基于多點檢測的空氣凈化系統(tǒng)設(shè)計

劉 聰,翟常冬,管東方,戴景鑫,宋時凡

(山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049)

近年來，隨著房屋裝修污染、室內(nèi)電子產(chǎn)品造成的空氣污染等問題的出現(xiàn)，室內(nèi)污染物的來源和種類愈加廣泛，室內(nèi)空氣污染[1]已成為危害人類健康的“隱形殺手”。人們對健康問題愈加重視，對自己生活以及工作的空氣環(huán)境質(zhì)量的要求和期望也在不斷提高。

實踐證明，當前市場上的空氣凈化產(chǎn)品能夠有效地提高室內(nèi)空氣質(zhì)量，但存在著一些明顯的缺陷，例如檢測裝置和凈化裝置為一個整體，凈化時間較長、凈化后室內(nèi)各處空氣質(zhì)量不均勻等情況[2]。本文提出了一種基于多點檢測和不定點凈化的新型空氣凈化系統(tǒng)，能夠有效地克服以上缺陷，實現(xiàn)大范圍、快速凈化室內(nèi)空氣，有效提升人們生活環(huán)境的空氣質(zhì)量。

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)采用星形拓撲結(jié)構(gòu)[3]，包括單個凈化端主機和多個檢測端從機組成，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)室內(nèi)面積大小和現(xiàn)場情況在室內(nèi)選取適量的采樣點，檢測端從機負責采集各采樣點處的空氣質(zhì)量信息，并將信息通過WIFI傳輸?shù)絻艋酥鳈C。在凈化端主機中采用以空氣質(zhì)量指數(shù)表征空氣質(zhì)量狀況的方法，依據(jù)本文給出的凈化算法解算各采樣點處的空氣質(zhì)量指數(shù)，并在所有采樣點中選取合適數(shù)量的凈化點和規(guī)劃凈化點的凈化順序，最終移動凈化端主機到選取的各個凈化點完成室內(nèi)空氣凈化任務(wù)。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 System block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 整體電路設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計由檢測模塊、控制器、空氣凈化模塊、人機交互模塊和電源模塊等五部分組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of inspection system

選取PM2.5濃度、甲醛濃度、有毒氣體濃度、VOCs氣體濃度、溫度和濕度等六種空氣質(zhì)量信息作為室內(nèi)空氣質(zhì)量的檢測指標，由檢測模塊完成信息采集。鑒于需要較高的數(shù)據(jù)采集精度和較快的數(shù)據(jù)處理速度，本文選用STM32單片機作為控制器，通過ADC和串口采集各氣體檢測模塊的電壓模擬量，從而完成各氣體濃度的解算和凈化算法的計算。最終由凈化模塊完成空氣凈化任務(wù)，提高室內(nèi)的空氣質(zhì)量至國家室內(nèi)空氣質(zhì)量標準[4]水平。系統(tǒng)運行中的各項數(shù)據(jù)參數(shù)均顯示在液晶顯示屏，并且用戶可通過手機藍牙遠程遙控和查看本系統(tǒng)。電源模塊則為整個檢測系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3 V工作電源，保障各組件正常運行。

2.2 傳感器信號調(diào)制電路

本系統(tǒng)所采用的傳感器多為氣體傳感器，所產(chǎn)生的信號多為毫伏級，需采用運算放大電路加以放大，以粉塵傳感器為例，調(diào)理電路如圖3所示，粉塵傳感器的工作原理是根據(jù)光的散射原理來開發(fā)的，微粒和分子在光的照射下會產(chǎn)生光的散射現(xiàn)象，同時還會吸收部分光的能量，求得入射光通過待測濃度場的相對衰減率即可測得粉塵濃度。

圖3 粉塵傳感器調(diào)理電路Fig.3 Sensor conditioning circuit

由于粉塵在傳感器中的擴散過程都是受溫度影響的，所以在恒定氧氣濃度下隨著溫度的不同，傳感器輸出的電流也不同。一般將環(huán)境溫度在25℃ 時測得的氧氣濃度的電流值作為標準值，其他溫度下測得電流在此標準值上變化，變化式為

signal@t=signal@25×Pcoe@t

(1)

其電流變化系數(shù)為

Pcoe(x)=Ax3+Bx2+Cx+D

(2)

式中：A=2.01×10-6;B=-2.60×10-5;C=1.70×10-2;D=0.561;x為環(huán)境溫度。

3 算法設(shè)計

3.1 空氣污染指數(shù)計算標準

目前，室內(nèi)空氣品質(zhì)評價[5]的方法有很多，如綜合指數(shù)法、主觀評價法、灰色理論法等，但都存在評價結(jié)果沒有明確物理意義，難以直接應(yīng)用于本系統(tǒng)中采樣點處空氣污染程度的計算。本文通過對室內(nèi)影響人體健康的主要空氣污染物研究和人體生理、心理對室內(nèi)環(huán)境的適應(yīng)程度分析，重新制定了一種基于污染損失率法的空氣污染指數(shù)計算標準，采用空氣污染指數(shù)值的形式表征室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況，其計算標準如下：

根據(jù)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》國家標準制定室內(nèi)空氣品質(zhì)等級，將室內(nèi)環(huán)境分為一至五級5個級別，級別越高，污染越嚴重，對人體危害越大。選取的6項參數(shù)分別為：甲醛、PM2.5、有毒氣體、VOCs氣體、溫度、濕度，濃度分別為C1、C2、C3、C4、C5、C6，對室內(nèi)環(huán)境的損害率分別為R1、R2、R3、R4、R5、R6。設(shè)污染物為第i種，濃度為Ci，其單項污染物對室內(nèi)空氣的損害率Ri的函數(shù)關(guān)系式為

(3)

式中ai、bi由不同污染物的特性而定。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》的標準，認為Ci為一級時，空氣質(zhì)量狀況較好，人體感覺空氣舒適度較好，此時認定室內(nèi)空氣損害率為10%；Ci為五級時，空氣質(zhì)量狀況屬于嚴重污染，人體感到明顯不適，此時認定室內(nèi)空氣損害率為90%，再根據(jù)實際空氣質(zhì)量狀況進一步修訂待定參數(shù)。

則空氣質(zhì)量指數(shù)S的函數(shù)關(guān)系式為

(4)

式中Si表示單項污染物對室內(nèi)空氣損害率的上限值，可采用室內(nèi)空氣質(zhì)量國家標準中的指標數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)采用的空氣污染指數(shù)計算標準包含單項污染物對室內(nèi)空氣的損害率和所有污染物對室內(nèi)空氣的算術(shù)損害率，較為全面地反映了各種污染物對室內(nèi)環(huán)境的污染程度，能夠為凈化點的選取和凈化順序規(guī)劃提供精準可靠的數(shù)據(jù)。

3.2 凈化算法

模糊控制是基于數(shù)學模型來模擬人體思維、判斷和決策的智能控制方法，通過語言變量的形式表達人的經(jīng)驗、常識，控制機理和策略，更加容易被人接受，現(xiàn)應(yīng)用于機械、電氣、計算機等各個領(lǐng)域，在智能控制領(lǐng)域占有極為重要的地位。

本系統(tǒng)采用基于模糊控制[6]的凈化算法，通過語言變量的形式模擬人體思維，以空氣污染指數(shù)、空氣凈化預計時間長度和Flash存貯器歷史記錄中該點的凈化總次數(shù)為依據(jù)，在所有采樣點中選取一定數(shù)量的凈化點進行凈化，并對凈化順序作出規(guī)劃。

凈化算法如下：模糊控制器采用三參數(shù)結(jié)構(gòu)，選取空氣質(zhì)量指數(shù)S、空氣凈化預計時間長度T和凈化總次數(shù)N作為輸入量，空氣凈化順序Q作為輸出量，本文提出了15條模糊規(guī)則，第i條規(guī)則的模糊關(guān)系式為

Ri(S,T,N)=uSi×VTi×VNi(S,T,N)

(5)

利用MATLAB軟件對算法進行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 模糊控制算法的仿真結(jié)果Fig. 4 Simulation results of fuzzy control algorithm

由圖4可以看出，系統(tǒng)規(guī)劃出各采樣點的空氣凈化順序，若存在多個采樣點在空氣凈化順序Q中為同一等級的情況，則優(yōu)先考慮空氣質(zhì)量指數(shù)S指標大的采樣點。

取空氣質(zhì)量指數(shù)目標值為N、排序后的各采樣點空氣質(zhì)量指數(shù)原始值為P1,P2,…，Pi，為使室內(nèi)空氣質(zhì)量指數(shù)達到國家標準，求解凈化點個數(shù)m表達式為

(6)

式中k為凈化補償系數(shù)，與室內(nèi)面積有關(guān)，普通家庭住房面積一般取為1.3。解算出凈化點個數(shù)m，并在完成凈化后再次檢測室內(nèi)空氣質(zhì)量，進一步判斷是否達到要求，未達到要求則再凈化一次。

凈化算法最終得到完成凈化任務(wù)所需的m個凈化點及其凈化順序Q。凈化主機按照凈化順序Q依次到m個凈化點處完成空氣凈化任務(wù)。

4 檢測實驗

4.1 凈化時間檢測實驗

選取兩個室內(nèi)空氣質(zhì)量大致相同、面積相同的房間甲和房間乙，在房間甲內(nèi)放置市場上的某空氣凈化產(chǎn)品，作為對照系統(tǒng)；在房間乙內(nèi)放置本文提出的空氣凈化系統(tǒng)，作為實驗系統(tǒng)。在兩個房間內(nèi)同時通入大量且等量的汽車尾氣，實驗系統(tǒng)和對照系統(tǒng)同時開始工作，每隔10 min檢測1次房間甲和房間乙內(nèi)的空氣質(zhì)量，以空氣中的PM2.5濃度為例，結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩種凈化系統(tǒng)凈化效果對比圖Fig. 5 comparison of purification effects between two purification systems

房間甲和房間乙內(nèi)的空氣PM2.5濃度最終均低于75 μg/m3，但房間乙空氣中的 PM2.5含量下降較快，在大約30 min后便降到75 μg/m3，而房間甲空氣中的PM2.5含量下降較慢，在45 min后達到75 μg/m3。實驗表明房間乙比房間甲能夠提前15 min左右完成凈化任務(wù)，可見本文提出的系統(tǒng)能夠明顯加快室內(nèi)空氣凈化速度，縮短凈化時間。

4.2 均勻凈化檢測實驗

在實驗一的條件下進行實驗二操作，實驗系統(tǒng)和對照系統(tǒng)開始工作前，在房間甲內(nèi)隨機選取7個取樣點，分別測量其PM2.5濃度，測量房間乙內(nèi)相同7個位置的PM2.5濃度。實驗系統(tǒng)和對照系統(tǒng)完成凈化任務(wù)之后，再次檢測7個取樣點的PM2.5濃度。房間甲和房間乙凈化前后室內(nèi)的PM2.5濃度檢測結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 房間甲凈化前后PM2.5濃度檢測結(jié)果圖Fig. 6 The result diagram of PM2.5 concentration before and after purification of Room A

圖7 房間乙凈化前后PM2.5濃度檢測結(jié)果Fig. 7 The result diagram of PM2.5 concentration before and after purification of Room B

由圖6和圖7可以看出，由于距空氣凈化機越近空氣凈化效果越好的原因，完成凈化后房間甲會出現(xiàn)室內(nèi)各處PM2.5濃度相差較大的情況，而房間乙內(nèi)各處PM2.5濃度大致相同，相對比較均勻。實驗結(jié)果表明，本文提出的凈化系統(tǒng)能夠大范圍均勻地凈化室內(nèi)空氣，使室內(nèi)各處空氣質(zhì)量相對一致，全面提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。

5 結(jié)束語

在傳統(tǒng)空氣凈化器控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文提出了基于多點檢測和不定點凈化的空氣凈化系統(tǒng)，優(yōu)化了空氣凈化方法和策略，對室內(nèi)不同區(qū)域進行區(qū)別性凈化，實現(xiàn)了室內(nèi)空氣的均勻凈化和快速凈化。該系統(tǒng)智能化水平較高，彌補了此類產(chǎn)品在市場上的不足，具有很大的開發(fā)前景和市場效益。