作者王堯¹，李艷²，唐梅³(1.南京富島信息工程有限公司，江蘇 南京 210032;2.三江學院電工電子實驗中心，江蘇 南京 210012)

摘要：隨著全球工業化的發展，空氣污染越發嚴重，這不僅會對人的身體健康產生傷害，還會間接影響人的精神健康。為解決室內空氣污染問題，本文設計了一款基于物聯網的空氣凈化系統。該系統主要由兩部分構成：空氣凈化器和移動應用軟件。空氣凈化器利用單片機一方面實時監測室內空氣質量，另一方面自動控制空氣加濕單元、凈化單元、設備聯動單元，同時通過板載Wi-Fi模塊連接物聯網平臺。手機應用軟件能遠程控制空氣凈化器，實現加濕、凈化空氣及溫控器聯動這三大主要功能，在享受萬物互聯便捷的同時有效改善室內空氣質量，提高了室內居住環境的舒適度。

關鍵詞：物聯網;空氣凈化器;空氣質量監測;Wi-Fi

0 引言

隨著時代的進步和科技的發展，工業在為人類創造巨大財富的同時，也把無數的廢氣和污染物排入大氣之中，目前空氣污染已成為全世界城市居民不得不面對的問題^[1-2]。室內作為城市居民主要的活動場所，其空氣質量備受關注^[3]。

為改善室內空氣質量，本文設計了一款基于STM32F103的空氣凈化器，使用等離子、負離子及過濾碳網對室內的空氣進行過濾、殺菌^[4]。同時，空氣凈化器與“互聯網+”的大平臺相結合，實現對室內凈化器的遠程控制，并提供加濕、聯動溫控器的功能，是一款結合物聯網的智能化空氣凈化器，可為城市居民提供更加便利、舒適的生活^[5-6]。

1 系統總體設計概述

1.1 硬件組成電路框圖

空氣凈化器主要由電源模塊、MCU控制單元、傳感器單元、空氣凈化單元、Wi-Fi模塊、紅外輸入模塊、聲光指示模塊、設備聯動模塊等幾個部分組成，其系統總體設計框圖如圖1所示：

1.2 系統工作原理及主要功能介紹

MCU主控單元首先讀取當前所有傳感器的值，室內PM2.5、CO2濃度、溫濕度、TVOC濃度等，然后經風機控制，等離子、負離子來凈化室內空氣。同時通過空氣凈化器溫濕度的設定值，控制加濕閥門和設備聯動的溫控器，從而達到恒濕恒溫的目的。此外主控單元還會將處理后的數據按照物聯網平臺的通信協議發送到物聯網平臺的服務器中，方便用戶通過手機客戶端實時查看室內傳感器的數據，了解當前室內的空氣質量。不僅如此，用戶還可以通過紅外遙控器對空氣凈化器進行直接控制或者通過Wi-Fi遠程的方式對空氣凈化器和系統聯動的設備進行控制，真正實現任意時間任意地點都能對家中室內的空氣質量進行監測和改善。

2 系統硬件電路設計

2.1 電源管理電路

本系統采用的是外部DC 12 V供電，在DC 12 V輸入后直接給等離子、負離子、風機這些負載供電，然后通過DC-DC變換將DC 12 V降為DC 5 V，為各類傳感器供電;最后再利用LDO將DC 5 V分兩路降為3.3 V，一路為主控單元及其外圍設備供電，一路為Wi-Fi模塊供電。具體電路如圖2所示。

2.2 MCU主控單元電路

STM32F103系列單片機微處理器構建于高性能的Cortex-M3(32位RISC)內核，是一種擁有高速處理能力的強大單片機，性價比卓越。默認工作主頻為72 MHz，其內置高速存儲器，擁有豐富的增強型I/O端口和外設。片內集成最高64 KB的RAM以及512 KB的ROM，同時支持JTAG和SWD兩種調試方式，具有兩個12位逐次逼近型的AD轉換器，最高分辨率為12位，4096級。最高具有11個定時器、4個16位定時器、2個看門狗定時器、1個系統滴答定時器。另外，它還具有2個IIC接口、5個USART接口、3個SPI接口、CAN接口、USB2.0接口等外設。具體如圖3所示。

2.3 設備聯動模塊電路

在與其他設備進行聯動時，系統采用RS485總線的物理通信接口與聯動的設備連接，通過差分的方式傳輸信號，通信穩定、不易受外界干擾，并采用現場工業總線標準Modbus Rtu協議與聯動的設備進行通信交互。具體電路如圖4所示。

2.4 傳感器及凈化單元電路

MCU主控單元通過I2C、串口、AD等外設接口讀取傳感器的數據;凈化單元模塊有等離子、負離子、新風風機、出風風機組成，風機使用PWM進行調速實現四檔風速的調節;使用物聯網平臺涂鴉智能平臺提供的Wi-Fi模組，以實現與涂鴉智能云平臺的連接。通過加濕閥與加濕電機可實現室內恒濕的控制。具體如圖5所示。

2.5 紅外及聲光指示單元電路

MCU主控單元通過級聯2個74HC595來控制多個雙色LED及蜂鳴器，節約了MCU中GPIO的資源，降低了成本;同時具有紅外接收管，其在異常情況下，可使用本地的紅外遙控器對系統進行控制。具體電路如圖6所示。

3 系統軟件設計

本次系統程序采用C語言編寫，程序編寫使用模塊化和層次化的設計方法，達到高內聚低耦合的標準，提高各模塊的獨立性，方便開發人員的調試和維護。程序功能模塊包括程序初始化模塊、Wi-Fi數據處理模塊、紅外遙控命令解析模塊、傳感器數據采集模塊、聯動設備控制模塊、加濕模塊、定時模塊、濾網使用壽命模塊和系統模式控制模塊，在主函數中調用各個模塊的接口，按照既定的控制邏輯，實現空氣凈化、加濕與遠程查看和控制的功能。系統主程序流程圖如圖7所示。

4 實現功能

本系統由空氣凈化器和手機應用軟件兩大部分構成，使用Wi-Fi連接互聯網，實現空氣凈化器與物聯網平臺后臺的連接，手機客戶端也通過網絡與物聯網平臺連接，可遠程實時查看狀態，并實現對空氣凈化器的控制，主要實現功能如下：

①遠程查看室內空氣質量及控制空氣凈化器，方便快捷;

②過濾空氣中大部分的顆粒物，改善居住的空氣環境;

③等離子和負離子殺除空氣中大部分對人體有害的細菌，減少生病的幾率;

④為室內提供足夠的水分，為人們提供更加舒適的氣候條件;

⑤可以協同溫度控制器一起工作，在空氣凈化器智能化后，將溫度控制器也加入物聯網中，提高了人們對室內小家電的科技感，更加方便人們的生活。

5 結論

本系統設計的基于物聯網的空氣凈化器，經過測試可實現設計之初的所有功能，且可以長期穩定運行。該空氣凈化器在可以凈化空氣的同時，還提供了加濕和設備聯動的功能，能有效的改善室內居住環境的空氣質量，提高生活環境的舒適度，提升人們的幸福指數。

參考文獻

[1]姚佳,張自嘉,朱莉.智能室內空氣凈化系統設計[J].電子器件, 2015(1):203-208.

[2]湯云峰.空氣凈化器智能化系統的設計與實現[D].東南大學, 2015.

[3]房金寶,韓宇光,張賢益,等.智能空氣凈化器的設計與開發[J].科技創新與應用,2017(3):66.

[4]趙雷,周中平,葛偉,等.室內空氣凈化器及其應用前景[J]. 環境與可持續發展,2006(1):4-7.

[5]Contini D, Gambaro A, Belosi F, et al. The direct influence of ship traffic on atmospheric PM2.5, PM10 and PAH in Venice.[J].Journal of Environmental Management, 2011, 92(9):2119-2129.

[6]Wang X, Wei P, Zhang Y, et al. System Software Design of Air Purifier Based on Internet of Things Technology[J]. Journal of Anhui Polytechnic University, 2018.

本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第2期第42頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處

關鍵詞： 物聯網 空氣凈化器 空氣質量監測 Wi-Fi 201902