一種室內(nèi)空氣凈化裝置的研制及其控制方法*

賈麗斯

（廣西大學(xué)行健文理學(xué)院 電氣工程系，廣西 南寧530005）

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展和生活水平的不斷提高，人們對住宅和辦公室內(nèi)的空氣質(zhì)量要求越來越高，特別是現(xiàn)代化的室內(nèi)空氣污染，包含裝修材料所釋放的甲醛、苯等有害氣體，可吸入顆粒物PM10、可入肺顆粒物PM2.5 和各種細菌等[1-3]。由于空氣中的氣體種類多、成分復(fù)雜，需要多種傳感器進行檢測、分析，根據(jù)分析結(jié)果做出相應(yīng)的控制決策。所以這類控制問題是一個多變量輸入和多變量選擇輸出系統(tǒng)的控制問題。在實際中存在著許多這類系統(tǒng)，例如交通流量的控制也是分道進行的。這類控制的共同點是信息的來源是同時的和多方面的，因此，解決這類控制問題首先要用多種傳感器對信息進行檢測，然后對檢測結(jié)果進行分析和信息融合，根據(jù)融合的結(jié)果決定控制輸出。將多傳感信息融合技術(shù)應(yīng)用于智能空氣凈化裝置可以獲得比單一傳感器對周圍環(huán)境更準確、更全面的信息，從而降低信息的不確定性，提高智能凈化裝置系統(tǒng)的互補性和可靠性。

目前的空氣凈化裝置[4-6]中的傳感器或檢測系統(tǒng)多為可以檢測空氣中酒精、香煙、氨氣、硫化物等各種污染源，由于檢測的污染源種類較多及傳感器本身誤差率等因素，導(dǎo)致空氣檢測系統(tǒng)在檢測過程中存在著較大的失誤率。在誤差出現(xiàn)的情況下，人們在室內(nèi)就難免會呼吸到有害氣體，長時間導(dǎo)致身體不適。針對空氣檢測系統(tǒng)或傳感器等智能化檢測設(shè)備存在的失誤率現(xiàn)象[7-9]，本文擬設(shè)計一種室內(nèi)空氣凈化裝置及其控制方法，通過在空氣凈化裝置中添加記錄存儲模塊、隨機數(shù)發(fā)生模塊和比對模塊，實現(xiàn)即使在檢測設(shè)備發(fā)生誤差的情況下，也會根據(jù)室內(nèi)人員的生活習(xí)慣來控制空氣凈化模塊對室內(nèi)空氣進行凈化。

1 空氣凈化裝置總體構(gòu)造

圖1 室內(nèi)空氣凈化裝置總體結(jié)構(gòu)圖

室內(nèi)空氣凈化裝置（以下簡稱裝置）的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，裝置主要由空氣凈化模塊、檢測模塊、控制模塊、記錄存儲模塊、隨機數(shù)發(fā)生模塊、比對模塊、電源等組成。其中本文設(shè)計的裝置創(chuàng)新之處在于檢測模塊中含有VOC 傳感器、顆粒物傳感器中的一種或兩種。隨機數(shù)發(fā)生模塊為Monte Carlo 隨機數(shù)發(fā)生器。記錄存儲模塊能夠記錄7 天的運行數(shù)據(jù)。

電源分別與空氣凈化模塊、檢測模塊、控制模塊、記錄存儲模塊、隨機數(shù)發(fā)生模塊、比對模塊電連接；空氣凈化模塊、控制模塊、記錄存儲模塊、隨機數(shù)發(fā)生模塊和比對模塊分別設(shè)有信號輸入端和信號輸出端，檢測模塊設(shè)有信號輸出端；空氣凈化模塊的信號輸出端與記錄存儲模塊的信號輸入端連接，檢測模塊的信號輸出端分別與控制模塊、記錄存儲模塊的信號輸入端連接，控制模塊的信號輸出端與空氣凈化模塊的信號輸入端連接，記錄存儲模塊的信號輸出端分別與隨機數(shù)發(fā)生模塊、比對模塊的信號輸入端連接，隨機數(shù)發(fā)生模塊的信號輸出端與比對模塊的信號輸入端連接，比對模塊的信號輸出端與控制模塊的信號輸入端連接。

2 室內(nèi)空氣凈化控制方法設(shè)計

本文擬采取以下控制方法實現(xiàn)即使在檢測設(shè)備發(fā)生誤差的情況下，也會根據(jù)室內(nèi)人員的生活習(xí)慣來控制空氣凈化模塊對室內(nèi)空氣進行凈化。控制方法流程圖見圖2。

圖2 控制流程圖

裝置的控制方法，包括以下a 到f 一共6 個步驟：

步驟a：開啟電源，轉(zhuǎn)至步驟b

步驟b：檢測模塊檢測室內(nèi)空氣，轉(zhuǎn)至步驟c

步驟c：檢測模塊判斷是否需要凈化空氣

若檢測模塊判斷需要凈化，則檢測模塊發(fā)送信號給控制模塊，轉(zhuǎn)至步驟e；若檢測模塊判斷不需要凈化，這種情況存在檢測模塊發(fā)生失誤的可能，則檢測模塊發(fā)送信號給記錄存儲模塊，轉(zhuǎn)至步驟d。

步驟d：比對模塊根據(jù)空氣凈化模塊前N 天的工作記錄來判斷是否需要凈化空氣

記錄存儲模塊發(fā)送信號給隨機數(shù)發(fā)生模塊和比對模塊，隨機數(shù)發(fā)生模塊生成1 個數(shù)字m（0≤m≤1），比對模塊計算前N 天的記錄中該時刻空氣凈化模塊為運行狀態(tài)的概率p，隨機數(shù)發(fā)生模塊發(fā)送信號給比對模塊，比對模塊計算m 與p 的大小，若m≤p，則比對模塊發(fā)送信號給控制模塊，轉(zhuǎn)至步驟e；若m＞p，則比對模塊發(fā)送信號給控制模塊，轉(zhuǎn)至步驟f。

步驟e：運行空氣凈化模塊

控制模塊發(fā)送運行信號給空氣凈化模塊，空氣凈化模塊發(fā)送記錄信號給記錄存儲模塊，記錄存儲模塊記錄空氣凈化模塊的運行時間，轉(zhuǎn)至步驟b。

步驟f：關(guān)閉空氣凈化模塊

控制模塊發(fā)送關(guān)閉信號給空氣凈化模塊，空氣凈化模塊停止運行，轉(zhuǎn)至步驟b。

3 實驗測試與結(jié)果

本文采用現(xiàn)有的含有VOC 傳感器、顆粒物傳感器的空氣凈化裝置和本文所設(shè)計的裝置實施例進行具體實驗測試，并對比凈化效果。實驗測試的室內(nèi)環(huán)境工況與空氣質(zhì)量接近。

3.1 對比例

對比例采用兩臺現(xiàn)在比較流行的含有VOC 傳感器、顆粒物傳感器的空氣凈化裝置作為與本文設(shè)計的裝置進行對室內(nèi)檢測結(jié)果的對比，該對比例裝置還包括控制單元和空氣凈化單元，通過上述傳感器定時檢測空氣中的污染源，當(dāng)檢測到污染源時，則發(fā)送信號給控制單元，控制單元控制空氣凈化單元啟動；當(dāng)未檢測到污染源時，則不發(fā)生信號給控制單元。本對比例中設(shè)定傳感器的檢測時間間隔為2 小時，在相同的實驗條件下將兩臺傳感器分別設(shè)置在室內(nèi)的兩個相對的墻體上，分別編號為1 和2，對室內(nèi)的檢測后的運行記錄如表1 所示。

3.2 實施例

實施例采用的是本文設(shè)計的裝置及控制方法。并設(shè)定傳感器的檢測時間間隔為2 小時。裝置對室內(nèi)檢測后的運行記錄如表2 所示。

表1 和表2 中的“√”表示空氣凈化模塊工作，空白表示空氣凈化模塊不工作。本文設(shè)計的控制方法與對比例相比，通過在空氣凈化裝置中添加記錄存儲模塊、隨機數(shù)發(fā)生模塊和比對模塊，實現(xiàn)了即使在兩個檢測設(shè)備檢測結(jié)果不統(tǒng)一的情況下（即檢測設(shè)備發(fā)生誤差的情況下），也會根據(jù)室內(nèi)人員的生活習(xí)慣來控制空氣凈化模塊對室內(nèi)空氣進行凈化，降低室內(nèi)人員呼吸有害氣體的風(fēng)險。

表1 現(xiàn)有的空氣凈化裝置對室內(nèi)檢測后的運行記錄

表2 實施例采用的室內(nèi)空氣凈化裝置對室內(nèi)檢測后的運行記錄

4 結(jié)束語

本文立足于實際問題，設(shè)計了一種室內(nèi)空氣凈化裝置及其控制方法。采用了添加含有VOC 傳感器、顆粒物傳感器的檢測模塊，Monte Carlo 隨機數(shù)發(fā)生器的隨機數(shù)發(fā)生模塊和對比模塊。經(jīng)過實驗測試最終實現(xiàn)了設(shè)計要求，通過多次實驗測試表明，該控制方法完全達到設(shè)計要求。裝置對各種各樣的室內(nèi)場所都具有很強的適用性，具有一定的創(chuàng)新性和實際應(yīng)用價值，并對室內(nèi)空氣凈化研究有一定的現(xiàn)實意義。同時該裝置為室內(nèi)空氣凈化提供實驗數(shù)據(jù)支持。