智能中草藥空氣凈化裝置

胡浩 何勝蘭

摘要：據(jù)調(diào)查顯示，人們在室內(nèi)生活的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室外，室內(nèi)空氣質(zhì)量已經(jīng)成為人們不可忽略的重中之重，室內(nèi)空氣質(zhì)量往往難以保證。因此在該背景下研究出一種新型的、利用中草藥來提高空氣質(zhì)量，并且針對學(xué)生群體設(shè)計(jì)出一款便捷可靠的空氣凈化裝置。對于空氣凈化裝置將中醫(yī)文化與過濾裝置相結(jié)合，把多種天然中草藥的有機(jī)物質(zhì)提取融合，與現(xiàn)代空氣凈化裝置組合，在裝置材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上采用便攜可靠的思想，盡可能地使裝置簡易化。最后采用中醫(yī)藥熏療法將中藥成分揮發(fā)至空氣，發(fā)揮其凈化空氣、殺毒抑菌、調(diào)理健康、固本養(yǎng)生的功效，最大限度地改善室內(nèi)環(huán)境，做到對人體有益。

關(guān)鍵詞：中草藥;智能控制;熏療過濾;便攜高效

中圖分類號：TU834.8+41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）11-0037-03

1研究背景

在如今這個(gè)提倡環(huán)保、健康、綠色的年代，“室內(nèi)空氣污染”正成為人們越來越關(guān)注的話題。而作為學(xué)生群體，每天待在室內(nèi)的時(shí)間更是室外時(shí)間的四倍以上，因此室內(nèi)空氣環(huán)境對于學(xué)生的健康來說是不可忽略的?，F(xiàn)如今市場上絕大部分凈化器產(chǎn)品，由于大功率，操作煩瑣，費(fèi)用高等因素均不適合學(xué)生群體。據(jù)市場調(diào)研顯示，目前市場上的凈化器多采用大功率電離法電離空氣，從而達(dá)到空氣凈化的效果，但對于學(xué)生群體而言，這一類凈化器顯然不能在宿舍中進(jìn)行使用，因此此文旨在設(shè)計(jì)一款真正適合學(xué)生群體的產(chǎn)品，同時(shí)加入中藥調(diào)理元素，首先使用單向碳循環(huán)技術(shù)將外界的空氣吸入裝置進(jìn)行凈化，然后使用裝置內(nèi)部的加熱系統(tǒng)讓內(nèi)部存放的中草藥液揮發(fā)到空氣中，從而在凈化空氣的同時(shí)通過中草藥來消滅空氣中的各種病菌，以此起到保護(hù)用戶健康的作用。所以，通過對中草藥空氣凈化裝置的研究與應(yīng)用，可以更好地服務(wù)于學(xué)生群體，改善學(xué)生住宿的空氣質(zhì)量問題。同時(shí)，通過對中草藥空氣凈化裝置與研究還能夠大力推行中藥，弘揚(yáng)中醫(yī)藥文化，利用中藥有效保障學(xué)生們的健康，環(huán)保綠色地為他人帶來健康上的幫助。

2中草藥凈化的應(yīng)用

2.1中醫(yī)藥結(jié)合

中醫(yī)認(rèn)為，人體是一個(gè)有機(jī)的整體，人體的結(jié)構(gòu)互相聯(lián)系，不可分割嘲;人體的各種功能互相協(xié)調(diào)，彼此為用。同時(shí)，中醫(yī)認(rèn)為人和環(huán)境之間相互影響，是一對不可分割的整體。中醫(yī)藥熏療法是防治疾病的中醫(yī)療法之一?？捎行У仡A(yù)防傳染病菌的侵害，也是呼吸道疾病重要的輔助療法之一。自黃帝內(nèi)經(jīng)以來，中醫(yī)對于疾病發(fā)生的預(yù)防，最主要的思想就是斷絕邪氣的傳播，而邪氣的主要傳播途徑就是人體的各個(gè)與外界相通的器官，故人體的口、耳、鼻、皮膚等則為重要的保護(hù)點(diǎn)，古人曾言“溫邪上受，首先犯肺”“肺朝百脈，次呼吸”“肺開竅于鼻”。所以本產(chǎn)品的最大亮點(diǎn)就是將中藥學(xué)與其相結(jié)合，將中草藥對人體有益的效果結(jié)合到凈化器上。

2.2中草藥的選擇

2.2.1蒼術(shù)

1）功能主治：燥濕健脾，祛風(fēng)散寒，明目。用于濕阻中焦，脘腹脹滿，泄瀉，水腫，腳氣痿蹙，風(fēng)濕痹痛，風(fēng)寒感冒，夜盲，眼目昏澀。

2）相關(guān)配伍：

（1）用于治療脾虛濕聚，水濕內(nèi)停的痰飲、泄瀉或外溢的水腫者：與茯苓、澤瀉、豬苓等利水滲濕藥同用。（《證治準(zhǔn)繩》）

（2）用于祛濕，治痹證濕勝：可與薏苡仁、獨(dú)活等祛風(fēng)濕藥同用。（《類證治載》）

（3）用于治風(fēng)寒表證挾濕：常于羌活、白芷、防風(fēng)等同用。（《和劑局方》）

2.2.2貫眾

1）功能主治：殺蟲;清熱;解毒;涼血止血。用于風(fēng)熱感冒;溫?zé)狁?吐血;咳血;衄血;便血;崩漏;血痢;帶下及鉤、蛔、絳蟲等腸寄生蟲病。

2）本品苦寒，既能清氣分之實(shí)熱，有能解血分之熱毒，凡溫?zé)岫拘八轮Y皆可用之，常與黃連、大青葉、甘草等同用，如貫眾散（《普濟(jì)方》）。單品或配桑葉、金銀花等可防治風(fēng)熱感冒;若與板藍(lán)根、大青葉、紫草等配伍，又可用于痄腮、溫毒發(fā)斑、發(fā)疹等病。

2.3中草藥熏療

綜上，主要應(yīng)用的中草藥成分為蒼術(shù)、貫中、板藍(lán)根以及金銀花，其中板藍(lán)根和金銀花起到殺菌去味的作用。具體的應(yīng)用是利用萃取取各種中藥的成分，以液體的形式通過加熱蒸發(fā)散發(fā)而出。

3基于智能控制的空氣凈化裝置

通過對產(chǎn)品各個(gè)功能的分析來研究裝置的總體設(shè)計(jì)布局，研究采用STM32單片機(jī)來作為智能控制系統(tǒng)中最主要的芯片部分，主要包括了系統(tǒng)的檢測模塊、凈化模塊、數(shù)據(jù)加密、通信模塊和手機(jī)終端，如圖1所示。

3.1微處理器STM32

STM32F103VET6，是采用ARM 32位Cor tex-M3內(nèi)核的微控制器，該芯片的外設(shè)豐富，芯片具有可擴(kuò)展性，可以高效地實(shí)現(xiàn)各種功能。處理器與其他芯片相比較具有低功耗的特點(diǎn)，相同工作的處理，STM32的處理更加節(jié)能與高效，可以進(jìn)行兩種模式的高效處理。

休眠模式：只有CPU停止工作，所有外設(shè)繼續(xù)運(yùn)行，在中斷/事件發(fā)生時(shí)喚醒CPU;

停止模式：允許以最小的功耗來保持SRAM和寄存器的內(nèi)容。處理器通過檢測模塊獲取環(huán)境信息，也可通過處理無線模塊發(fā)過來的數(shù)據(jù)控制空氣凈化器。

3.2通信模塊和手機(jī)終端

通信模塊的控制分為兩種方式，一種是用戶手動(dòng)控制，裝置結(jié)合芯片嵌入的程序在外部設(shè)置相應(yīng)的控制按鍵，如一鍵啟動(dòng)，模式選擇等。同時(shí)裝置外面連接有顯示屏可以反映裝置的工作參數(shù)和當(dāng)前所處環(huán)境的空氣質(zhì)量。另一種方式是手機(jī)端實(shí)時(shí)控制，通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)來無線訪問裝置。選用的無線模塊為TLG10UA03串口無線模塊，是第三代嵌入式Uart-Wifi模塊。Uart-Wifi是基于Uart接口的符合無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。

用戶可以在手機(jī)端下載App，通過App智能實(shí)時(shí)地對凈化器進(jìn)行啟動(dòng)、關(guān)閉和定時(shí)操作。通過App來獲取當(dāng)前凈化器工作環(huán)境的空氣質(zhì)量，包括對空氣成分的測定，是否存在有害氣體，以及凈化器當(dāng)前存儲(chǔ)和釋放的中藥成分含量。

4簡化結(jié)構(gòu)，便攜高效

4.1高壓電路轉(zhuǎn)換為普通交流電路

對于控制系統(tǒng)的電源模塊，由于學(xué)生群體的使用環(huán)境不可使用高功率的電器產(chǎn)品，故擬將高功率的電源控制系統(tǒng)通過降壓、整流、濾波等步驟轉(zhuǎn)變?yōu)榈凸β实碾妷耗K。首先將電網(wǎng)中的220V交流電通過外部變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)?10V的輸入電壓，再通過變壓器降壓輸出為12V，由于降壓后的電壓并不穩(wěn)定，故經(jīng)橋式整流和濾波段得到9V直流電，來為裝置外部的傳感器電路供電，同時(shí)使用三端穩(wěn)壓芯片L7805將12V的交流電壓降壓為5V交流電來給微機(jī)、氣體傳感器及其他器件供電，由此完成高壓電路轉(zhuǎn)換為普通交流電路的設(shè)計(jì)。

4.2濾芯及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

眾所周知，濾芯在凈化裝置中有著十分重要的作用，傳統(tǒng)市場上的凈化器所使用的濾芯大多分為兩種：分層式濾芯和復(fù)合式濾芯。分層式濾芯是將過濾物質(zhì)固化在固定的位置，缺乏活動(dòng)性，且更換濾芯極不方便。因此本文考慮采用復(fù)合式濾芯，同時(shí)結(jié)合裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

4.3傳感器數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

傳感器的數(shù)據(jù)采集主要是將傳感器采集到的外界模擬信號通過一系列的處理轉(zhuǎn)換成裝置內(nèi)部芯片可以識別處理的數(shù)字信號。

首先通過裝置的外部紅外傳感器采集外界空氣的模擬信號，經(jīng)預(yù)處理后轉(zhuǎn)換成電壓模擬信號輸入給內(nèi)部芯片。輸入的信號經(jīng)過濾波器除噪后，進(jìn)入放大器進(jìn)行信號的放大。放大的信號進(jìn)入S/H電路進(jìn)行信號的采樣和保持，最后經(jīng)過ADC模塊轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識別的數(shù)字信號輸出。

4.4氣敏傳感器測空氣濃度

本裝置采用以氧化錫為材料的半導(dǎo)體型氣體傳感器，當(dāng)傳感器工作在400攝氏度的環(huán)境下，氧化錫顆粒中的自由電子會(huì)保持活躍的流動(dòng)。而在正常潔凈的空氣環(huán)境中，氧化錫的表面開始吸附氧，自由電子的活動(dòng)降低，在晶粒邊界會(huì)形成勢壘電容，傳感器的電阻值隨之增加。

如果凈化器的工作環(huán)境中存在還原性氣體，如一氧化碳等，傳感器內(nèi)部吸附的氧會(huì)和該氣體結(jié)合，吸附氧的量減少。造成勢壘電容間的存電量降低，自由電子的移動(dòng)變的活躍，傳感器的電阻值減小。故通過對傳感器阻值變化的觀察便可以初步測定空氣的潔凈程度，如圖3所示嘲。

5結(jié)束語

綜上所述，市場上的空氣凈化器產(chǎn)品雖然很多，但由于國家目前沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，因此產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，同時(shí)高端檔次的空氣凈化器僅僅適合于部分消費(fèi)群體，并不能很好地針對學(xué)生群體;另一方面，目前市場上還沒有將中草藥與凈化裝置結(jié)合起來的產(chǎn)品。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)適合學(xué)生使用，且充分運(yùn)用中草藥與其相結(jié)合的凈化裝置是很有市場前景的。