分布式自適應(yīng)空氣凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃海峰

（鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校 電氣與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212028）

近年來(lái)，隨著我國(guó)環(huán)境空氣污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，人們對(duì)自己所處環(huán)境的空氣質(zhì)量日益關(guān)注。2011 年，世界衛(wèi)生組織指出：室內(nèi)空氣已經(jīng)高出室外空氣污染5 ～10 倍，如空氣中懸浮的細(xì)菌、病毒、異味以及化學(xué)氣體等都會(huì)威脅到人體健康[1]。作為改善空氣質(zhì)量的有效產(chǎn)品，空氣凈化器成為不少家庭的標(biāo)配。目前，空氣凈化器系統(tǒng)往往采用集中控制方式，不能根據(jù)污染源產(chǎn)生的地點(diǎn)和污染程度選擇合適的凈化控制方案，造成凈化消耗功率高且不環(huán)保，同時(shí)缺乏遠(yuǎn)程監(jiān)控能力。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種分布式自適應(yīng)凈化系統(tǒng)，由服務(wù)器、通信網(wǎng)絡(luò)及若干的分布式凈化節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。每個(gè)凈化節(jié)點(diǎn)由凈化器和空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)組成，通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)通信。系統(tǒng)可以根據(jù)建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局，靈活拓展。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用3 層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分別為應(yīng)用控制層（計(jì)算機(jī)）、網(wǎng)絡(luò)傳輸層（結(jié)合實(shí)際使用，采用以太網(wǎng)通信模式）和分布式凈化節(jié)點(diǎn)層（分布式凈化節(jié)點(diǎn)）[2]。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

因?yàn)閷?shí)際建筑物內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)、空氣流通狀況非常復(fù)雜，往往難以正確描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，所以很難建立精確的控制模型。本系統(tǒng)模糊控制算法對(duì)分布式凈化節(jié)點(diǎn)采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并根據(jù)污染程度和污染位置選擇臨近的凈化器工作，精確控制分布節(jié)點(diǎn)的凈化機(jī)工作狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，遠(yuǎn)程組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)不斷統(tǒng)計(jì)分布節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)、工作時(shí)間及凈化效果，實(shí)時(shí)修改模糊規(guī)則庫(kù)，優(yōu)化系統(tǒng)控制效果，使之達(dá)到高效節(jié)能環(huán)保的目的。

2 自適應(yīng)控制算法設(shè)計(jì)

模糊控制的關(guān)鍵在于建立模糊規(guī)則庫(kù)。根據(jù)先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，可建立一個(gè)初始的模糊規(guī)則庫(kù)[3]。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行效果，實(shí)時(shí)修改模糊規(guī)則庫(kù)。

根據(jù)輸入（污染程度）分成無(wú)污染、輕、中等、重度等4 級(jí)，輸出（凈化機(jī)功率）分為不工作、弱、強(qiáng)、最強(qiáng)等4 級(jí)，模糊規(guī)則庫(kù)為4×n模糊控制矩陣，其中n為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。m(i,j)表示對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)輸出控制量。其中：i行下標(biāo)表示污染程度，i=1 對(duì)應(yīng)“無(wú)污染”，i=2 對(duì)應(yīng)“輕”，i=3 對(duì)應(yīng)“中”，i=4 對(duì)應(yīng)“重度”；j列下標(biāo)表示節(jié)點(diǎn)位置。

本文以空氣質(zhì)量指標(biāo)PM2.5為例，說(shuō)明自適應(yīng)模糊控制器的建立與調(diào)整過(guò)程。工作時(shí)，先由經(jīng)驗(yàn)（或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)）配置一個(gè)初始的模糊規(guī)則庫(kù)，然后每隔一段時(shí)間Δt檢測(cè)某節(jié)點(diǎn)PM2.5值，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻PM2.5(t)值與前一時(shí)刻PM2.5(t-1)值之差ΔPM2.5。如果ΔPM2.5為負(fù)，說(shuō)明m(i,j)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)輸出控制量適當(dāng)，凈化是有效果的，PM2.5在減少。如果ΔPM2.5為負(fù)值但絕對(duì)值很小，說(shuō)明凈化效果不理想，否則ΔPM2.5為正，PM2.5在增加，說(shuō)明m(i,j)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)輸出控制量偏小，凈化效果差，需要增加m(i,j)。如果單位時(shí)間ΔPM2.5下 降比較少，如ΔPM2.5/Δt＞-0.2（0.2 數(shù)值根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際工作需要設(shè)定），則m(i,j)=m(i,j)+Δm。具體流程如圖2 所示。

3 自適應(yīng)空氣凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

考慮到分布式凈化系統(tǒng)分布范圍廣，因此需要采用遠(yuǎn)程控制[4]。本系統(tǒng)控制器選擇臺(tái)達(dá)DVP12SE 作為控制器。采用單片機(jī)ATmega328 采集PM2.5空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)測(cè)試模型。監(jiān)控管理層系統(tǒng)組態(tài)畫(huà)面設(shè)計(jì)界面，如圖3 和圖4 所示。

3.1 分布式凈化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

每個(gè)分布在室內(nèi)各處的凈化節(jié)點(diǎn)由兩部分構(gòu)成[5]：一部分為空氣質(zhì)量采集系統(tǒng)，可以根據(jù)要求配置不同傳感器模塊，采集相應(yīng)的空氣質(zhì)量參數(shù)；另一部分為空氣凈化模塊（凈化機(jī)）。凈化機(jī)原理是利用機(jī)器內(nèi)的風(fēng)扇使室內(nèi)空氣循環(huán)流動(dòng)，其中污染的空氣通過(guò)空氣過(guò)濾器將各種污染物清除或吸附，然后被風(fēng)扇送出，達(dá)到清潔、凈化空氣的目的。所以，凈化機(jī)的控制可等效為風(fēng)扇電機(jī)控制。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

分布在各處的凈化節(jié)點(diǎn)把采集到的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)如PM2.5通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機(jī)、路由器）傳輸?shù)椒?wù)器。如圖5 所示，分布式自適應(yīng)空氣凈化系統(tǒng)的主要工作流程：PLC 控制器先通過(guò)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)配置初始模糊規(guī)則庫(kù)，對(duì)硬件模擬量模塊初始化；開(kāi)始工作讀取模擬量模塊各個(gè)通道輸入的電壓值，根據(jù)輸入通道與各個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系獲取污染分布區(qū)域，再根據(jù)讀取的電壓值轉(zhuǎn)換成PM2.5值，判斷污染程度；由污染節(jié)點(diǎn)（位置）和污染程度查模糊規(guī)則庫(kù)得到控制輸出量，控制相應(yīng)節(jié)點(diǎn)凈化機(jī)工作，并把運(yùn)行狀態(tài)傳輸給組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，延時(shí)合適時(shí)間后再進(jìn)行下一次測(cè)量[6-7]。

污染程度判斷[6-8]：當(dāng)屋內(nèi)空氣質(zhì)量PM2.5≤50 μg·m-3時(shí)，屋內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)生污染，凈化系統(tǒng)保持原始狀態(tài)；當(dāng)50 μg·m-3＜PM2.5≤250 μg·m-3時(shí)，空氣為輕度污染，有煙霧產(chǎn)生，PLC 接收到信號(hào)便開(kāi)始啟動(dòng)第一檔位的凈化器凈化功能效果；當(dāng)250 μg·m-3＜PM2.5≤450 μg·m-3時(shí)，空氣為中度污染，PLC接收到該信號(hào)開(kāi)始啟動(dòng)到第二檔位驅(qū)動(dòng)凈化功能效果；當(dāng)PM2.5＞450 μg·m-3時(shí)，空氣為中度污染，PLC 接收到該信號(hào)開(kāi)始啟動(dòng)到第三檔位驅(qū)動(dòng)凈化功能效果，此時(shí)的凈化器達(dá)到最大驅(qū)動(dòng)凈化功能[8]。

3.3 模擬凈化測(cè)試

以一套三居室住宅建筑模型為測(cè)試對(duì)象，在房間內(nèi)放置市場(chǎng)上的某空氣凈化產(chǎn)品和本文提出的自適應(yīng)空氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通入等速且等量的廢氣，檢測(cè)空氣中的PM2.5濃度，結(jié)果如圖6 所示。采用自適應(yīng)空氣凈化系統(tǒng)的PM2.5濃度含量下降較快，節(jié)約15 min 左右。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的分布式自適應(yīng)空氣凈化系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)和效果在于：一是可以隨時(shí)監(jiān)控不同區(qū)域位置污染狀態(tài)，實(shí)時(shí)控制鄰近凈化節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行有針對(duì)性的控制，有利于提高凈化效率，達(dá)到環(huán)保節(jié)能的目的；二是采用模糊控制方法，模糊規(guī)則能根據(jù)實(shí)際控制效果實(shí)時(shí)修改，使控制規(guī)律更符合實(shí)際情況，自適應(yīng)實(shí)際控制環(huán)境；三是系統(tǒng)擴(kuò)展方便，由于本系統(tǒng)采用分布式凈化節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)能夠比較方便地根據(jù)控制建筑物擴(kuò)展系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)凈化模擬測(cè)試，可以證明系統(tǒng)基本能夠達(dá)到節(jié)能高效的設(shè)計(jì)目的。