基于Android的靜電式智能空氣凈化器系統設計

文桂龍， 宋開新

(杭州電子科技大學 新型電子器件與應用研究所，浙江 杭州 310018)

基于Android的靜電式智能空氣凈化器系統設計

文桂龍， 宋開新

(杭州電子科技大學 新型電子器件與應用研究所，浙江 杭州 310018)

設計了一種集紅外遙控和Android手機控制為一體、以STM32單片機為控制核心、運用多種傳感器采用信息融合算法智能檢測室內環境的空氣凈化系統。該系統通過液晶顯示器和手機客戶端實時顯示監測數據。可以根據顯示的數據手動或自動控制凈化器執行不同的動作，主要通過高壓靜電裝置對室內空氣進行凈化，且首次采用濕度控制高壓電的大小避免打火。該系統同時具有環境監測和空氣凈化功能，實驗證明:該系統性能穩定，能夠滿足日常需求。

空氣凈化； Android； WiFi； 靜電； 傳感器

0 引 言

隨著電子、通信、自動控制等技術的快速發展及人們物質精神生活的提高，家用電器的智能化控制代替傳統控制已經成為一種大趨勢。伴隨智能手機的迅速普及，基于Android平臺的智能控制在電器控制中扮演了重要角色。工業化水平提高的同時，也給環境造成很大破壞，環境污染問題日趨嚴重[1]。尤其是室內空氣污染對人體健康有嚴重影響，改善室內空氣環境成為一種迫切需求。人們采取措施凈化空氣，但效果往往不理想。

國內外利用靜電技術除塵的研究較多，但大多都及種在工業方面。本文設計了一種基于Android無線控制的高效家用靜電式智能空氣凈化設備。以STM32F103RCT6為控制核心，通過傳感器模塊對室內空氣數據進行自動檢測，并根據監測數據在自動模式下利用過濾網、紫外燈和靜電技術對空氣進行凈化。手動模式下可以對各模塊進行設置，結合紅外遙控和Android設備實現了對空氣凈化器的智能控制，還預設有睡眠模式工作在低噪聲、低功耗下，高速模式針對空氣質量差的情況，快速凈化空氣，極大提高了用戶感受。

1 系統總體設計

空氣凈化器系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖Fig 1 The system architecture diagram

凈化器工作原理如圖2所示。

圖2 空氣凈化器工作原理圖Fig 2 Working principle of air purifier

2 系統硬件設計

本系統主控芯片選用意法半導體的32位基于ARM核

心微控制器STM32F103RCT6。硬件總體結構如圖3所示。

圖3 系統硬件總體結構圖Fig 3 Overall architecture diagram of system hardware

2.1 傳感器模塊電路

該模塊主要負責室內環境的檢測，包括三個子模塊分別為：溫濕度傳感器模塊、灰塵傳感器模塊及空氣質量傳感器模塊。

數字溫濕度傳感器DHT11采用單總線式溫度傳感探頭，包括一只電阻式感濕元件和一只NTC測溫元件，并與STM32 的PA0腳相連接如圖4所示。

圖4 傳感器模塊電路Fig 4 Sensor module circuit

灰塵傳感器SM—PWM—01A可以感知如香煙、粉塵、孢子等。傳感器采用粒子計數原理,模塊內設置加熱器，加熱使氣流上升，外部空氣進入模塊內部，如有粉塵等粒子通過時，阻斷LED光源，光電檢測器檢測不到光源，則低電位輸出；如無粒子通過，則高電位輸出，形成PMW信號經放大輸出。傳感器的低脈沖率與粉塵粒子數成線性關系。只要計算低脈沖率，參照特性曲線即可得到檢測粒子數，進而算出PM2.5的參數[2]。

MQ135傳感器主要實現對氨氣、硫化物、苯系蒸汽及煙霧和其它有害氣體監測，在清潔空氣中電導率低，當環境中存在污染氣體時，電導率隨污染氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度對應的輸出信號[3]。其電路連接如圖4所示。

本系統采集溫濕度、粉塵、氣體傳感器的信號，采用信息融合算法充分利用不同時間和空間的多傳感器數據資源，在一定的算法下進行分析、支配、使用和綜合，并對空氣質量的評估，根據評估結果制定相應的控制策略(如調節風速、凈化裝置控制等)。通過信息融合技術，更精確地判斷空氣質量，提高控制系統的性能[1]。

2.2 紫外燈、靜電和風扇調速控制模塊

此模塊是整個系統凈化功能的重要部分，風扇使室內空氣流動，流經凈化器的空氣通過靜電裝置和紫外燈除塵殺菌。根據需求風速設置4個等級，通過芯片TA8428K控制,IN1腳接STM32的PA6腳，利用其復用功能產生PWM波，通過調節PWM的占空比來調節風速。紫外燈和靜電裝置電源都為220V交流電，所以控制電路相同如圖5所示，采用繼電器控制通斷。為防止控制部分受干擾，繼電器與STM32之間加了光耦。

圖5 紫外燈、靜電和風扇調速控制電路Fig 5 UV lamp,electrostatic and fan speed control circuit

2.3 高壓控制模塊

高壓控制在凈化器運行中起至關重要的作用，由于空氣擊穿電壓受濕度影響，為保證正常運行設計了基于濕度變化的高壓發生器。

高壓發生器輸入電壓為180～240 V，輸入電流最大70 mA,額定功率15W,有兩路輸出最高值分別5，12 kV。通過MCU對濕度傳感器采集的數據進行分析，依據不同濕度對應的電壓經過數字電位器X9241反饋調節LM2596的FB端，達到控制輸出電壓的目的[4]。高壓控制電路如圖6所示，P1為MCU與高壓電路相連的I2C接口，P7為AC180～240V轉為恒定DC15V的接口，P2接高壓發生部分，由濕度控制其在1.23～15 V范圍內變化，高壓輸出隨之可在300 V～12 kV之間變化。

圖6 高壓控制電路Fig 6 High voltage control circuit

2.4 LCD顯示模塊

設計采用LCD12864帶字庫的漢字圖形型液晶顯示器，它與MCU有8位并行和串行兩種連接方式，為了節省IO資源，本系統采用串行連接，MCU的PA1,PA2,PA3口分別于CS,SID,SCLK相連接。為了提高LCD顯示效果，能將全部信息在一個頁面展現，不采用自帶字庫而是通過取模軟件制作較小的中文字庫。最終，LCD顯示狀態如圖7所示[5]。

圖7 LCD顯示界面Fig 7 Interface of LCD display

3 軟件設計

軟件設計主要包括兩部分：MCU控制程序和Android客戶端。

3.1 MCU控制程序設計

凈化器上電后，程序開始執行，首先進行參數的初始化，然后進入主循環，讀取傳感器信息量，將信息在LCD上顯示，并更新狀態。主程序接著對按鍵進行掃描，本系統設計6個獨立功能鍵，實現電源開關、風速調節、模式選擇、紫外燈開關、定時以及濾網計時復位功能。在手動模式下如果有按鍵按下，程序會處理相應的按鍵子程序，改變凈化器工作狀態。其中，紅外遙控信息是以中斷的形式切入到主程序中，同樣通過不同的鍵執行不同的動作。Android客戶端控制信號通過串口傳送，根據收到的信號來動作。在自動模式下，風速及其它模塊的工作狀態由傳感器采集數據自動控制。

3.2 Android客戶端設計

根據空氣凈化器的需求和軟件的特點，客戶端的設計如圖8所示。

圖8 客戶端功能結構Fig 8 Client function structure

本客戶端由登錄模塊和遙控模塊組成，使用了Android系統本身集成的SQLite,提供了一些新的API來使用SQLite數據庫，實現數據庫操作。登錄模塊如圖9(a)先調WifiManager服務，檢查手機，確定打開WiFi，再通過WebService 傳入賬號和密碼進入遙控界面如圖9(b)，同時需要Android Mainfest.xml 文件中設置獲取WiFi權限和聯網權限[6]。如代碼所示：。

圖9 客戶端界面圖Fig 9 Client interface diagram

移動平臺的接收端是服務器端,主要用于開啟端口、等待客戶端的數據輸入,并且將收到的數據顯示在界面中。在實現與釆集端通信的過程中,所釆用的UDP通信相對TCP通信簡單,無需事先建立連接,只需創立一個接收和發送的套接字就可實現數據的處理和發送。UDP通信流程如圖10所示。

圖10 UDP通信流程Fig 10 UDP communication process

4 系統測試

系統測試分為對控制系統的測試和對凈化功能的測試。其中對控制系統的測試是通過按鍵或遙控方式(紅外和WiFi)對凈化系統進行操作，觀測其狀態變化。凈化功能測試是通過檢測不同時間段測試倉內空氣質量情況，來驗證凈化器的凈化效果。空氣凈化器實物如圖11所示。

圖11 空氣凈化器實物圖Fig 11 Physical map of air purifier

經測試控制系統的各項功能均正常，可以正常操作凈化器工作，實體按鍵信號辨識準確無誤，紅外和WiFi信號識別與距離相關。

凈化功能選用兩間學生宿舍進行測試，房間體積大約30 m3,房間結構完全相同。一個房間放置凈化器，另一個房間不放凈化器作為對照環境[7]。使用蚊香煙霧作為顆粒物發生源，油漆作為揮發性有機物發生源。為確保一致性，使用PM2.5檢測儀記錄兩個房間內PM2.5與TVOC的濃度變化，數據如圖12所示。

圖12 室內污染物濃度變化Fig 12 Concentration changes of indoor pollutants

5 結 論

本文不僅將工業除塵技術運用到室內空氣凈化，并結合智能家居，利用Android智能手機控制，使空氣凈化器不僅具有良好的凈化效果，還有良好的用戶體驗。通過對凈化器進行測試表明，控制系統相對穩定，凈化功能也達到了設計需求，對室內空氣的凈化效果明顯。

[1] 馬 嫚，程 鉛，陳 慧，等.基于信息融合技術的空氣質量檢測系統[J].電子器件,2013(4):554-558.

[2] 李 媛.基于ZigBee無線環境監測系統的設計研究[D].長沙:湖南大學,2009.

[3] 馮 洋.基于單片機實現GSM短信的防火防盜報警系統設計[J].電子設計工程,2014(5):59-64.

[4] 景曉軍，李劍勇，喬鳳杰，等.精密數控直流電源設計[J].電源世界,2011(10):30-33.

[5] 董玉德，黃 開，金運掌，等.室內柜式空氣凈化器嵌入式系統的設計[J].電子測量技術,2013,36(3):62-66.

[6] 張 一，施 勇，薛 質.Android中權限提升漏洞的動態防御技術[J].信息安全與通信保密,2013(11):71-79.

[7] 卜鐘鳴，向建幫，陳姚波，等.空氣凈化器細顆粒物去除效果的環境艙測試與實際評價[J].暖通空調,2013(12):64-67.

Design of static electrostatic type intelligent air purifier system based on Android

WEN Gui-long, SONG Kai-xin

(Research Institute of New Electronic Devices and Application,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

A kind of air purification system which integrates infrared remote control,Android mobile phone and STM32 MCU as core and apply various sensors and information fusion algorithm,intelligently detect indoor environment is designed.The system real-time display monitoring data through liquid crystal display(LCD) and mobile client.Different action is executed manually or automaticly control purifier according to displayed data,mainly by high voltage electrostatic device for indoor air purification,and,for the first time,use humidity control of high voltage electrical size to avoid sparking.The system has the function of environmental monitoring and air purification.The experiment shows that the system is stable and can meet people’s daily needs.

air purifier; Android; WiFi; static electricity; sensor

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0090—04

2015—10—20

TP 23

A

1000—9787(2016)07—0090—04

文桂龍(1988-)，男，山東臨沂人，碩士，主要研究方向為嵌入式系統設計。