基于物聯(lián)網(wǎng)的智能防霧霾新風(fēng)系統(tǒng)

袁海娣

摘要：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能防霧霾新風(fēng)系統(tǒng)，可以根據(jù)環(huán)境狀況自動(dòng)選擇全熱交換新風(fēng)還是打開窗戶進(jìn)行自然通風(fēng)，智能加濕。也可對(duì)盜賊越窗、小孩翻窗等情況發(fā)出報(bào)警，對(duì)室內(nèi)有害氣體濃度進(jìn)行感知。系統(tǒng)的判斷行為及結(jié)果可傳送至用戶手機(jī)，環(huán)境的數(shù)據(jù)情況通過物聯(lián)網(wǎng)上傳到云數(shù)據(jù)端，方便用戶進(jìn)行信息的交互。系統(tǒng)的硬件和軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，控制程序采用C++語言編制，方便控制功能更新?lián)Q代程序移植和升級(jí)，也能體現(xiàn)人性化的優(yōu)點(diǎn)，可滿足用戶的多樣化需求，提高用戶生活質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：智能；防霧霾；全熱交換新風(fēng)；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）32-0251-02

1 概述

您有沒有遇到過這種情況：在室內(nèi)久坐會(huì)感覺悶悶的，昏昏欲睡，想開窗透氣，又苦于室外霧霾橫行。長期開啟空調(diào)而緊閉門窗的房間，是空氣中PM2.5，甲醛和細(xì)菌含量最高的地方，也會(huì)導(dǎo)致CO2嚴(yán)重超標(biāo)。長時(shí)間生活在空調(diào)房間，人會(huì)很不舒服，出現(xiàn)胸悶、頭暈、精神不振等一系列癥狀，這種不良反應(yīng)稱為空調(diào)房間綜合癥，若空氣中PM2.5過高會(huì)得更多疾病的可能。

中國城市霧霾天氣的發(fā)生趨于常態(tài)化，因而霧霾的監(jiān)測與治理比以往的任何一種污染物控制治理都要復(fù)雜。而現(xiàn)在住宅室內(nèi)裝修產(chǎn)生的污染物均存在或高或低的超標(biāo)現(xiàn)象，其中超標(biāo)嚴(yán)重的污染物為CO2、甲醛和TVOC，由此可見改善室內(nèi)空氣品質(zhì)是目前國內(nèi)住宅亟待解決的一項(xiàng)重要問題。相比而言，歐美的住宅通常設(shè)置有集中新風(fēng)系統(tǒng)而國內(nèi)普通住宅裝修基本沒有安裝新風(fēng)系統(tǒng)。

目前家庭為改善空氣質(zhì)量主要使用的是空氣凈化器和新風(fēng)系統(tǒng)?？諝鈨艋魇且环N通過空氣進(jìn)化裝置將空氣中的細(xì)菌和雜質(zhì)去除，起到凈化空氣的作用，而新風(fēng)系統(tǒng)主要是通過排氣和送氣將密閉環(huán)境中的渾濁氣體排出。兩種方案都可以有效的提高密閉環(huán)境的空氣質(zhì)量。我們?cè)O(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能防霧霾的新風(fēng)系統(tǒng)就能解決這個(gè)問題。

2 系統(tǒng)概述

我們的設(shè)計(jì)是在原有的家庭窗戶上進(jìn)行改造，普通家庭只要改2扇窗戶即可。如圖1，整個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能防霧霾的新風(fēng)系統(tǒng)是以STC89C52RC單片機(jī)為核心，具備PM2.5檢測、煙霧檢測、濕度檢測、紅外探測檢測、溫度檢測等傳感器模塊、全熱交換新風(fēng)、窗戶本體及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、供電模塊、加濕模塊、物聯(lián)網(wǎng)及用戶終端（如手機(jī)、電腦）組成。單片機(jī)核心控制模塊通過傳感器模塊采集室內(nèi)外大氣環(huán)境參數(shù)、窗戶安全信息檢測等信息，自動(dòng)選擇機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)打開窗戶自然通風(fēng)還是全熱交換新風(fēng)、是否加濕等自動(dòng)控制。用戶終端通過通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)、無線傳輸模塊與單片機(jī)核心控制模塊建立信息交流和用戶指令的下達(dá)。電源模塊為整個(gè)智能防霧霾新風(fēng)系統(tǒng)提供電力。

1） 當(dāng)房間內(nèi)的可燃性氣體和煙霧等超出預(yù)先設(shè)定值，可以自動(dòng)同時(shí)打開窗戶和新風(fēng)系統(tǒng)，通過燈光顏色的不同，明確不同的安全等級(jí)，例如紅色代表危險(xiǎn)，綠色代表輕度，藍(lán)色代表無污染。同時(shí)可以通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)向移動(dòng)端發(fā)送信息，并即使開啟新風(fēng)裝置，提高空氣質(zhì)量。

2） 當(dāng)檢測空氣質(zhì)量良好時(shí)，會(huì)自動(dòng)打開窗戶通風(fēng)。如遇雨雪天氣不利于開窗通風(fēng)，方案中設(shè)計(jì)有濕度傳感器可以有效檢測濕度情況，并根據(jù)一定參數(shù)，決定是否關(guān)閉窗戶。如果沒有雨水，空氣質(zhì)量較好并且溫度適中，窗戶自動(dòng)打開。

3） 當(dāng)空氣質(zhì)量不佳時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)系統(tǒng)采用的是凈化型全熱交換器，全熱交換器是一種高效節(jié)能通風(fēng)裝置，其基本思想是通過能量回收機(jī)芯，并利用室內(nèi)外溫度差，實(shí)現(xiàn)能量交換，解決新風(fēng)系統(tǒng)的能耗，達(dá)到節(jié)能換氣的目的，其節(jié)能效果非常顯著。同時(shí)我們附加了三重過濾段，將室外到室內(nèi)的新風(fēng)通過初效、活性炭、hepa高效濾網(wǎng)進(jìn)行PM2.5、甲醛、霧霾、細(xì)菌粉塵等凈化之后再送到室內(nèi)。

4） 當(dāng)室內(nèi)空氣濕度較低時(shí)，加濕器會(huì)自動(dòng)開始加濕工作。

5） 當(dāng)窗外有人時(shí)，或有其他障礙物擋住了紅外傳感器的發(fā)射和接收通道，此時(shí)進(jìn)行聲音報(bào)警，提醒用戶防盜風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)自動(dòng)激活關(guān)閉功能，將窗戶自動(dòng)關(guān)閉。如與短信平臺(tái)對(duì)接，可以實(shí)現(xiàn)短信通知等功能。

6） 系統(tǒng)的判斷行為及結(jié)果可傳送至用戶手機(jī)，環(huán)境的數(shù)據(jù)情況通過物聯(lián)網(wǎng)上傳到云數(shù)據(jù)端，方便用戶通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程的干預(yù)和遙控。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊

考慮到系統(tǒng)所帶高功率設(shè)備不多，且主要為家庭使用，所以采用直流穩(wěn)壓供電模塊，輸出電壓控制在1.2-36V之間，最大電流2A?？傮w上來說，基本能夠滿足設(shè)計(jì)需要。

3.2 窗戶模塊

窗戶通常有平移式或轉(zhuǎn)動(dòng)式，根據(jù)窗戶的開關(guān)方式選擇相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮小巧、可靠、運(yùn)行噪音低、易維護(hù)、成本低等諸多因素。窗戶開關(guān)的動(dòng)力來自電機(jī)，選用的是步進(jìn)電機(jī)，能對(duì)窗戶開啟幅度的精確控制，由單片機(jī)核心控制模塊直接發(fā)送控制指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和步數(shù)，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)窗戶本體的自動(dòng)平移或轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.3 單片機(jī)核心控制模塊

單片機(jī)芯片是系統(tǒng)控制核心，既然采用經(jīng)典的51系列內(nèi)核，主要目的是價(jià)格便宜，可參考資料充分，基本能夠滿足設(shè)計(jì)需求，后期如何在擴(kuò)展功能，可以更換為ARM內(nèi)核。與傳統(tǒng)51相比性能上更優(yōu)越。

3.4 傳感器模塊

傳感器模塊可根據(jù)用戶的要求量身定做，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，對(duì)于特殊要求要選用滿足感知靈敏度需要的傳感器，費(fèi)用會(huì)提高。通常情況下，用戶會(huì)有以下需求：當(dāng)室內(nèi)空氣不清新時(shí)，檢測戶外環(huán)境PM2.5、溫度、濕度情況，自動(dòng)選擇與戶外空氣置換的方式（可以為用戶干預(yù)模式）；當(dāng)窗戶處于開啟狀態(tài)遇到大風(fēng)時(shí)，需關(guān)閉；窗戶被外物撞擊或有人要翻窗而入時(shí)，智能系統(tǒng)及時(shí)向用戶發(fā)出報(bào)警信息；窗戶處于開啟狀態(tài)，但戶外濕度過大或下雨時(shí)，需關(guān)閉窗戶；室內(nèi)有害氣體（如甲醛、火災(zāi)等）嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，需提醒用戶，并自動(dòng)應(yīng)急開啟。根據(jù)用戶的可能需要，設(shè)計(jì)上將傳感分模塊，針對(duì)具體用戶，只需將分模塊插合于總線端子上即可。endprint

紅外防盜模塊基本由發(fā)射、接收和處理電路構(gòu)成。基本過程通過檢測發(fā)送和接收端紅外信號(hào)是否有截?cái)?，判斷是否有人?jīng)過，目前是使用比較廣泛的一種防盜技術(shù)。

對(duì)于溫度和濕度的檢測，則分別采用DS18B20 數(shù)字溫度傳感器和模擬輸出濕度傳感器模塊。報(bào)警模塊安裝有蜂鳴器，可以在溫濕度超標(biāo)的情況下提供較好的報(bào)警效果。

3.5 用戶終端模塊

用戶終端模塊包含GPRS通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與單片機(jī)控制核心模塊進(jìn)行信息交流的無線傳輸模塊。其中單片機(jī)核心控制模塊經(jīng)無線傳輸模塊、物聯(lián)網(wǎng)、通信模塊與終端手機(jī)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控信息的交互及控制指令下達(dá)。其中物聯(lián)網(wǎng)模塊使用的是全國中小學(xué)信息技術(shù)與實(shí)踐活動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)APP實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢，云計(jì)算存儲(chǔ)，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3.6 全熱交換新風(fēng)模塊

全熱交換新風(fēng)裝置其工作原理，通過空氣交換，使得室內(nèi)空氣質(zhì)量保持在較好的水平，并且能夠根據(jù)濕度和溫度的不同，提交空氣交換的頻率和數(shù)量，大大提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。

7*24小時(shí)為室內(nèi)提供新鮮空氣，提高生活質(zhì)量，能夠大大提高個(gè)人的審題監(jiān)控。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能防霧霾新風(fēng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)核心，體現(xiàn)在對(duì)51芯片的軟件設(shè)計(jì)上，主程序包括通過數(shù)據(jù)初始化完成系統(tǒng)初始狀態(tài)，并利用中斷技術(shù)，結(jié)合不同子模塊完成例如開關(guān)窗戶、控制風(fēng)機(jī)等。單片機(jī)檢測各種傳感器過來的信號(hào)，可根據(jù)用戶的控制指令（若無控制指令，則按照檢測的值與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，給出相應(yīng)的操作。）以及監(jiān)控的窗戶當(dāng)前狀態(tài)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析，處理信息通過物聯(lián)網(wǎng)傳至手機(jī)平臺(tái)，用戶可以觀察信息，人工干預(yù)中斷時(shí)，芯片被喚醒并進(jìn)入中斷狀態(tài)，完成相應(yīng)程序后，回到原始狀態(tài)。具體流程圖，如圖4所示。

使用基于C語言的多模塊設(shè)計(jì)，能夠大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并有利于后期調(diào)試和維護(hù)，大大減少了后期維護(hù)工作量。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)智能防霧霾全熱交換新風(fēng)系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)與用戶終端建立人窗交流，智能模塊能自動(dòng)采集傳感通道信息，對(duì)室內(nèi)外環(huán)境溫度、濕度、PM2.5等信息做出自然通風(fēng)還是全熱交換新風(fēng)的智能判斷，可完成原來需人工思考才能完成的事情，智能控制防霧霾新風(fēng)系統(tǒng)的開啟或關(guān)閉，監(jiān)控窗戶的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并且可根據(jù)用戶的要求，即所要監(jiān)控的室內(nèi)、室外環(huán)境因子，量身定制智能防霧霾新風(fēng)系統(tǒng)的功能模塊。城市霧霾天氣的發(fā)生趨于常態(tài)化，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)是目前國內(nèi)住宅亟待解決的一項(xiàng)重要問題。智能防霧霾新風(fēng)系統(tǒng)是人們生活不可或缺的組成部分，必將對(duì)提高人們生活質(zhì)量起到重要作用。

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