何偉剛+李政林+章帆

摘 要： 為了滿足人們對室內(nèi)空氣質(zhì)量的需求，設(shè)計一種智能空氣檢測與凈化器。該裝置以STM32F103RCT6單片機為核心控制器，采用PM2.5傳感器、溫濕度傳感器、甲醛傳感器、有害氣體傳感器等對空氣進行檢測，通過等離子和負(fù)離子發(fā)生器產(chǎn)生大量的等負(fù)離子，利用等負(fù)離子的吸附和中和反應(yīng)達(dá)到除塵、殺菌等作用，使空氣得到凈化。該裝置通過WiFi連接入互聯(lián)網(wǎng)，使用手機APP實現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)查看和控制。實驗表明，該設(shè)計具有功能化，智能化，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)以及控制設(shè)備的能力。

關(guān)鍵詞： 空氣凈化； 智能監(jiān)測； 凈化器； 互聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號： TN911?34； TN722 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）12?0090?03

Abstract： In order to satisfy the demand for indoor air quality， an intelligent air detection and purification device was designed. The STM32F103RCT6 is taken as the core controller of the device， the PM2.5 sensor， temperature?humidity sensor， formaldehyde sensor and harmful gas sensor are used in the device to detect the air， and a mass of plasma?anions are generated through plasma and anion generators. The adsorption and neutralization reactions of plasma?anions are adopted to eliminate the dust， perform the sterilization to purify the air. The device is connected into Internet through WiFi， which can check and control its data by means of APP embedded in mobile phone. The device is a functional and intelligent one， and can check the data and control the appliance remotely.

Keywords： air purification； intelligent monitoring； purification device； Internet

空氣是人賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，它和人們的身心健康具有十分密切的關(guān)聯(lián)。近年來，我國的經(jīng)濟迅速發(fā)展，人們的生活水平也得到了很大的改善和提高，但是不斷出現(xiàn)了環(huán)境污染問題，特別是愈演愈烈的霧霾問題。同時，室內(nèi)空氣的污染問題也不容樂觀。

工作或居住環(huán)境相對封閉化，再加上室內(nèi)裝修材料造成的室內(nèi)環(huán)境污染。更容易對人們健康的造成影響。當(dāng)代人的工作，生活娛樂的大部分時間都是在室內(nèi)進行[1?4]，可想而知，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量對人體健康有著直接的影響。針對室內(nèi)空氣質(zhì)量的現(xiàn)狀，本設(shè)計旨在設(shè)計一種能夠?qū)κ覂?nèi)環(huán)境中的溫度、濕度、PM2.5以及甲醛、苯、硫化物、煙霧等有害氣體進行實時監(jiān)測，并能夠有效凈化空氣的智能系統(tǒng)。同時，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使該系統(tǒng)通過WiFi接入互聯(lián)網(wǎng)，制作手機APP實現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)查看和控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計

本系統(tǒng)由空氣檢測、空氣凈化及物聯(lián)網(wǎng)查看控制三大部分組成，如圖1所示?？諝鈾z測部分主要通過多種傳感器，細(xì)致地檢測當(dāng)前室內(nèi)的空氣質(zhì)量以及污染物的情況，并經(jīng)單片機進行處理；同時，當(dāng)計算得到的空氣質(zhì)量超過標(biāo)準(zhǔn)值，系統(tǒng)會啟動空氣凈化裝置，對污染的空氣進行凈化，同時可以在人機交互界面上顯示警報信息，并通過蜂鳴器進行聲音報警提示，而且通過系統(tǒng)的人機交互界面，可以進行查看系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)或者操作凈化器等功能。同時，該設(shè)備具備物聯(lián)網(wǎng)功能，系統(tǒng)通過WiFi模塊鏈接上路由器把數(shù)據(jù)上傳的互聯(lián)網(wǎng)平臺。

1.2 硬件整體設(shè)計

本系統(tǒng)主控模塊主要使用STM32F103RCT6芯片，傳感器部分主要由光照度傳感器、PM2.5傳感器、溫濕度傳感器、有害氣體傳感器、甲醛傳感器組成，如圖2所示，用于檢測空氣參數(shù)。空氣凈化部分主要由風(fēng)扇、等離子發(fā)生器和負(fù)離子發(fā)生器組成。電源部分是12 V的鋰電池，可以通過平衡充模塊對其充電；SD卡部分主要用于保存數(shù)據(jù)，人機交互界面通過TFT觸摸屏；WiFi接口電路用于放置WiFi模塊，設(shè)備通過WiFi模塊連接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制和查看數(shù)據(jù)；蜂鳴器主要用于發(fā)出聲音提示。

系統(tǒng)使用ST公司的32位ARM芯片STM32F103RCT6作為系統(tǒng)的核心，其集成了高性能的ARM Cortex?M3架構(gòu)的32位RISC內(nèi)核，能夠處理各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)運算及任務(wù)[5?6]。它已被開發(fā)，以提供一種低成本平臺滿足MCU的需求實施方式中，具有較低的管腳數(shù)和低功率消耗，還有非常好的數(shù)據(jù)處理能力以及中斷響應(yīng)機制。

空氣凈化部分主要采用目前比較推崇的等離子和負(fù)離子技術(shù)，這種技術(shù)相對安全、有效?？諝鈨艋K采用KJF04 DC 12 V等離子發(fā)生器，主要工作原理是將輸入的12 V直流電壓通過升壓電路升至正負(fù)高壓，此時正負(fù)高壓電會離空氣產(chǎn)生大量正負(fù)離子，周圍空氣中的細(xì)菌等會因為正負(fù)電荷中和反應(yīng)所釋放的大量能量死亡，從而具有殺菌的作用[7]。等離子發(fā)生器產(chǎn)生的負(fù)離子對空氣有清新作用。

2 軟件整體設(shè)計

系統(tǒng)上電后會開始進行系統(tǒng)變量初始化。這個階段系統(tǒng)會初始化所有全局變量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、創(chuàng)建最低優(yōu)先級空閑任務(wù)，創(chuàng)建6個空數(shù)據(jù)鏈表：空任務(wù)控制塊鏈表、空隊列控制塊鏈表、空事件控制塊鏈表、空標(biāo)志組鏈表、空內(nèi)存控制塊鏈表、空閑定時器控制塊鏈表。初始化完系統(tǒng)變量后，先創(chuàng)建開始任務(wù)，由開始任務(wù)創(chuàng)建讀取傳感器任務(wù)、按鍵任務(wù)、主任務(wù)、LED任務(wù)、蜂鳴器任務(wù)、WiFi物聯(lián)任務(wù)。創(chuàng)建完后便開始掛起開始任務(wù)，然后初始化硬件，并開中斷[8]。多任務(wù)管理器接下來會根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級在就緒表中查找優(yōu)先級最高的，并操作資源切換到該任務(wù)執(zhí)行，μC/OS?Ⅱ系統(tǒng)通過定時中斷的方式實現(xiàn)實時性見圖3。每個時鐘節(jié)拍到來，就會進入一次定時中斷[8]。中斷后檢測是否有重要任務(wù)需要運行并進行任務(wù)切換，運行新的任務(wù)或者繼續(xù)運行本任務(wù)，確保實時性。

機智云是通過WiFi模塊與MCU以串口通信來實現(xiàn)的，所以要在MCU端根據(jù)編寫串口事件來解析接收的數(shù)據(jù)包以及發(fā)送數(shù)據(jù)到機智云[9]如圖4所示。

按照通信協(xié)議，發(fā)送的數(shù)據(jù)也有按照協(xié)議封裝在數(shù)據(jù)幀里，以便WiFi端或機智云端識別。數(shù)據(jù)區(qū)的只讀數(shù)據(jù)，包含了系統(tǒng)檢測空氣質(zhì)量的參數(shù)，用結(jié)構(gòu)體封裝起來，方便管理。根據(jù)設(shè)備需求，首先需要注冊、登錄、找回密碼、修改密碼、設(shè)備查找、配置設(shè)備、設(shè)備登錄以及設(shè)備數(shù)據(jù)顯示控制等功能如圖5所示。機智云的API提供有匿名、手機號碼、郵箱三種注冊方式，該系統(tǒng)的APP設(shè)計為郵箱注冊[10]。

3 系統(tǒng)測試

進行軟件仿真可以很方便對程序進行調(diào)試，里面的斷點執(zhí)行以及單步執(zhí)行可以很容易檢測某一個函數(shù)的功能見圖6。通過板子的SW接口，然后配置好仿真參數(shù)，點擊進入仿真按鈕，程序自動下載。之后就可以進行各項仿真測試了。

空氣檢測部分主要測量空氣的溫濕度、PM2.5、光照度、有害氣體、甲醛，所以對相關(guān)傳感器的靈敏度、準(zhǔn)確度進行了測試。測試時，先在TFT交互界面的功能菜單圖標(biāo)里，選擇傳感器數(shù)據(jù)圖標(biāo)，進入傳感器數(shù)據(jù)顯示界面，該界面可以看到系統(tǒng)所有傳感器的數(shù)據(jù)；然后就是對每個參數(shù)進行測試，為了測試凈化效果及效率，將兩個凈化模塊放入透明封閉亞克力板箱子里，箱子除了頂蓋其他面全部封閉，在箱子的底部放上一張彩色的紙張。當(dāng)煙霧充滿箱子，從頂部看不到底部的彩色紙張時，合好頂蓋，防止煙霧漏出。接下來給兩個模塊接上12 V的直流電源，測試從上電到箱子頂部清新看到底部的彩色紙張所需要的時間如表1所示。

經(jīng)過系列的測試，從測試的數(shù)據(jù)可以知道系統(tǒng)運行穩(wěn)定，凈化空氣的效果良好，對空氣污染物的檢測非常及時，對于檢測到有害氣體能及時發(fā)出報警，且體積小，也方便人們攜帶到其他空間使用。

4 結(jié) 語

本設(shè)計的設(shè)備能夠?qū)崟r檢測空氣污染物和凈化空氣，通過人性化的TFT交互界面可以進行數(shù)據(jù)顯示、查看日志、控制凈化器開關(guān)、設(shè)置系統(tǒng)工作模式等，讓人們可以了解自己工作生活的空氣環(huán)境質(zhì)量，同時能夠通過該設(shè)備有效凈化空氣，改善生活空氣品質(zhì)。該設(shè)計結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，讓人們可以通過手機APP就很方便地查看設(shè)備所在的室內(nèi)的空氣參數(shù)以及控制設(shè)備，讓人們得到智能化、人性化、方便快捷的服務(wù)。

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