鐘玲玲,吳 密,黃小平

(安徽新華學(xué)院,安徽 合肥 230088)

引言

近年來,人們越來越關(guān)注空氣污染指標。最新研究表明,每年有幾百萬人死于室內(nèi)污染相關(guān)的疾病。世界衛(wèi)生組織已將室內(nèi)污染列為影響人體健康的危險因素之一,而中國家用空氣凈化器的普及率僅有0.2%,目前市場上所銷售的空氣凈化器存在能耗高、成本高等諸多問題,便捷高效的室內(nèi)空氣質(zhì)量凈化器顯得尤為重要。因此,如何有效地過濾有害氣體,提高室內(nèi)空氣質(zhì)量,越來越成為大眾關(guān)注的焦點。

本系統(tǒng)命名為Fresh Air,它是一個兩層結(jié)構(gòu)的花瓶,內(nèi)層用來栽種具有解毒功能的植物,如蘆薈、蘭花等[1];外層嵌有一個由內(nèi)往外抽氣的風(fēng)扇,用于加速空氣流向植物的根部。同時,在該花盆中安裝有土壤濕度、空氣濕度、二氧化碳濃度、PM2.5等類型的傳感器,隨時監(jiān)測室內(nèi)的核心參數(shù)指標,并將這些數(shù)據(jù)通過ZigBee技術(shù)上傳到網(wǎng)絡(luò),最終上傳到云端[2]。用戶可以隨時通過手機App查看當前家居中的空氣質(zhì)量,并對比健康室內(nèi)空氣質(zhì)量標準判斷是否宜居。

1 功能規(guī)劃

1.1 創(chuàng)新功能

1.1.1植物凈化技術(shù)

將植物與簡單的控制系統(tǒng)結(jié)合。利用植物背面的微孔道吸收空氣中的污染物,植物根部共生的微生物可以自動分解污染物,通過風(fēng)扇的抽風(fēng)系統(tǒng)將凈化后的空氣吹出。通過ZigBee的調(diào)控,達到凈化室內(nèi)空間空氣的目的。

1.1.2自我管理

凈化器帶有土壤濕度檢測模塊,當植物缺水時系統(tǒng)控制抽水機對植物的土壤進行澆灌。

1.1.3ZigBee無線通訊

通過ZigBee網(wǎng)絡(luò),手機App接收凈化器發(fā)送的數(shù)據(jù)與標準值比較,若空氣質(zhì)量超標,則向用戶發(fā)送報警信息。用戶也可以通過手機遠程遙控凈化器,并通過網(wǎng)絡(luò)向用戶提供針對當前空氣質(zhì)量的健康提示。

1.2 基本功能

檢測空氣中的PM2.5、甲烷和空氣的濕度,并對空氣進行凈化、加濕。通過ZigBee將空氣質(zhì)量等信息發(fā)送給手機App,通過App顯示提醒用戶。

1.2.1空氣質(zhì)量檢測功能

通過ZPH03灰塵傳感器,檢測空氣中的可吸入顆粒物,如PM2.5;通過甲醛傳感器,檢測空氣中的甲醛濃度[3];通過溫濕度模塊,檢測空氣的溫濕度。

1.2.2空氣凈化功能

Fresh Air空氣氣流從其栽培的植物葉片表面,引入土壤中,由植物的根部和土壤中的微生物進行凈化,祛除空氣中的氨、苯、二甲苯、三氯乙烯和甲醛等化合物和可吸入顆粒物,最終從風(fēng)扇中吹出帶有田園泥土氣息的新鮮空氣[4]。同時,盆體的排風(fēng)扇吹出潮濕的空氣對室內(nèi)空氣進行加濕,并加速空氣流動,達到凈化空氣和空氣加濕的目的。

1.2.3聯(lián)網(wǎng)及遠程控制

通過ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將各個檢測模塊檢測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾CApp,為用戶提供室內(nèi)空氣質(zhì)量信息,并針對當前的空氣質(zhì)量為用戶推送健康信息和報警。用戶也可通過手機監(jiān)控凈化器的工作狀態(tài)。

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計方案

利用霧霾傳感器和溫濕度傳感器檢測空氣中的可吸入顆粒物和空氣溫度。之后利用植物和土壤中微生物對污染物的凈化能力,解決傳統(tǒng)空氣凈化器凈化空氣過程中產(chǎn)生其他有害物質(zhì),以及凈化器凈化費用過高且凈化過程過于繁瑣的問題。利用土壤濕度傳感器檢測植物生活環(huán)境中的土壤濕度、外圍硬件讓植物實現(xiàn)自我管理,區(qū)別傳統(tǒng)凈化器僅專注于室內(nèi)凈化的詬病。

2.2 硬件系統(tǒng)架構(gòu)

對于Fresh Air硬件結(jié)構(gòu),以STM32為核心,由霧霾檢測模塊、空氣溫濕度檢測模塊、土壤濕度檢測模塊、甲醛氣體檢測模塊進行對室內(nèi)的檢測,從而傳輸數(shù)據(jù)。STM32核心處理分析數(shù)據(jù)傳達指令到排風(fēng)扇和抽水泵從而進行工作,最終室內(nèi)數(shù)據(jù)將會在手機端和OLED顯示,具體硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 Fresh Air硬件結(jié)構(gòu)圖

空氣氣流從其栽培的植物葉片表面引入土壤中,由植物的根部和土壤中的微生物進行凈化,祛除空氣中的氨、苯、二甲苯、三氯乙烯和甲醛等化合物和可吸入顆粒物,最終從風(fēng)扇中吹出帶有田園泥土氣息的新鮮空氣,室內(nèi)空氣數(shù)據(jù)將會由OLED顯示屏呈現(xiàn)出來,具體空氣流操作如圖2所示。

圖2 Fresh Air工作流程圖

3 軟件架構(gòu)和開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)主要應(yīng)用STM32f1單片機與ZigBee無線通信技術(shù),涉及單片機嵌入式開發(fā)和手機端的應(yīng)用程序開發(fā)。用到的開發(fā)工具有CCS和Android Studio等軟件,涉及C語言和Java語言[5]。

3.1 單片機嵌入式開發(fā)

系統(tǒng)首先通過傳感器采集數(shù)據(jù),在經(jīng)過處理器處理后對相應(yīng)執(zhí)行器進行操控,并由手機顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。具體程序工作原理如圖3所示。

圖3 程序工作原理圖

3.2 手機端應(yīng)用程序開發(fā)

目前,隨著手機移動終端的普及和快速發(fā)展,手機App對電子設(shè)備的控制越來越常見,也越來越成熟。谷歌公司的Android和蘋果公司的IOS已成為手機應(yīng)用平臺的主流,而Android以其巨大的市場占有率在用戶使用中尤為重要。于是手機端采用谷歌公司的Android應(yīng)用程序開發(fā)手機APP[6]。

Android是一種基于Linux的自由及開放源代碼的操作系統(tǒng),由谷歌公司和開放手機聯(lián)盟領(lǐng)導(dǎo)及開發(fā)。谷歌公司與84家硬件制造商、軟件開發(fā)商及電信營運商組建開放手機聯(lián)盟,共同研發(fā)、改良了Android系統(tǒng)。2013年的第4季度,Android平臺手機的全球市場份額已經(jīng)達到 78.1%,全世界采用這款系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量達到10 億臺。

如圖4所示,Android開發(fā)語言使用Java,在開發(fā)過程中要熟悉用戶界面與交互的基本開發(fā)方法,了解創(chuàng)建的界面空間、布局、菜單、界面事件和手勢應(yīng)用的使用方法。利用Android開發(fā)的手機App必須能夠利用wifi與空氣凈化器交流數(shù)據(jù),用戶可以利用手機App遠程控制凈化器的工作狀態(tài)。

圖4 Android開發(fā)界面截圖

4 設(shè)計結(jié)果分析

植物空氣凈化器的凈化實驗是將凈化器放置在密封透明的空氣罩中,通過人工制造污染模擬污濁的空氣,利用凈化器進行凈化如圖5所示。實驗過程利用手機計時,空氣罩內(nèi)的初始PM2.5含量為104 mg/m3,土壤濕度為54.93%,設(shè)定PM2.5標準值為42 mg3,土壤濕度標準為30%,如圖6所示空氣質(zhì)量大于設(shè)定值,排風(fēng)扇運行;土壤濕度大于設(shè)定值,不進行澆灌。經(jīng)過5分鐘凈化,PM2.5的含量降至37 mg3,土壤濕度為53.25%,此時排風(fēng)扇停止運行如圖7所示。系統(tǒng)同時檢測空氣溫濕度,并將數(shù)據(jù)實時顯示在手機上如圖8和圖9所示。

圖5 實驗過程

圖6 實驗初始狀態(tài)

圖7 實驗結(jié)束狀態(tài)

5 結(jié)論

本文針對室內(nèi)空氣的凈化,采用ZigBee技術(shù)、智能控制和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),采用植物和土壤微生物凈化空氣,利用排風(fēng)扇增加空氣流動,提高凈化速度,在傳統(tǒng)凈化器的基礎(chǔ)上,改變其只是一臺呆板的死機器,具有一定的欣賞價值,并且同時可以與手機App連接,將空氣的質(zhì)量反饋給用戶,提醒用戶做出相應(yīng)的應(yīng)對措施,具有簡單、凈化有效期長、不消耗能源和對室內(nèi)的污染物基本無凈化特異性的優(yōu)點。