對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)控及自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置的研究

李曉緣 楊昊 鄭林瀧 陶楊 韓佳蓉

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)控制;空氣質(zhì)量;標(biāo)準(zhǔn)值;監(jiān)測(cè)

“戴口罩、勤洗手、常通風(fēng)”是國(guó)家衛(wèi)健委提出的疫情防控的主要措施。[1]如何實(shí)施有效、科學(xué)的通風(fēng)方法具有重要意義。由于一些條件、需求的限制（如保暖，制冷，工作要求等），我們無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境的實(shí)時(shí)、有效控制;人們僅靠自身感覺(jué)不適再?zèng)Q定通風(fēng)與否時(shí)，實(shí)際上身體已經(jīng)受到負(fù)面影響。而定時(shí)換風(fēng)系統(tǒng)雖然被較多采用，但由于沒(méi)有根據(jù)實(shí)時(shí)空氣狀況而為，不能夠滿足人們對(duì)換風(fēng)、通風(fēng)調(diào)節(jié)的實(shí)際需求，造成用戶體驗(yàn)效果不佳，且資源浪費(fèi)的問(wèn)題。一些空氣凈化器在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有害的副產(chǎn)物，加劇室內(nèi)空氣質(zhì)量惡化。所以，根據(jù)室內(nèi)的空氣狀況自動(dòng)實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)換氣成為較迫切的研究課題。

（一）目前空氣質(zhì)量的問(wèn)題

各行各業(yè)迅速發(fā)展，伴隨的廢氣排出、城市基建、綠化減少以及惡劣天氣等是造成空氣污染的最主要原因。我們?cè)趥涫芪廴镜目諝猸h(huán)境中工作、生活，對(duì)于我們的生命健康是不利的，甚至還會(huì)影響我們的心理健康。

（二）空氣里的有害物質(zhì)對(duì)人體的危害

世界衛(wèi)生組織公布的一項(xiàng)報(bào)告表明，空氣污染大部分源于室內(nèi)。美國(guó)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究者Logue等人，對(duì)美國(guó)室內(nèi)空氣污染所帶來(lái)的慢性健康危害而造成的傷殘調(diào)整與生命年損失問(wèn)題開(kāi)展了研究，結(jié)果表明，每十個(gè)人的健康損失大約為400-1100DALYs/年[2]。

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，室內(nèi)空氣中比較恒定的是氮、氧、氬，占空氣總量的99.96%。氧是維持生命絕對(duì)必需的氣體，占空氣體積的20.94%。一般情況下氧占空氣比例的變動(dòng)范圍很小，為0.01%——2%。這種微小變化對(duì)人體健康并無(wú)很大影響。但在特殊情況下，當(dāng)空氣中的氧含量降至14.5%——12%時(shí)，人就會(huì)發(fā)生代償性呼吸困難;當(dāng)空氣中的氧含量降至10%以下時(shí)，會(huì)出現(xiàn)惡心、智力活動(dòng)減弱的癥狀，甚至出現(xiàn)呼吸及心血管運(yùn)動(dòng)中樞障礙;當(dāng)空氣中的氧含量降至7%以下時(shí)，人的代償功能迅速衰竭，會(huì)導(dǎo)致昏迷、窒息甚至死亡。

二、空氣指標(biāo)

（一）國(guó)內(nèi)外的研究及發(fā)展?fàn)顩r

目前我國(guó)建筑、環(huán)保、衛(wèi)生等部門都在開(kāi)展室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)，各部門都制定了相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，包括《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范》、《室內(nèi)空氣旗最標(biāo)準(zhǔn)》、《居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》以及《室內(nèi)空氣所量衛(wèi)生規(guī)范》等等。

在《室內(nèi)空氣污染監(jiān)測(cè)方法》與《室內(nèi)污染檢與控制》中，研究了室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)的采樣方法、分析方法，并介紹國(guó)內(nèi)外最新的儀器分析手段，在香港特別行政區(qū)的《辦公室及公共場(chǎng)所室內(nèi)空氣質(zhì)量管理指南草案》中推薦了最適合室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的便攜式儀器。

韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)研究了通過(guò)植物過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行改善，選取在夏季進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比較韓國(guó)本地與國(guó)外植物對(duì)空氣污染的凈化效果，發(fā)現(xiàn)了放置植物的房間對(duì)VOC物質(zhì)的凈化效果要比未放置植物的房間要好。[3]

對(duì)比國(guó)內(nèi)外研究，目前對(duì)于保持室內(nèi)空氣質(zhì)量良好這個(gè)問(wèn)題，尚缺少可以用于家居生活的、具有泛用性的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量并可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的設(shè)備。

（二）小組研究結(jié)果

通過(guò)調(diào)查，我們歸納了空氣中含有的成分的臨界值，圖表如下：

（一）工作原理

空氣質(zhì)量監(jiān)控自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗系統(tǒng)，它主要包括空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊，中央控制器模塊和步進(jìn)電機(jī)模塊。主要由三大部分組成，分別是單片機(jī)核心控制電路及簡(jiǎn)單外圍電路，傳感器、 傳感器、 傳感器、 傳感器和甲醛傳感器組成的信息采集系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

自動(dòng)模式下該空氣質(zhì)量監(jiān)控自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗由安置在室內(nèi)的 傳感器、 傳感器、 傳感器、 傳感器和甲醛傳感器監(jiān)測(cè)空氣中的氣體濃度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并在顯示器上顯示相應(yīng)的氣體濃度，傳送給單片機(jī)中央處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，若濃度在健康范圍之內(nèi)，則指示燈顯示綠燈，隨之將會(huì)進(jìn)入每5分鐘循環(huán)一次空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊。而若濃度在健康范圍之外，指示燈顯示紅燈，并向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送指令，進(jìn)而由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶輪連接窗框，使窗戶發(fā)生位移，達(dá)到自動(dòng)開(kāi)合窗戶的目的。另外，手動(dòng)模式下通過(guò)觸摸屏也可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制。遠(yuǎn)程控制模式下通過(guò)手機(jī)小程序即可遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)窗操作。

（二）電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)模式下，空氣質(zhì)量指標(biāo)通過(guò) 傳感器、 傳感器、傳感器、 傳感器和甲醛傳感器組成的信息采集系統(tǒng)以模擬量的形式輸入FPGA，當(dāng)測(cè)量值大于設(shè)定值時(shí)M23口輸出信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)若干個(gè)步長(zhǎng)，并且在M25口輸出報(bào)警;手動(dòng)模式下，通過(guò)觸摸屏將數(shù)字量輸入給數(shù)字信號(hào)處理，在將處理過(guò)的信號(hào)通過(guò)DAC轉(zhuǎn)換為模擬量輸入給FPGA，使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)若干個(gè)步長(zhǎng);遠(yuǎn)程控制模式下，手機(jī)APP通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接與數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)通信，實(shí)現(xiàn)沙盤上傳感器數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程控制。

（三）總框架

1、空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊，設(shè)計(jì)空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊主要由氧氣傳感器（O2-A2）、雙引擎二氧化碳傳感器-CM1109、CO濃度傳感器CY7200A、TVOC傳感器和甲醛傳感器CB-HCHO-V3構(gòu)成。這些傳感器價(jià)格相對(duì)低廉，但具有優(yōu)異的穩(wěn)定性與可靠性，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集與數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

2、中央控制器模塊，選用SSTC公司生產(chǎn)的STC89，具有8K系統(tǒng)可編程閃存的低功耗高性能Flash8位微控制器。STC89C52使用經(jīng)典MCS-51內(nèi)核，但經(jīng)過(guò)大量改進(jìn)，芯片中包含了現(xiàn)有51單片機(jī)中沒(méi)有的功能。STC89C52在單個(gè)芯片上配備智能8位CPU和系統(tǒng)可編程閃存（Flash），可為各種嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活高效的解決方案。

3、步進(jìn)電機(jī)模塊，采用42BYG250B兩相混合式步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)械部分的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，步距角18°，靜力矩048～075N/m，機(jī)身長(zhǎng)48～60mm，引線數(shù)4，電流12～25A。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的開(kāi)環(huán)控制元件。其中的脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生頻率變化的脈沖信號(hào)。脈沖分配器將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有一定邏輯關(guān)系的環(huán)形脈沖。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，進(jìn)而在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)控制變得非常的簡(jiǎn)單，能有效控制窗戶的開(kāi)關(guān)角度。

（四）小程序的遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過(guò)可編程IO將數(shù)據(jù)傳感器和開(kāi)關(guān)設(shè)備連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模擬沙盤。個(gè)人計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，通過(guò)串行端口連接到單個(gè)芯片，允許在沙盤上收集傳感器數(shù)據(jù)和控制交換機(jī)設(shè)備。手機(jī)作為遠(yuǎn)程控制終端，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接與數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)通信，實(shí)現(xiàn)沙盤上傳感器數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能交換機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

本次對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)控及自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置的研究初步完成，以期在日后的研究學(xué)習(xí)中進(jìn)一步完善對(duì)該裝置的設(shè)計(jì)。在這次的項(xiàng)目中，小組成員都很認(rèn)真地完成自己的任務(wù)并參與每個(gè)過(guò)程，并提出自己的意見(jiàn)進(jìn)行修改。在這段時(shí)間對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的付出和努力，讓我們收獲了不少，在團(tuán)隊(duì)合作方面也有了進(jìn)一步理解。同時(shí)，也很感謝老師給我們提出的建議以及修改方式。在項(xiàng)目研究過(guò)程中，我深深感受到團(tuán)隊(duì)合作的重要性和必要性，在一定程度上提高了自己的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力，很感謝這個(gè)項(xiàng)目給我的鍛煉與成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。