摘 要：室內(nèi)空氣污染易引發(fā)呼吸道疾病等，嚴(yán)重危害人類的身心健康。針對(duì)這類問(wèn)題，提出和設(shè)計(jì)了一種物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)動(dòng)式智能空氣凈化系統(tǒng)?；陟o電集塵、紫外殺菌等技術(shù)，利用空氣檢測(cè)采集模塊和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的協(xié)同作用，將室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、空氣質(zhì)量、光照、通風(fēng)等參數(shù)，聯(lián)動(dòng)室內(nèi)其他智能家居等信息同步導(dǎo)入Comsol進(jìn)行模擬優(yōu)化，通過(guò)用戶端實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)動(dòng)的智能空氣凈化和遠(yuǎn)程控制。經(jīng)驗(yàn)證， 該智能空氣凈化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：空氣凈化器；空氣檢測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)；Comsol；靜電集塵；紫外殺菌

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）04-0-06

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的人一天中有超過(guò)80%的時(shí)間處于室內(nèi)[1]。由于室內(nèi)污染源多、空氣流動(dòng)性差等原因，易引起嚴(yán)重的空氣污染。室內(nèi)常見(jiàn)的污染物包括可吸入顆粒物PM2.5、SO2、甲醛和甲苯等[2]。同時(shí)，室內(nèi)空氣中還包含一些病毒和細(xì)菌。當(dāng)空氣質(zhì)量變差時(shí)，其污染物時(shí)刻危害著人體的健康，易引起頭疼、頭暈、過(guò)敏性鼻炎和呼吸道疾病等[3]。為了減少室內(nèi)低質(zhì)量空氣對(duì)人體健康的危害，高效智能的空氣凈化系統(tǒng)成為了當(dāng)下提升室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的研究焦點(diǎn)。

相較于通風(fēng)換氣和植物凈化等手段[2]，空氣凈化器是目前處理室內(nèi)空氣污染最高效的方法之一。利用凈化器可對(duì)室內(nèi)空氣實(shí)現(xiàn)快速凈化，具有范圍更廣、效率更高等特點(diǎn)。目前，室內(nèi)空氣凈化技術(shù)主要包括如下幾項(xiàng)：

HEPA過(guò)濾技術(shù)：HEPA通過(guò)空氣過(guò)濾材料吸附灰塵等小顆粒污染物[4]，凈化效率高達(dá)99.97%。但此類材料在吸附大量污染物后其凈化效率會(huì)大幅降低，需定期更換濾芯，否則容易造成二次污染。

光觸媒催化技術(shù)：主要通過(guò)二氧化鈦光催化材料產(chǎn)生的OH-和O2-對(duì)空氣中可揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）進(jìn)行分解[5]。但其凈化速率有限，且光觸媒材料成本較高。

靜電集塵技術(shù)：這是一種通過(guò)電離空氣使微粒帶電進(jìn)而被電場(chǎng)捕獲實(shí)現(xiàn)集塵的技術(shù)，適用于灰塵和粉塵等污染物[6]。該技術(shù)的缺點(diǎn)是高壓電離空氣會(huì)產(chǎn)生臭氧，且集塵裝置需定期更換和清洗。

紫外殺菌技術(shù)：這是一種利用紫外線對(duì)微生物造成輻射損傷的凈化手段，其殺菌范圍廣、速度快[7-9]。但紫外線對(duì)于人體有一定傷害，需防止光泄漏。

空氣凈化技術(shù)種類多、效果顯著，但單一的凈化技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣的全方位凈化，目前市場(chǎng)上的大部分空氣凈化器集成了多種空氣凈化手段。但是，此類凈化器和解決方案往往忽略了室內(nèi)空氣的流動(dòng)，例如開(kāi)窗通風(fēng)或開(kāi)啟空調(diào)、風(fēng)扇等，室內(nèi)空氣流動(dòng)會(huì)帶動(dòng)室內(nèi)空氣污染物的流動(dòng)，影響空氣凈化器的凈化效率[10]。為了解決以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于Comsol模擬和物聯(lián)網(wǎng)的智能空氣凈化系統(tǒng)，主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）利用靜電集塵技術(shù)，通過(guò)高壓電場(chǎng)捕獲空氣中的塵埃微粒，實(shí)現(xiàn)無(wú)耗材凈化；

（2）通過(guò)集成高壓霧化泵的滾筒式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效自清潔功能；

（3）通過(guò)WiFi和藍(lán)牙模塊等實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程空氣凈化器與其他室內(nèi)智能設(shè)備的信息傳輸和控制；

（4）基于Comsol模擬對(duì)空氣凈化器的工作位置和參數(shù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)，提高凈化效率。

1 空氣凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 空氣凈化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

空氣凈化系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含了凈化系統(tǒng)、空氣檢測(cè)系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序。工作原理：空氣檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)的基礎(chǔ)空氣數(shù)據(jù)（包括溫度、濕度和污染空氣體積分?jǐn)?shù)）進(jìn)行檢測(cè)；檢測(cè)數(shù)據(jù)由控制系統(tǒng)上的WiFi和藍(lán)牙模塊上傳至用戶應(yīng)用端；用戶通過(guò)手機(jī)或電腦對(duì)空氣凈化器的工作狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程智能控制；將室內(nèi)空間構(gòu)造、外界環(huán)境屬性和室內(nèi)空氣情況等信息導(dǎo)入Comsol進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)模擬，得到室內(nèi)污染空氣分布、成分、流動(dòng)速度等數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步聯(lián)動(dòng)凈化設(shè)備協(xié)同工作，從而提高工作效率，達(dá)到預(yù)期的凈化效果。

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)如圖2所示，主要包括STM32F103VET6單片機(jī)（如圖3所示）、24 V電源模塊、PWM輸出電路、微風(fēng)扇、紫外殺菌燈、藍(lán)牙、WiFi模塊、舵機(jī)水泵和靜電集塵系統(tǒng)。其中，24 V電源模塊用于為STM32單片機(jī)和PWM輸出電路供電。STM32單片機(jī)輸出不同占空比的方波信號(hào)來(lái)控制PWM電路的輸出電壓，進(jìn)而控制微風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、紫外殺菌燈的強(qiáng)度、霧化水泵的工作功率以及靜電集塵區(qū)變壓器的輸入電壓，在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)凈化系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。STM32單片機(jī)還可以控制舵機(jī)[11]，使靜電集塵區(qū)進(jìn)行滾筒式旋轉(zhuǎn)來(lái)提高集塵板對(duì)灰塵及粉塵的自清潔能力。

1.3 WiFi模塊和藍(lán)牙模塊

為實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣凈化系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制及空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的傳輸，在智能控制系統(tǒng)中加入802.11b/g/n WiFi SoC模塊（型號(hào)為ESP8266），利用該模塊實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程操控以及數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)線WiFi模塊的通信距離為100 m，完全可滿足遠(yuǎn)程通信的需求，這意味著室內(nèi)大部分區(qū)域可互通互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣凈化系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸。HC-05藍(lán)牙模塊主要實(shí)現(xiàn)空氣凈化系統(tǒng)與客戶端的連接，實(shí)物如圖4所示。

2 空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)

空氣質(zhì)量檢測(cè)裝置（FKT-MK-AQI）是一種可集成吸附CO、SO2、NO2、O3、PM10、PM2.5等氣體和顆粒，并可記錄溫度和濕度等參數(shù)的檢測(cè)模塊?？諝赓|(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)范圍廣、精度高等特點(diǎn)，實(shí)物如圖5所示。該系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)藍(lán)牙或WiFi模塊將FKT-MK-AQI檢測(cè)的空氣數(shù)據(jù)傳輸給STM32單片機(jī)和用戶手機(jī)端。

3 凈化和自清潔系統(tǒng)

3.1 凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量差時(shí)，空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)反饋至用戶應(yīng)用程序，用戶可通過(guò)手機(jī)端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，開(kāi)啟空氣凈化系統(tǒng)，凈化原理如圖6所示。首先，污染空氣經(jīng)微風(fēng)扇吸入初級(jí)濾網(wǎng)，將大顆?；覊m過(guò)濾掉，過(guò)濾后的空氣進(jìn)入靜電集塵區(qū)，PM2.5、PM10等顆粒因靜電作用被吸附在集塵板上。其次，靜電集塵板放電產(chǎn)生臭氧，可進(jìn)一步分解空氣中的甲醛、甲苯等有害物質(zhì)。最后，經(jīng)多層凈化后的空氣進(jìn)入紫外殺菌區(qū)，通過(guò)紫外燈對(duì)臭氧的分解作用，消除多余的臭氧，同時(shí)完成最后的殺菌工序，從而得到潔凈的室內(nèi)空氣。

3.2 靜電集塵系統(tǒng)

靜電集塵系統(tǒng)（圖7）主要由上下兩個(gè)圓筒外殼（圖8）、柱體和舵機(jī)支架（圖9（a））、旋轉(zhuǎn)柱體（圖9（b））、集塵板固定架（圖10（a））、荷電極固定架（圖10（b））、集塵板和荷電極（圖10（c））組成。圓筒外殼直徑為200 mm、厚度為2 mm、高度為150 mm，其中標(biāo)記1為支架固定槽，共九個(gè)（見(jiàn)圖8（b）），用于固定兩個(gè)柱體支架和一個(gè)舵機(jī)支架。標(biāo)記2為排污口，標(biāo)記3為進(jìn)水口，高壓水由進(jìn)水口3進(jìn)入，對(duì)靜電集塵板清洗后由2排出。4為螺絲固定口，用于固定上下兩個(gè)圓筒外殼。標(biāo)記5為線孔，電線經(jīng)此進(jìn)入圓筒內(nèi)為靜電集塵板供電。標(biāo)記6為紫外燈固定孔。

柱體支架、舵機(jī)支架、旋轉(zhuǎn)柱體等示意圖如圖9所示。將旋轉(zhuǎn)柱體（圖9（b））穿入三角柱體支架（圖9（a））孔中固定，每一片三角柱體通過(guò)滾珠軸承（圖9（c））連接，上方通過(guò)方形開(kāi)口固定舵機(jī)。另外，中空結(jié)構(gòu)的柱體上有三個(gè)開(kāi)口，用于電源線的引入，經(jīng)圓形開(kāi)口后連接靜電集塵板和荷電極（如圖10（c）所示）。靜電集塵系統(tǒng)開(kāi)啟后，通過(guò)變壓器向荷電極和集塵板提供4～8 kV的電壓，空氣由荷電極一側(cè)被微風(fēng)扇吸入后，其中的灰塵會(huì)帶上電荷，在經(jīng)過(guò)集塵區(qū)時(shí)被吸附在集塵板上。

3.3 紫外殺菌系統(tǒng)

在靜電集塵板電離空氣過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生少量臭氧。由于臭氧在常溫下極不穩(wěn)定，易分解成氧氣和氧原子，具有強(qiáng)氧化性，可氧化分解細(xì)菌內(nèi)部的酶、DNA或RNA，進(jìn)而破壞細(xì)菌和病毒的新陳代謝系統(tǒng)進(jìn)而達(dá)到殺菌的目的。故本文采用紫外線來(lái)消除多余的臭氧，紫外燈實(shí)物如圖11所示。

3.4 自清潔系統(tǒng)

靜電集塵板工作一段時(shí)間后，其上會(huì)吸附大量灰塵顆粒，將大大影響其集塵效率。為解決此問(wèn)題，特設(shè)計(jì)了一套自清潔系統(tǒng)，主要由舵機(jī)及霧化水泵組成。工作原理：自清潔系統(tǒng)啟動(dòng)后，STM32單片機(jī)關(guān)閉變壓器、紫外燈和微風(fēng)扇，同時(shí)啟動(dòng)舵機(jī)和霧化水泵，進(jìn)而噴出霧化的水霧在集塵板上凝結(jié)為水珠，舵機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)柱體轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)滾珠軸承帶動(dòng)靜電集塵板旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)使得集塵板傾斜，同時(shí)由于水珠的重力作用，水珠將吸附灰塵一起流出，實(shí)現(xiàn)自清潔。自清潔過(guò)程如圖12所示。

4 Comsol數(shù)值模擬

為保證凈化系統(tǒng)功能的完整性和凈化效率的可靠性，本文通過(guò)Comsol對(duì)一個(gè)面積為35 m2的辦公室進(jìn)行了空氣動(dòng)力學(xué)模擬。辦公室的結(jié)構(gòu)布局如圖13（a）所示，其長(zhǎng)、寬分別為7 m和5 m。在左側(cè)和右側(cè)分別設(shè)有1 m寬的門和0.75 m寬的窗戶，在軟件中將其設(shè)置為開(kāi)放邊界。室內(nèi)空氣中甲醛初始體積分?jǐn)?shù)為0.5 mg/m3，室內(nèi)溫度為25 ℃，空調(diào)出風(fēng)口的出風(fēng)速度為0.15 m/s，空氣凈化系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口流量為0.02 m3/s。圖13（a）中，空氣凈化器放置于5號(hào)位置，模擬2 min后的甲醛體積分?jǐn)?shù)分布圖。結(jié)果表明，由于空調(diào)氣流影響，甲醛在室內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)不均勻，會(huì)極大地影響空氣凈化器的凈化效率。另外，從圖13（c）、圖13（d）看出，在室內(nèi)僅安裝空調(diào)或風(fēng)扇的情況下，甲醛從0.5 mg/m3下降至安全值（室內(nèi)甲醛的安全標(biāo)準(zhǔn)為0.08 mg/m3）需23 min，且發(fā)現(xiàn)在不同位置，甲醛體積分?jǐn)?shù)的下降速度不一致，這表明人在進(jìn)入辦公室后的半小時(shí)內(nèi)都會(huì)受到甲醛的影響。隨后，測(cè)試了在不同位置放置空氣凈化器對(duì)室內(nèi)甲醛凈化的影響。如圖13（e）～圖13（p）。

空氣凈化器的擺放位置將極大地影響空氣凈化器的效率。經(jīng)驗(yàn)證，放在4號(hào)位置具有最佳效果，室內(nèi)平均甲醛體積分?jǐn)?shù)下降至安全值僅需7 min；放置在6號(hào)位置凈化效果最差，需17 min。

通過(guò)Comsol模擬，只需設(shè)定好房間內(nèi)出風(fēng)設(shè)備的位置、出風(fēng)速度或出風(fēng)量等條件，就可以對(duì)任意結(jié)構(gòu)的房間進(jìn)行空氣流動(dòng)分析并確定空氣凈化器最佳的放置位置，可大幅提高空氣凈化速度。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)動(dòng)的智能空氣凈化系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)不同的應(yīng)用需求和空氣污染特點(diǎn)進(jìn)行全局設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)優(yōu)，以滿足不同環(huán)境下的凈化要求。該系統(tǒng)除了具有靜電集塵凈化、自清潔等功能外，還具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和分析能力。本文進(jìn)一步通過(guò) Comsol 模擬軟件、傳感器和控制模塊監(jiān)測(cè)、采集、分析空氣數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)可通過(guò)優(yōu)化凈化器的擺放位置達(dá)到更好的凈化效果。最后，利用遠(yuǎn)程控制和智能調(diào)度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)凈化管理。通過(guò)對(duì)凈化過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模，優(yōu)化凈化系統(tǒng)的運(yùn)行策略和能源利用率，為空氣凈化領(lǐng)域的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

注：本文通訊作者為宋昌盛。

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