基于手機APP智能換氣扇的設計

摘 要 傳統換氣扇需要用戶實時控制其開關和調速，不能滿足用戶對便捷化的需求。基于此，本文提出一種基于手機APP智能換氣扇的設計，該智能換氣扇不僅具有自動調速、自動開關、智能檢測等功能，而且還可以通過手機APP實時查看室內環境的檢測氣體濃度，提前設定換氣扇工作的閾值。進而實現換氣扇的智能化、便捷化、人性化。

【關鍵詞】智能換氣扇 無線通信 微控制器 傳感器 APP

針對傳統換氣扇存在的弊端。本文提出一種基于手機APP智能換氣扇。該智能換氣扇基于手機APP、傳感器單元、微控制器單元、無線通信單元等。通過溫濕度傳感器、煙霧濃度傳感器、有害氣體傳感器等探測室內外的溫濕度、煙霧及有害氣體等，結合手機APP預先設定的工作閾值，做出相應的選擇，最終實現換氣扇自動改變百葉扇工作狀態的功能。

1 總體系統設計

本換氣扇總體系統設計如圖1所示，以微控制器為核心，通過各種檢測傳感器來判斷換氣扇的工作狀態和獲取必要數據，進而控制步進電機的工作，驅動換氣扇工作。穩壓電源為整個系統提供穩定的電源。排氣扇的人機交互由手機APP來完成。通過手機APP，用戶能對換氣扇工作的閾值進行設定，用戶也能通過APP實時查看溫濕度、轉速、CO濃度、CO2濃度、有害氣體濃度等基本信息。

2 硬件設計模塊

2.1 傳感器單元

傳感器單元采用溫濕度傳感器、有害氣體傳感器、煙霧檢測傳感器、CO濃度檢測傳感器、CO2濃度檢測傳感器等來實時檢測室內的溫濕度、氨氣、硫化物、苯系蒸汽等有害氣體濃度、煙霧濃度、CO濃度、CO2濃度等基本信息。

用于溫濕度檢測的傳感器采用DHT11溫濕度傳感器。其測量溫、濕度參數如表1所示。

該傳感器采用單總線數據格式進行數字輸出。其測量范圍、測量誤差等參數可滿足智能換氣扇對于室內溫濕度檢測的要求，并且具有體積小、成本低、數字輸出等優點。故溫濕度傳感器采用DHT11溫濕度傳感器。

用于對氨氣、硫化物、苯系蒸汽等有害氣體濃度檢測的傳感器采用MQ-135 空氣質量傳感器。其基本參數如表2所示。

該傳感器的電導率隨室內有害氣體濃度的增加而增大。并可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相對應的輸出信號。而且該傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽等有害氣體的靈敏度極高，對煙霧和其它有害氣體的監測也很理想。故該換氣扇選MQ-135空氣質量傳感器實現對室內有害氣體的檢測。

CO濃度檢測傳感器采用ZE07-CO傳感器模組。利用電化學原理對室內存在的CO氣體進行探測，內置溫度傳感器，可進行溫度補償，同時具有模擬電壓輸出和數字輸出，方便使用。其基本參數如表3所示。

ZE07-CO傳感器模組具有靈敏度高、響應時間短、量程大、分辨率高等優點，提供多種輸出方式，適合于智能換氣扇對于CO濃度檢測的要求。

煙霧濃度傳感器采用MQ-2傳感器。其所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）。當室內環境中有物體著火時，傳感器的電導率隨室內煙霧濃度的增加而增大。而且用戶用簡單的電路即可實現電導率的變化量轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。而且該傳感器對多種氣體都很敏感。其基本參數如表4所示。

CO2濃度檢測傳感器選用CO2氣體傳感器。其基本參數如表5所示。

CO2氣體傳感器具有數字輸出與PWM輸出兩種特性，內置溫度補償電路，降低測量誤差，具有分辨率高，靈敏度高等特性，適合于智能換氣扇對于室內CO2濃度的測量。

2.2 微控制器單元

微控制器選用增強型51單片機STC12C5A08S2。其特點是價格廉價，功能強大，核心控制單元引腳與51兼容。主要特性見表6。

2.3 驅動電機模塊

驅動電機模塊包括直流電機、步進電機、調速電路及相應的驅動器等部分。步進電機主要完成的工作是控制百葉窗開啟和關閉及調整百葉窗開啟角度，直流電機主要完成的工作是調整扇葉的轉向。調速電路的主要工作是根據手機預先設定的閾值來控制換氣扇的轉速。

2.4 Wi-Fi模塊

手機APP和微處理器之間采用Wi-Fi方式進行通信。選用ESP8266 Wi-Fi模塊。其具有體積小、功能強大、開發簡單等優點。

3 軟件模塊

手機APP的程序采用Android studio語言進行編寫。手機APP的主要功能主要是用戶可以實時查驗室內檢測氣體的濃度，也可設定換氣扇百葉扇開啟和關閉的閾值，實現人機的交互。設定換氣扇百葉扇的轉速與室內溫濕度、煙霧濃度、CO濃度、CO2濃度、有害氣體濃度等的線性關系，轉速會隨著煙霧等檢測量的濃度增大而變快。具體見表7（以CO氣體和轉速的關系為例）。

4 結束語

基于手機APP智能換氣扇的設計與研究是一種便捷化、智能化的設計，性價比高，適合于多種場合；采用Wi-Fi方式進行通信，便于在局域網環境下進行控制；用戶可以提前設定換氣扇工作的閾值，極大改善了傳統換氣扇存在的諸多弊端，是今后換氣扇發展的一個方向，也是未來智能家居不可或缺的重要部分。

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作者簡介

郭茹博（1997-），男，河北省石家莊市人。大學本科學歷。西北民族大學。研究方向為物聯網工程。

作者單位

西北民族大學電氣工程學院 甘肅省蘭州市 730124