基于物聯網的空氣凈化系統設計

陳虹安 周昊 阮太元 蔡雄友

摘 要：空氣污染是現在常見的環境污染問題之一，對其進行治理刻不容緩。針對室內空氣污染問題，本文設計了一款基于物聯網的空氣凈化系統。該系統由空氣凈化器和手持終端兩大部分構成，空氣凈化器利用單片機控制各個模塊進行空氣凈化或加濕，手持終端通過WiFi對空氣凈化器進行遠程控制，實現加濕、凈化空氣及遠程控制三大功能，有效地去除空氣中的污染物和細菌。

關鍵詞：無線網絡；WiFi；空氣凈化；加濕

中圖分類號：TU834.82 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）04-0190-03

Abstract：Air pollution is now a common problem of environmental pollution，its governance is a matter of urgency. Aiming at indoor air pollution，this paper designs an air purification system based on internet of things. The system consists of two parts of air purifier and the handheld terminal，the air purifier can use SCM to control each module for air purification or humidification，the handheld terminal can use WiFi to the air purifier for remote control，realize three major functions of humidification，air purification and remote control，which effectively remove air pollutants and bacteria.

Keywords：wireless network；WiFi；air purification；humidification

0 引 言

近年來，我國經濟快速發展，人們生活水平不斷提高，然而清新的空氣卻日益被污染。隨著國家對環保投入力度的加大，特別是全國主要城市空氣污染的信息發布，使各階層人士對環境越來越重視。現代科學已經證實，室內空氣的污染程度比室外空氣污染嚴重65倍。

隨著生產和生活方式的現代化，更多的工作和文娛體育活動都可在室內進行，人們的室內活動時間占比達到93%以上。老、幼、病、殘等體弱人群，由于機體抵抗力較低，戶外活動機會少，室內空氣質量的好壞對他們的健康影響較大。

為提高室內空氣質量，空氣凈化產品也層出不窮。但市面上的一些凈化器都比較昂貴，標價在2000元左右，甚至上萬元。功能性不再是評價設計的唯一標準，基本的功能需求滿足之后，人們開始追求更高層次的心理需求。為此，本文將介紹一款性價比高的空氣凈化器。

本文設計的空氣凈化器是典型的利用紫外線及過濾炭網對空氣進行殺菌與消毒的產品。本產品具有空氣凈化與空氣加濕兩大功能，并且與“互聯網+”的大平臺相結合，可使用WiFi對凈化器進行遠程控制，實現了產品的智能化，滿足了環保的要求，是新一代健康電子與互聯網相結合的產物。

1 系統方案

本文設計的空氣凈化系統定位是小型家電，目的是為大部分時間在室內度過的人群提供空氣清新的環境。本系統由空氣凈化器、手持終端（手機或PAD）兩大核心部分構成。手持終端（即手機或PAD）擁有簡潔明了的操作控制界面，控制界面可通過WiFi對空氣凈化器發出控制信號，空氣凈化器接收到信號后可進行相應的處理。空氣凈化器以STC15系列低功耗高性能單片機為核心，當單片機接收到WiFi傳送來的信號或接收到按鍵信號后，可控制凈化器進行加濕、電機抽風或紫外燈殺菌等操作。該系統的總體設計框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

空氣凈化器主要由STC15F2K1S2單片機、WiFi模塊、加濕模塊、紫外線燈、抽風機以及相應的電路組成。可以通過按鍵直接控制或者WiFi遠程控制單片機的方式對紫外線燈、抽風機及加濕器進行控制。紫外線燈負責殺死有害細菌，加濕器負責為空氣增加濕度，抽風機把室內的空氣抽進凈化器內部，通過空氣凈化裝置后，吸附顆粒物或其他懸浮物，得到干凈的空氣。系統電路如圖2所示。

在圖2中，電源管理電路的主要功能有四個：一是實現電源對紫外線燈的供電功能；二是實現電源對單片機的供電功能；三是實現電源對加濕器的供電功能；四是實現電源對抽風機的供電功能。

在本系統中，紫外線燈要求的供電范圍是12～24V，STC15W4K16S4系列單片機要求的供電范圍是5.0～5.5V，WiFi模塊的供電范圍要求是3.0～3.6V，而加濕器要求的供電范圍是5.0～5.5V，抽風機的供電范圍要求是12～12.5V。因此，本系統采用12V的穩壓電源，再使用電壓轉換芯片進行電壓轉換，使芯片的輸出電壓為5.0V，供給單片機及加濕器用電，再次轉變為3.3V，為WiFi模塊供電。

3 空氣凈化系統軟件設計

本系統采用STC公司的STC15系列超低功耗單片機及相關的專用開發軟件。針對硬件進行編程時，要求程序占用內存小，運行速度快，系統可靠性強。在空氣凈化與加濕的過程中，首先對單片機串口及各個模塊進行初始化，實現WiFi模塊與手機之間的通訊，然后單片機檢測按鍵狀態是否改變或手持終端是否通過WiFi發出控制紫外線燈、抽風機或加濕器的控制命令，單片機可根據相應的按鍵狀態或手持終端發出的命令做出相應的控制動作，完成整個空氣凈化器的控制過程。程序設計框圖如圖3所示。

手持終端的APP在Android Studio軟件中進行開發，目前已在華為榮耀3C等多款手機中進行了實際測試，實測結果較為理想，并且該APP在理論上支持android4.0以上且具備WiFi功能的所有安卓手機或PAD。手持終端打開界面軟件，輸入IP口和端口的相應數據，連接空氣凈化器的WiFi模塊，即可對空氣凈化器進行控制。

4 實現功能

本設計由空氣凈化和手持終端（手機或PAD）兩大核心構成，采用WiFi數據傳輸技術將手持終端與凈化器核心控制部分連接起來，并通過安卓上位機軟件實時查看系統的工作狀態，主要實現功能如下：

（1）能過濾室內空氣中的大部分顆粒物，為人們提供良好的空氣環境，確保人們的居住環境達到國家規定的室內空氣標準；

（2）實現了紫外線殺菌功能。本系統的紫外線殺菌系統能消滅大部分對人體有害的細菌，減少生病機率；

（3）實現了空氣加濕功能。本系統的加濕系統可以為干燥的環境提供水分，減少悶熱感受情況的出現；

（4）實現了遠程控制功能。通過本系統的遠程控制系統，可以發送遠程控制命令，方便快捷。

5 結 論

本文設計的空氣凈化系統不僅具有加濕功能，還具有過濾塵埃和滅菌消毒的作用，能有效改善空氣質量，保證生活環境的舒適。本系統與市面上的同類型產品相比，體積更小、價格更低、功能更多、可靠性也更強。空氣凈化系統在我國有著廣闊的市場前景，這款智能化、模塊化和多功能的空氣凈化系統將會為人們提供更為清潔健康的空氣環境，提升人們的生活質量。

參考文獻：

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[2] 崔曦元，吳凌智.基于ZigBee無線技術的智能空氣凈化系統設計 [J].軟件導刊，2016，15（7）：107-109.

作者簡介：陳虹安（1989-），男，助教，碩士。研究方向：電子產品開發、信號處理及控制。