蔡文郁，徐建軍，王洪亮

(杭州電子科技大學電子信息學院，浙江 杭州 310018)

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基于物聯(lián)網(wǎng)的家居空氣質量凈化系統(tǒng)

蔡文郁，徐建軍，王洪亮

(杭州電子科技大學電子信息學院，浙江 杭州 310018)

摘要：針對目前大氣污染的現(xiàn)狀和人們對健康室內環(huán)境的需求，研究并設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的家居空氣質量凈化系統(tǒng).系統(tǒng)以ARM-Cortex-M0內核微控制器NuMicro-M058芯片為硬件核心，采用嵌入式RTX操作系統(tǒng)為軟件平臺，具有三層濾網(wǎng)、光觸媒消毒、紫外線殺菌等多種凈化功能，而且還具有PM2.5，VOC，溫濕度等空氣質量數(shù)據(jù)采集功能，最終通過服務器與手機端程序的編寫實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)化遠程監(jiān)控.

關鍵詞：大氣污染；空氣凈化；NuMicro-M058；RTX；物聯(lián)網(wǎng)

0引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國面臨著越來越嚴重的環(huán)境污染壓力.近年來霧霾一詞逐漸進入人們的視野，空氣污染問題也越來越引起人們的關注.通過室內的空氣凈化器可以大大降低空氣污染對人們的危害，因此空氣凈化器被越來越多人的接受，迅速成為一種新興的家用電器[1].進入21世紀，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的興起，只具有單一凈化空氣功能的空氣凈化器已經(jīng)無法滿足人們的需求，人們不僅要求空氣凈化器具有凈化空氣中各種有害物質的功能，而且還需要對空氣質量做出評估，并實時反饋給用戶[2-3].本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術對空氣凈化系統(tǒng)的功能進行了擴展，用戶不僅能使用遙控器直接操縱空氣凈化器，還可利用APP軟件監(jiān)測和操控空氣凈化系統(tǒng)，隨時隨地掌握室內空氣質量狀況.

1物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架

本文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣質量凈化系統(tǒng)主要包含空氣質量采樣和凈化裝置、數(shù)據(jù)處理中心和移動端應用.空氣質量采樣和凈化裝置由控制、采集、顯示、過濾等組成；數(shù)據(jù)處理中心采用Ubuntu作為服務器操作系統(tǒng)，使用Socket接口作為通信接口，通過網(wǎng)絡層、業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層三層組織結構來實現(xiàn)；智能手機端應用以Android作為系統(tǒng)平臺，與服務器端構成客戶端/服務器(C/S)系統(tǒng)，實現(xiàn)了用戶遠程控制和接收空氣凈化器數(shù)據(jù).

系統(tǒng)框架如圖1所示，主要工作原理如下：微控制器核心實時接收溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、氣體傳感器傳送的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡通信模塊發(fā)送給服務器，再由服務器發(fā)送給相應的智能手機端.同樣的，智能手機端發(fā)送的控制命令由服務器發(fā)送給空氣凈化器，控制空氣凈化器開關和相關的電機、紫外線消毒、負離子凈化的工作.用戶也可以通過按鍵或紅外遙控器對凈化器進行近距離的控制.本系統(tǒng)具有三檔調速及光觸媒[4]和負離子的開關設置功能，通過WiFi連接網(wǎng)絡后用APP遠程操控，支持自動凈化智能調整模式.

圖1　基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣凈化系統(tǒng)框架

2設備端軟硬件設計方案

空氣凈化器控制電路由微控制器、傳感器、電機、液晶、按鍵、網(wǎng)絡通訊、供電等模塊構成，主要任務是采集、分析、傳輸多種傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，然后提供本地遙控和遠程控制功能.用戶可以在本地觸摸段碼屏進行數(shù)據(jù)監(jiān)測和儀器控制，也可以通過無線網(wǎng)絡通信進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收.系統(tǒng)硬件框圖和實物圖如圖2所示.

空氣凈化器MCU系統(tǒng)采用嵌入式RTX操作系統(tǒng)，8個工作線程分別實現(xiàn)任務管理、IO口操作、傳感器數(shù)據(jù)采集、觸摸屏掃描、段碼屏控制、液晶屏動畫顯示、無線WiFi通信、看門狗等8個功能，并創(chuàng)建了外部中斷與串口中斷，用于實現(xiàn)紅外和遠程控制.圖3展示了軟件系統(tǒng)的整體框架，其中每個線程都是一個單獨循環(huán)事件，當觸摸按鍵線程收到關機命令時，結束程序，關閉其他工作線程.

3服務器和手機軟件設計方案

3.1服務器端軟件方案

服務器端平臺采用基于Ubuntu12.0464位的云服務器.云服務器是一種簡單高效、處理能力可彈性伸縮的計算服務，與傳統(tǒng)的自建服務器相比具有構建快、穩(wěn)定、安全、高效和低成本等諸多優(yōu)勢[5].Ubuntu作為目前較為流行的Linux發(fā)行版本，具有部署簡單、軟件豐富、開發(fā)方便等優(yōu)勢，服務器端數(shù)據(jù)庫采用My SQLserver 5.5.37.

服務端程序主要分為網(wǎng)絡層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層.其中網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)創(chuàng)建Socket連接和為每個Android手機用戶和空氣凈化器創(chuàng)建多個線程連接.業(yè)務邏輯層主要對網(wǎng)絡層接收上來的消息進行處理，業(yè)務邏輯層根據(jù)消息的內容選擇連接數(shù)據(jù)庫、轉發(fā)到其他線程或者是返回處理消息等操作.數(shù)據(jù)訪問層主要實現(xiàn)用戶的登錄注冊，空氣凈化器的登錄及空氣凈化器和用戶的配對工作.服務端程序的流程如圖4所示.

圖4　服務器系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

3.2手機端軟件設計方案

智能手機端應用程序采用Android作為應用平臺，包含主界面、注冊界面、登錄界面、添加設備界面、設備狀態(tài)界面、控制界面、設置界面和使用說明界面8個主要界面，界面結構方案如圖5所示，主要界面樣式如圖6所示.

圖5　安卓界面結構方案

圖6　安卓平臺APP主要界面

4系統(tǒng)測試

本文對空氣凈化器設備端軟件、服務器應用程序和Android應用程序分別進行測試，其中對空氣凈化器設備端軟件進行了功能測試和性能測試，對服務器應用程序進行了網(wǎng)絡層與數(shù)據(jù)訪問層的測試.除此之外，本文還測試了空氣質量傳感器的數(shù)據(jù)采集功能、空氣凈化風扇電機的控制、空氣凈化器軟件系統(tǒng)是否正常工作、觸摸液晶能否正常顯示與控制、空氣凈化器能否正常連接WiFi網(wǎng)絡等方面.

在室溫18 ℃和濕度44%的環(huán)境下進行設備端軟件功能測試，測試結果如圖7所示，圖7(a)為自動模式下測試圖，由于PM2.5與TVOC處于良好狀態(tài)，所以空氣凈化器以最小風力運行，并且設置了4 h的定時關閉.圖7(b)為手動模式下測試圖，用戶可以自由控制風速、光觸媒(紫外線)、消毒(負離子)及定時關機功能，通過操作各個按鍵來觀察液晶顯示是否正常，并檢測空氣凈化器相應部件是否按用戶操作方式運行.

圖7　軟件測試結果

測試結果表明本系統(tǒng)滿足設計要求，在成本低廉的情況下仍具有豐富的功能和高可靠性.本文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)的家居空氣質量凈化系統(tǒng)已組裝成型，并進行了批量生產(chǎn)，如圖8所示.

圖8　整機組裝及量產(chǎn)測試圖片

5結束語

本文設計并研制了一套基于物聯(lián)網(wǎng)并且具有多種檢測凈化功能的家居空氣質量凈化系統(tǒng).與市場上的相關產(chǎn)品相比，本系統(tǒng)能實時測量多種空氣質量參數(shù)，并具有三層濾網(wǎng)、光觸媒、紫外線、負離子等凈化功能，通過手機程序實現(xiàn)了遠程監(jiān)測和控制空氣凈化器的功能.經(jīng)實驗室系統(tǒng)聯(lián)調和工廠車間的批量調試，整套系統(tǒng)工作穩(wěn)定，目前已經(jīng)投入批量生產(chǎn).

參考文獻

[1]高立新,陸亞俊.室內空氣凈化器的現(xiàn)狀及改進措施[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2004,36(2):199-201.

[2]POORTER E D, MOERMAN I, DEMEESTER P. Enabling direct connectivity between heterogeneous objects in the Internet of Things through a network-service-oriented architecture[J]. Eurasip Journal on Wireless Communications & Networking, 2011, 2011(1):1451-1459.

[4]AO C H, LEE S C. Indoor air purification by photocatalyst TiO2 immobilized on an activated carbon filter installed in an air cleaner[J]. Chemical Engineering Science, 2005, 60(1): 103-109.

[5]羅軍舟,金嘉暉,宋愛波,東方.云計算:體系架構與關鍵技術[J].通信學報,2011(7):3-21.

The Home Air Quality Purification System Based on Internet of Things

CAI Wenyu, XU Jianjun, WANG Hongliang

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：For the current status of air pollution and the demand for healthy indoor environment, the paper studies a type of home purification system which based on the internet of things(IoT). The system uses the ARM-Cortex-M0 core micro-controller NuMicro-M058 as the hardware platform, and RTX embedded operating system as the software platform, with three filters, a variety of purification photo catalytic disinfection, ultraviolet disinfection, etc. The air purifier also has a collection function for air quality data such as PM2.5, VOC, temperature and humidity. It also can connect through the server and mobile client applications to implement remote monitoring.

Key words：air pollution; air purifier; NuMicro-M058; RTX; the internet of things

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.04.002

收稿日期：2016-01-05

基金項目：浙江省自然科學基金資助項目(LY15F030018,LY16F030004)

作者簡介：蔡文郁(1979-)，男，浙江慈溪人，副教授，電路與系統(tǒng).

中圖分類號：TP277

文獻標識碼：A

文章編號：1001-9146(2016)04-0005-05