強(qiáng)，電源轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)，可用于生成紋波相對(duì)較小且穩(wěn)定的直流電源［9-10］。12V電源從J2端口輸入，經(jīng)過(guò)電容C8實(shí)現(xiàn)電源去耦之后，輸入U(xiǎn)5的PIN1引腳。R6將U5的PIN5腳上拉至12V，起到使能的效果。U5的SW腳經(jīng)過(guò)L5電感生成+5V電源。R7和R8對(duì)+5V電源進(jìn)行分壓后，反饋回U5的FB引腳，實(shí)現(xiàn)電源電壓的閉環(huán)控制。FB引腳內(nèi)部連接電壓比較器，將反饋電壓與0.8V參考電壓進(jìn)行比較。反饋電壓高于0.8V時(shí)，減小SW引腳占空比，致使+5V電源真實(shí)值回落到合理區(qū)間。反之，則增大SW引腳占空比，提高+5V電源真實(shí)值。通過(guò)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了+5V電源的閉環(huán)控制。TPS562242芯片擁有高達(dá)1.4MHz的開(kāi)關(guān)頻率，保證閉環(huán)控制的速率，有效的降低了+5V電源的紋波幅度。該芯片為降壓型開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，允許輸入電壓范圍為3V至16V，選用12V電源適配器為其供電。電源負(fù)載電流最大值：

IOUT=12×L5×fSW×（VIN-VOUT×VOUT）VIN（1）

式（1）中，L5=1.2uH，fSW=1.4MHz，VIN=12V，VOUT=5V，則：

IOUT=0.86（A）（2）

+3.3V電源采用TPS628303方案，將+5V電源轉(zhuǎn)化為+3.3V。電路原理與+5V電源電路類似，此處不再贅述。由于SW處于高電平時(shí)，輸入U(xiǎn)5和U6的正電荷主要來(lái)自于C8和C10。因此布線時(shí)C8和C10分別緊靠著VIN引腳。SW引腳作為開(kāi)關(guān)引腳，持續(xù)為L(zhǎng)5和L6電感充電，承載電流較大。因此，電感L5和L6分別緊靠著SW引腳，且采用敷銅方式，避免使用線路板過(guò)孔，盡量增大導(dǎo)體的截面積，減小電源熱耗散，提高電源穩(wěn)定度。R7和R8、R10和R11作為分壓反饋回路，其穩(wěn)定度極大影響電源的純凈度。應(yīng)該盡量采用細(xì)導(dǎo)線，減少受輻射干擾的面積，且周?chē)M量采用地線敷銅屏蔽輻射干擾。

2.2換氣節(jié)點(diǎn)雙向換氣控制電路設(shè)計(jì)

換氣節(jié)點(diǎn)須根據(jù)自然風(fēng)風(fēng)向，適時(shí)調(diào)整換氣方向，提高換氣效率。采用市面上最常見(jiàn)的單相交流電機(jī)，配合雙向換氣控制電路，實(shí)現(xiàn)風(fēng)向可調(diào)的效果，如圖4所示。

該種類的電機(jī)常用于洗衣機(jī)，繞組1和繞組2采用相同的匝數(shù)和線徑，無(wú)主次之分。例如，需要電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，繞組1作為驅(qū)動(dòng)繞組，繞組2作為啟動(dòng)繞組；電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，則兩繞組所起作用互換。C1和離心開(kāi)關(guān)S1串聯(lián)，使啟動(dòng)繞組電流總是滯后驅(qū)動(dòng)繞組90°，保證電機(jī)上電瞬間能快速啟動(dòng)避免堵轉(zhuǎn)燒毀繞組。離心開(kāi)關(guān)選用常閉性開(kāi)關(guān)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，啟動(dòng)繞組使命完成，離心開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)繞組斷電，剩下驅(qū)動(dòng)繞組繼續(xù)工作。電機(jī)采用220V交流市電供電，而單片機(jī)采用3.3V直流弱電供電。采用光電耦合器配合12V繼電器，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離，避免電機(jī)交流電干擾串入弱電電路導(dǎo)致控制核心死機(jī)或重啟。U2、K2、D2、Q2、R4-R6組成火線通斷驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)FanSW高電平時(shí)，光耦U2導(dǎo)通，Q2截止，繼電器K2常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，使交流電機(jī)斷電。反之，則交流電機(jī)通入交流電。U1、K1、D1、R1-R3組成電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路。ZFcontrol高電平時(shí)時(shí)，光耦U1導(dǎo)通，Q1截止，繼電器K1的動(dòng)片連接靜觸點(diǎn)。繞組2作為驅(qū)動(dòng)繞組，繞組1作為啟動(dòng)繞組，電機(jī)反轉(zhuǎn)。ZFcontrol為低電平時(shí)，繞組1作為驅(qū)動(dòng)繞組，繞組2作為啟動(dòng)繞組，電機(jī)正轉(zhuǎn)?？刂七壿嬚嬷当砣绫?所示。

2.3風(fēng)向檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)

風(fēng)向傳感器安裝于廠房外部，用于檢測(cè)自然風(fēng)風(fēng)向，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

采用塑料制成風(fēng)向標(biāo)形狀，在箭頭附近安裝磁鐵，主干位置開(kāi)孔安裝微型軸承使其固定在定子上。自然風(fēng)吹過(guò)時(shí)，箭頭可圍繞定子自由轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)向標(biāo)的尾部面積較大，定向風(fēng)吹過(guò)時(shí)總是指向空氣流動(dòng)的方向，帶動(dòng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)方向。傳感器底座上安裝8個(gè)全極型霍爾傳感器，磁鐵靠近時(shí)，輸出端電平值發(fā)生變化。單片機(jī)檢測(cè)8個(gè)輸出信號(hào)，即可判斷風(fēng)向。適當(dāng)調(diào)整風(fēng)向標(biāo)尾部“魚(yú)鰭”和磁鐵重量，使重心集中在定子附近，時(shí)風(fēng)向標(biāo)的指向不受重力影響。傳感器底座安裝圓形線路板，中間開(kāi)孔用于固定定子，8個(gè)霍爾傳感器圓形排列在以定子為中心的圓上。霍爾傳感器選用全極型YS4915，具有超高靈敏度和高穩(wěn)定性，工作電流僅有3uA。在無(wú)磁環(huán)境中，輸出端輸出高電平；反之，則輸出低電平。該器件對(duì)磁場(chǎng)極性無(wú)要求，為傳感器量產(chǎn)組裝提供極大便利。傳感器電路圖如圖6所示。

YS4915輸出端為開(kāi)集型輸出，R3作為上拉電阻，使無(wú)磁場(chǎng)環(huán)境中輸出端電位上升到高電平。采用R1-R2和Q1組成共射電路，將傳感器輸出波形整形為數(shù)字波形，輸送到單片機(jī)IO口判斷“0”和“1”。

3各節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

3.1檢測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

空氣檢測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖7所示。按下電源開(kāi)關(guān)后3.3V電源和5V電源啟動(dòng)，單片機(jī)進(jìn)入初始化。首先進(jìn)行定時(shí)器初始化，定時(shí)器為死循環(huán)中的空氣參數(shù)讀取時(shí)間間隔提供定時(shí)，避免過(guò)快的檢測(cè)和發(fā)送數(shù)據(jù)，造成WiFi網(wǎng)絡(luò)阻塞。然后進(jìn)行UART單元初始化，建立stm8芯片和ESP8266模塊的數(shù)據(jù)通道。接著進(jìn)行ESP8266模塊初始化，建立與主控節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接。IIC單元初始化過(guò)程中，將單片機(jī)內(nèi)置的IIC通信單元設(shè)置為主機(jī)模式，建立與粉塵傳感器數(shù)據(jù)通道后，初始化傳感器內(nèi)部寄存器參數(shù)。VOC傳感器初始化過(guò)程主要設(shè)置AD轉(zhuǎn)換通道，使單片機(jī)能夠獲取MP503傳感器輸出的模擬電壓。經(jīng)過(guò)初始化后，進(jìn)入死循環(huán)。在死循環(huán)中，當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)達(dá)到10s時(shí)，進(jìn)行一輪參數(shù)讀取和數(shù)據(jù)打包上傳，然后進(jìn)入下一輪的等待?？諝鈾z測(cè)節(jié)點(diǎn)在單片機(jī)的控制下，每隔10s檢測(cè)一次空氣污染并上傳數(shù)據(jù)。風(fēng)向檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件流程與空氣檢測(cè)節(jié)點(diǎn)類似，其軟件流程圖如圖8所示。

3.2換氣節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

換氣節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行部件，負(fù)責(zé)接收主控節(jié)點(diǎn)的指令，控制風(fēng)機(jī)的開(kāi)關(guān)和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。由于主控節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)下發(fā)是突發(fā)的，因此采用UART接收中斷自動(dòng)保存新數(shù)據(jù)，并設(shè)置新數(shù)據(jù)標(biāo)志位。主循環(huán)根據(jù)負(fù)責(zé)查詢新數(shù)據(jù)標(biāo)志位和清零，根據(jù)標(biāo)志位狀態(tài)，適時(shí)查詢新命令并控制風(fēng)機(jī)狀態(tài)。主循環(huán)流程圖如圖9所示。

開(kāi)機(jī)后經(jīng)過(guò)內(nèi)部UART單元初始化和外部ESP8266硬件初始化后，進(jìn)入死循環(huán)，根據(jù)新數(shù)據(jù)控制風(fēng)機(jī)。電機(jī)開(kāi)啟時(shí)，切換風(fēng)機(jī)方向會(huì)導(dǎo)致繞組1和繞組2電壓突變，電機(jī)內(nèi)部容易產(chǎn)生電弧燒毀電機(jī)。而且充分的延時(shí)可以保證繞組充分放電。每當(dāng)需要更改風(fēng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，首先令FanSw=1關(guān)閉風(fēng)機(jī)。延時(shí)0.5s以后，設(shè)置ZFcontrol切換風(fēng)機(jī)方向。再次延時(shí)0.5s以后，再令FanSw=0開(kāi)啟風(fēng)機(jī)。

3.3 主控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

主控節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，同時(shí)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉屑~和接入互聯(lián)網(wǎng)的“網(wǎng)關(guān)”。WiFi模組設(shè)置為AP+Station模式。作為AP，為整個(gè)系統(tǒng)其它節(jié)點(diǎn)設(shè)備提供WiFi熱點(diǎn)，組成局域網(wǎng)。作為Station，主控節(jié)點(diǎn)可同時(shí)接入互聯(lián)網(wǎng)路由器，將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上傳至服務(wù)器。屏幕和按鍵組成人機(jī)交互接口，可設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量時(shí)間間隔，調(diào)整空氣參數(shù)閾值，手動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉換氣系統(tǒng)和換氣風(fēng)向。按鍵采用IO口外部中斷，可快速響應(yīng)用戶的按鍵操作。軟件主流程如圖10所示。

單片機(jī)開(kāi)機(jī)后經(jīng)過(guò)初始化，進(jìn)入死循環(huán)。在死循環(huán)中，首先讀取標(biāo)志位確定是否收到新數(shù)據(jù)。若有新數(shù)據(jù)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中。通過(guò)WiFi模組下發(fā)各換氣節(jié)點(diǎn)的控制命令，并連接遠(yuǎn)程服務(wù)器上報(bào)系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)。

4整機(jī)測(cè)試

對(duì)該系統(tǒng)方案進(jìn)行了模型驗(yàn)證，在測(cè)試場(chǎng)地，根據(jù)圖1所示的位置，設(shè)置了6個(gè)換氣節(jié)點(diǎn)、4個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)、1個(gè)主控節(jié)點(diǎn)和1個(gè)室外風(fēng)向檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。采用風(fēng)扇模擬自然風(fēng)風(fēng)向的改變，室外風(fēng)向檢測(cè)傳感器的風(fēng)向標(biāo)能夠隨著風(fēng)向的變化而變化，并成功檢測(cè)到8個(gè)霍爾傳感器狀態(tài)，推算出風(fēng)向并傳輸至主控節(jié)點(diǎn)。在室內(nèi)點(diǎn)燃蚊香或打開(kāi)污染物瓶蓋時(shí)，經(jīng)過(guò)30s，對(duì)應(yīng)區(qū)域的空氣檢測(cè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到污染，并上報(bào)數(shù)據(jù)。主控節(jié)點(diǎn)隨后根據(jù)污染區(qū)域和室外風(fēng)向，開(kāi)啟了對(duì)應(yīng)的換氣節(jié)點(diǎn)設(shè)備。經(jīng)過(guò)測(cè)試，室內(nèi)換氣方向與室外自然風(fēng)風(fēng)向一致，室外風(fēng)向發(fā)生改變時(shí)，主控節(jié)點(diǎn)成功改變室內(nèi)換氣方向，并將數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器。綜上所述，經(jīng)過(guò)整系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的緊密配合，達(dá)到該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5結(jié)語(yǔ)

以STM8芯片作為主控芯片，以ESP8266模塊作為組網(wǎng)和聯(lián)網(wǎng)模塊，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)室內(nèi)空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。針對(duì)企業(yè)大型廠房，提出了分片區(qū)檢測(cè)和換氣的系統(tǒng)方案。并對(duì)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和聯(lián)調(diào)。測(cè)試表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠根據(jù)室內(nèi)污染區(qū)域和室外風(fēng)向，適時(shí)改變換氣方向，達(dá)到高效率換氣的效果。該項(xiàng)目不足之處在于，只檢測(cè)粉塵和VOC污染，暫無(wú)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)功能，暫時(shí)無(wú)法與空調(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，這也為未來(lái)提供了研究方向。

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Research and Design of Indoor Air Conditioning System

SHEN Zhoufeng1， ZHENG Huizhen2， FANG Huirong1

（1.Electronic Information Department of Zhangzhou Institute of Technology， Zhangzhou，" 363000， China；2. Intelligent Manufacturing Department of Zhangzhou Institute of Technology， zhangzhou，F(xiàn)ujian 363000， China）

ABSTRACT" In the workshop environment， production activities lead to deterioration of air quality， which greatly affected the health of employees. An air conditioning system was proposed for monitoring the concentration of indoor air dust and VOC pollutants， and timely opening the ventilation system to maintain high air parameters. The system integrates multiple set of dust and VOC detection modules and two-way ventilation devices， adaptively adjusting the air flow path according to the area where air quality deterioration occured， and targeted air purification. A wind direction sensor was installed outside the workshop to adjust the indoor ventilation direction according to the natural wind direction to improve ventilation efficiency. Each monitoring point and execution point utilized WiFi to achieve an ad hoc network， with close coordination between points to improve the system's ventilation efficiency. The validation test showed that the monitor could operate stably， coordinate well between points， achieve high efficiency and targeted air purification， and greatly improve the workshop production environment.

KEY WORDS" Dust monitoring； Wind direction monitoring； Fresh air system； Air Quality regulation； WIFI networking

（責(zé)任編輯" 胡安娜）