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(2月刊)基于物联网的空气净化器设计

木马童年 2019-2-13 12:40 18 0

作者 王尧1,李艳2,唐梅3(1.南京富岛信息工程有限公司,江苏 南京 210032;2.三江学院电工电子实验中心,江苏 南京 210012) 摘要:随着全球工业化的发展,空气污染越发严重,这不仅会对人的身体健康产生伤害,还会间 ...

作者 王尧1,李艳2,唐梅3(1.南京富岛信息工程有限公司,江苏 南京 210032;2.三江学院电工电子实验中心,江苏 南京 210012)

摘要:随着全球工业化的发展,空气污染越发严重,这不仅会对人的身体健康产生伤害,还会间接影响人的精神健康。为解决室内空气污染问题,本文设计了一款基于物联网的空气净化系统。该系统主要由两部分构成:空气净化器和移动应用软件。空气净化器利用单片机一方面实时监测室内空气质量,另一方面自动控制空气加湿单元、净化单元、设备联动单元,同时通过板载Wi-Fi模块连接物联网平台。手机应用软件能远程控制空气净化器,实现加湿、净化空气及温控器联动这三大主要功能,在享受万物互联便捷的同时有效改善室内空气质量,提高了室内居住环境的舒适度。

关键词:物联网;空气净化器;空气质量监测;Wi-Fi

0 引言

随着时代的进步和科技的发展,工业在为人类创造巨大财富的同时,也把无数的废气和污染物排入大气之中,目前空气污染已成为全世界城市居民不得不面对的问题[1-2]。室内作为城市居民主要的活动场所,其空气质量备受关注[3]

为改善室内空气质量,本文设计了一款基于STM32F103的空气净化器,使用等离子、负离子及过滤碳网对室内的空气进行过滤、杀菌[4]。同时,空气净化器与“互联网+”的大平台相结合,实现对室内净化器的远程控制,并提供加湿、联动温控器的功能,是一款结合物联网的智能化空气净化器,可为城市居民提供更加便利、舒适的生活[5-6]

1 系统总体设计概述

1.1 硬件组成电路框图

空气净化器主要由电源模块、MCU控制单元、传感器单元、空气净化单元、Wi-Fi模块、红外输入模块、声光指示模块、设备联动模块等几个部分组成,其系统总体设计框图如图1所示:

(2月刊)基于物联网的空气净化器设计

1.2 系统工作原理及主要功能介绍

MCU主控单元首先读取当前所有传感器的值,室内PM2.5、CO2浓度、温湿度、TVOC浓度等,然后经风机控制,等离子、负离子来净化室内空气。同时通过空气净化器温湿度的设定值,控制加湿阀门和设备联动的温控器,从而达到恒湿恒温的目的。此外主控单元还会将处理后的数据按照物联网平台的通信协议发送到物联网平台的服务器中,方便用户通过手机客户端实时查看室内传感器的数据,了解当前室内的空气质量。不仅如此,用户还可以通过红外遥控器对空气净化器进行直接控制或者通过Wi-Fi远程的方式对空气净化器和系统联动的设备进行控制,真正实现任意时间任意地点都能对家中室内的空气质量进行监测和改善。

2 系统硬件电路设计

2.1 电源管理电路

本系统采用的是外部DC 12 V供电,在DC 12 V输入后直接给等离子、负离子、风机这些负载供电,然后通过DC-DC变换将DC 12 V降为DC 5 V,为各类传感器供电;最后再利用LDO将DC 5 V分两路降为3.3 V,一路为主控单元及其外围设备供电,一路为Wi-Fi模块供电。具体电路如图2所示。

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2.2 MCU主控单元电路

STM32F103系列单片机微处理器构建于高性能的Cortex-M3(32位RISC)内核,是一种拥有高速处理能力的强大单片机,性价比卓越。默认工作主频为72 MHz,其内置高速存储器,拥有丰富的增强型I/O端口和外设。片内集成最高64 KB的RAM以及512 KB的ROM,同时支持JTAG和SWD两种调试方式,具有两个12位逐次逼近型的AD转换器,最高分辨率为12位,4096级。最高具有11个定时器、4个16位定时器、2个看门狗定时器、1个系统滴答定时器。另外,它还具有2个IIC接口、5个USART接口、3个SPI接口、CAN接口、USB2.0接口等外设。具体如图3所示。

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2.3 设备联动模块电路

在与其他设备进行联动时,系统采用RS485总线的物理通信接口与联动的设备连接,通过差分的方式传输信号,通信稳定、不易受外界干扰,并采用现场工业总线标准Modbus Rtu协议与联动的设备进行通信交互。具体电路如图4所示。

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2.4 传感器及净化单元电路

MCU主控单元通过I2C、串口、AD等外设接口读取传感器的数据;净化单元模块有等离子、负离子、新风风机、出风风机组成,风机使用PWM进行调速实现四档风速的调节;使用物联网平台涂鸦智能平台提供的Wi-Fi模组,以实现与涂鸦智能云平台的连接。通过加湿阀与加湿电机可实现室内恒湿的控制。具体如图5所示。

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2.5 红外及声光指示单元电路

MCU主控单元通过级联2个74HC595来控制多个双色LED及蜂鸣器,节约了MCU中GPIO的资源,降低了成本;同时具有红外接收管,其在异常情况下,可使用本地的红外遥控器对系统进行控制。具体电路如图6所示。

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3 系统软件设计

本次系统程序采用C语言编写,程序编写使用模块化和层次化的设计方法,达到高内聚低耦合的标准,提高各模块的独立性,方便开发人员的调试和维护。程序功能模块包括程序初始化模块、Wi-Fi数据处理模块、红外遥控命令解析模块、传感器数据采集模块、联动设备控制模块、加湿模块、定时模块、滤网使用寿命模块和系统模式控制模块,在主函数中调用各个模块的接口,按照既定的控制逻辑,实现空气净化、加湿与远程查看和控制的功能。系统主程序流程图如图7所示。

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4 实现功能

本系统由空气净化器和手机应用软件两大部分构成,使用Wi-Fi连接互联网,实现空气净化器与物联网平台后台的连接,手机客户端也通过网络与物联网平台连接,可远程实时查看状态,并实现对空气净化器的控制,主要实现功能如下:

①远程查看室内空气质量及控制空气净化器,方便快捷;

②过滤空气中大部分的颗粒物,改善居住的空气环境;

③等离子和负离子杀除空气中大部分对人体有害的细菌,减少生病的几率;

④为室内提供足够的水分,为人们提供更加舒适的气候条件;

⑤可以协同温度控制器一起工作,在空气净化器智能化后,将温度控制器也加入物联网中,提高了人们对室内小家电的科技感,更加方便人们的生活。

5 结论

本系统设计的基于物联网的空气净化器,经过测试可实现设计之初的所有功能,且可以长期稳定运行。该空气净化器在可以净化空气的同时,还提供了加湿和设备联动的功能,能有效的改善室内居住环境的空气质量,提高生活环境的舒适度,提升人们的幸福指数。

参考文献

[1]姚佳,张自嘉,朱莉.智能室内空气净化系统设计[J].电子器件, 2015(1):203-208.

[2]汤云峰.空气净化器智能化系统的设计与实现[D].东南大学, 2015.

[3]房金宝,韩宇光,张贤益,等.智能空气净化器的设计与开发[J].科技创新与应用,2017(3):66.

[4]赵雷,周中平,葛伟,等.室内空气净化器及其应用前景[J]. 环境与可持续发展,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.

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第2期第42页,欢迎您写论文时引用,并注明出处

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