基于物聯網的智能空氣凈化系統的設計

戴 藝， 孫慧霞， 申立朝， 王 帥， 張瑋宸， 馬紫微

（運城學院物理與電子工程系，山西運城 044000）

0 引言

隨著物聯網等新一代信息技術的發展， 將物聯網技術應用于智能家電，可以實現遠程監控、安全監測等，顯著提高人們的生活質量[1]。 傳統的空氣凈化器通過內置的空氣凈化網以及抽風機對周圍空氣進行抽取、 過濾等方式實現凈化，存在一定的凈化死角，對微小顆粒物的凈化率不佳，而且不能及時提醒用戶更換濾網，存在空氣二次污染風險。因此設計一款能實現智能化、對微小顆粒物凈化率高及可以提醒用戶更換濾網的空氣凈化器具有較高的研究意義和使用價值。

1 智能空氣凈化器的系統設計

1.1 空氣凈化器系統總體框架

空氣凈化器的系統總體框圖如圖1 所示，由硬件端和軟件端組成。通過傳感器實時監測空氣質量并將數據實時反饋到主控單元。 主控處理數據并實時顯示到串口屏上。同時，主控單元將數據處理并上傳，通過物聯網模組連接MQTT 服務器，PC 網頁端、微信小程序以及手機移動APP與MQTT 服務器數據交互，實時顯示當前空氣質量，用戶可遠程控制凈化器風機、 負離子發生器的開啟與關閉[2]。當檢測到的空氣質量參數超出國家標準時， 主控單元自動打開繼電器，運行風機、負離子發生模塊凈化空氣[3]。

圖1 空氣凈化器系統總體框圖

1.2 空氣凈化系統結構設計

空氣凈化器的外觀采用SolidWorks 軟件設計，如圖2所示，裝置設置有兩組抽風機構和兩組過濾結構。 風機開啟時先將空氣從裝置底部抽入， 首先氣流會通過底層放置的HEPA 濾網， 其次是風機模組， 再經過上層的活性炭濾芯和負離子發生器， 將凈化后的空氣釋放到裝置外。

圖2 空氣凈化器結構圖

1.3 負離子凈化技術

負離子發生器能間接形成大量的負離子，與空氣中的微小的細菌、 病毒和微小飄塵相吸附，使得微小顆粒物因此沉降。

本設計采用主被動結合的凈化方式， 通過主動釋放負離子，高效率凈化微小顆粒。 與HEPA 濾網、活性炭濾網被動凈化空氣中大顆粒物、甲醛等結合，實現高效快捷的凈化效果[4]。

1.4 功能創新設計

本系統設計了活性炭飽和預警功能及用戶自定義功能。活性炭飽和預警功能通過增加監測活性炭飽和的預警器，能夠提醒用戶及時更換濾網，避免造成二次污染。當甲醛被吸收直至達到飽和狀態時，會成為甲醛散發的有毒來源，因此需要及時更換過濾器防止二次污染。 本系統通過監測活性炭實時狀態并將其顯示到客戶端顯示界面，在活性炭達到飽和時提醒用戶，有效避免了二次污染。

在自動模式控制下，本系統加入了用戶自定義功能，用戶可通過修改設置的閾值來實現自動凈化的調整，根據不同環境來選擇凈化的強度。

2 空氣凈化器硬件電路設計

2.1 整體硬件電路設計框圖

空氣凈化器整體硬件電路設計框圖見圖3，由STM32 F103RCT6 控制系統及電源模塊、溫濕度采集模塊、負離子發生模塊、甲醛傳感器模塊、繼電器控制電路、CO2檢測模塊、PM2.5 傳感器、ESP8266 通信電路、串口屏顯示模塊等組成[5]。 同時，系統通過各個傳感器模塊來采集數據。STM32F103RCT6 將處理后的數據通過ESP8266 模塊發送到MQTT 服務器，由服務器將數據上傳到微信小程序，實現人機交互。

圖3 空氣凈化器硬件電路設計框圖

2.2 STM32F10RCT6 系統電路設計

本系統選用STM32F103RCT6 作為核心處理器，見圖4。系統電路由3.3V 穩壓電路、電源指示電路、時鐘電路、復位電路組成最小電路系統。該系統采用ARM 架構[6]，內核為CortexTM-M3 32 位微控制器，擁有豐富外設，可以連接各種傳感器。 選用RCT6 主頻為72MHz，由于程序的需要選用大容量512K。 單片機的最小系統供電電壓為3.3V，由于電路設計需要，添加5.0V 轉3.3V 的穩壓電路，選取的方案為ams1117。

圖4 STM32F103RCT6 系統電路

2.3 主板硬件電路PCB

圖5 為主板硬件電路的PCB 圖。 主板硬件電路的繪制設計以電源電路的設計為主要核心， 再針對其系統設計功能選用芯片， 在此基礎上為其增添其余功能電路， 主要包括復位電路、穩壓電路、電源指示電路、通信電路、傳感器電路、繼電器控制電路等。

圖5 主板硬件電路PCB

3 空氣凈化器系統軟件設計

圖6 為空氣凈化器系統的軟件總體結構[7]。 硬件端實時監測當前空氣質量并通過MQTT 協議上傳將數據上傳到云服務器，服務器處理并下發數據到軟件客戶端顯示；同時， 客戶端可遠程操作系統， 當軟件端做出相應操作后，回傳數據到云服務器，服務器處理并發送數據到硬件端，主控接收數據并做出相應操作。

圖6 空氣凈化器系統軟件總體結構

遠程客戶端開發。遠程客戶端的開發包括網頁端、微信小程序端、Android APP，均可實現遠程控制凈化器。

本系統網頁端的開發框架使用Node-RED 框架，設定面板中的各個節點溫度、 濕度、PM2.5、PM10、 甲醛、CO2、風速、溫濕度警告、當前天氣、地圖等將它們連接在一起，構成一個“流”。 其頁面設計如圖7 所示。

圖7 網頁端主頁面

微信小程序數據庫共設計數據表6 個。 小程序的頁面見圖8，服務器傳來的數據被上傳到主界面，從而顯示當前的空氣質量。 并且在參數設置頁面可修改設定的閾值，見圖9。

圖8 微信小程序主頁面

圖9 參數設置頁面

針對Android 系統開發了手機APP，在設計和開發APP的整個過程中，創建了3 個主要的系統。 主界面見圖10。

圖10 APP 主頁面

4 實驗測試與結果分析

4.1 測試方法

根據適用于測試歐美標準凈化器的區域測試， 測試凈化器的適用面積要根據空氣在一小時內可過濾5 次的區域計算， 并且周期數通過按房間大小劃分空氣量來測量。 按照這個標準，采用示波器、萬用表、網絡測試工具、密閉透明罩、加熱片、加濕器、煙霧片、甲醛自測盒、分貝測試儀等測試儀器， 以一個60m2的空間作為測試地點，再讓10 個人進入這個空間。 此時需要對室外和室內的PM2.5 濃度和甲醛進行檢測作為對比數據。 在這個空間內放置并開啟空氣凈化器，在此期間的1h 內，每隔15min監測并記錄一次。一個小時后，數據記錄結束，測試完畢。空氣凈化器測試數據見表1。

由表1 數據對比得出，空氣凈化器在空間內運行后，PM2.5 的濃度和甲醛的濃度都有明顯的下降； 空氣質量由差變為優，凈化效果顯著。

表1 空氣凈化器測試數據

補充實驗1：利用加熱片、加濕器、煙霧片依次制造不同的場景污染，在空氣質量指數達到100 以上時，空氣凈化器出現預警警告。

4.2 測試結果分析

經過數據測試對比，空氣凈化器對室內空氣的凈化效率和潔凈空氣量均能滿足家庭空氣質量指數標準數值。

衡量空氣凈化器凈化效果的主要指標有CADR（Clean Air Delivery Rate，潔凈空氣輸出比率）和CCM（Cumulate Clean Mass，累計凈化量）。

據檢測數據得甲醛CADR 值高達400m3/h，CCM 值為F4 級別；而顆粒物CADR 達到756m3/h，CCM 為P4 級別。可以表明凈化器對于去除甲醛和顆粒物方面的凈化效率高，而且濾網使用時間長。

5 結束語

本文設計并實現了一種基于物聯網的智能空氣凈化器，該裝置采用空氣過濾系統與物聯網技術，配備負離子凈化裝置及活性炭飽和預警功能， 達到提醒更換濾網并實現凈化空氣的目的。通過空氣過濾系統、風機模組進行快速的空氣凈化，有效提升空氣的凈化效率，保證了室內空氣的質量。 同時設計了微信小程序、Android APP 以及網頁端，可實現遠程控制空氣凈化器。更具人性化的設計使用戶可以通過語音實現智能家居的控制， 給人們提供更好的智能家居體驗。