室内空气监测净化系统设计

廖伟++叶应龙++张宇生++王康泰

摘 要：智能家居是目前物联网技术的重要应用途径之一，近几年发展非常迅猛。基于物联网技术设计了一款室内空气检测净化系统。该系统主要由监测端主机、监测端从机、净化端和上位机组成。监测端主机通过2.4 G无线方式和多个监测端从机通信，接收气体成分的浓度并在人机交互界面显示。监测端从机提供4个不同的空气传感器接口，用户可根据不同的房间选择不同的组合。净化端起到净化空气的作用，具有净化PM2.5，降解甲醛和苯，产生负氧离子，吸收异味等功能。上位机由手机App和电脑客户端组成，可以通过手机及电脑获取室内空气的状况。

关键词：物联网；智能家居；空气净化；2.4 G

中图分类号：TN108+.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

近年来室内空气污染物的来源和种类不断增多， 室内环境质量日益恶劣，对人体健康影响较大，目前已引起人们的广泛关注并成为研究热点。调查表明，人有80%以上的时间是在室内度过的，室内环境污染对人们的身体健康和生活工作质量带来了直接影响。市场上的净化器只起到净化效果，且其检测及净化装置为一个整体，效果差强人意。本系统采用分立式设计，净化范围广、安装便捷，不仅能净化空气，还具有防火、防泄漏、报警等功能，可消除室内安全隐患[1]。

1 系统设计

本系统主要由监测端主机（1个）、监测端从机（多个）、净化端（多个）和上位机（电脑客户端和手机App）组成，由这4部分构成完整的网络，作为智能家居的组成部分[2]。

1.1 监测端主机

监测端主机是系统的核心单元，是系统的控制中心和数据处理中心。它采用TFT屏进行人机交互，用户可以查看各个房间的温湿度及气体浓度，当室内空气污浊时自动开启净化端净化空气，若室内有害气体或甲烷浓度高于100 ppm时，认为室内空气危险，启动声光报警。同时配备WiFi模块和蓝牙模块分别用于连接电脑客户机和手机App。监测端主机与从机通过2.4 G模块通信，从机把温湿度以及气体浓度信息传送给主机。

1.2 监测端从机

监测端从机主要负责空气信息的采集，包含气体温湿度、PM2.5、CO2、CO、甲烷等。不同的从机可以携带不同的传感器，每个从机可以同时携带1～5个不同的气体传感器。

1.3 净化端

净化端主要起净化空气的作用。可以净化PM2.5，降解甲醛和苯，产生负氧离子，吸收异味[3]。

1.4 上位机

上位机部分主要由PC端客户机和手机App组成，PC端通过WiFi和监测端主机连接，手机通过蓝牙方式连接。通过WiFi或者蓝牙可以在电脑客户端或者手机App上实时观察室内的空气情况，并将7天内的信息绘制成曲线，给出合理建议。系统框图如图1所示。

2 系统实现

2.1 硬件方案

监测端主机采用功能强大的STM32F407ZET6作为主控芯片[4，5]，主频高达168 MHz，拥有丰富的外设模块，可以满足无线收发以及彩屏控制等功能的需要。采用nRF24L01芯片作为无线传输芯片，该芯片通过SPI接口和主控相连。与手机App通信时采用蓝牙方式，所以使用CC2540芯片作为蓝牙传输芯片与手机App进行通信，它通过串口和主控相连，数据传输非常方便。采用WiFi的方式与电脑客户端连接，将ESP8266芯片作为蓝牙传输芯片，当电脑连接上该芯片发射出的WiFi信号后便可与电脑客户端进行通信[6]。ESP8266芯片同样也通过串口与主控相连，配置一块分辨率为320×240的彩色触摸屏进行人机交互。采用5 V开关电源[7]供电为常用供电方式，锂电池为备用供电方式。锂电池充电采用TP4056芯片，其充电电路如图2所示。

考虑到监测端从机功能较为单一，所以采用引脚较少、主频较低的STM32 F103C8T6为主控芯片。与主机一样，无线传输采用nRF24L01芯片和主机进行通信。由AM2321温湿度模块测量室内温湿度，该芯片比较灵敏、准确，对温度的分辨率可达到0.1℃，精度为±0.5℃，它通过I2C总线和主控进行通信。提供4种气体传感器的接口，分别为检测PM2.5的SDS011传感器接口、检测CO2的MH-Z14传感器接口、检测甲烷的MQ-2传感器接口和检测CO气体的MQ-7传感器接口。其中SDS011通过读取数据口的高电平比例来计算PM2.5的浓度，其他气体传感器均采用ADC转换的方式读取气体浓度。供电采用12 V开关电源和锂电池混合供电的方式，开关电源为常用供电方式，锂电池为备用供电方式[8]，当停电时立即开启锂电池供电。

净化端内部主要由风扇、过滤网、负氧离子发生器组成。其中负氧离子发生器和风扇由监测端从机控制，负氧离子发生器由紫外灯板组成，紫外灯照射空气后可以产生大量负氧离子，使空气更加清新。过滤网由光触媒滤网、HEPA滤网、活性炭滤网组成，空气经过过滤网后不仅可以降解苯、甲苯等有害分子，还可以吸附PM2.5，吸收异味。当监测端主机检测到空气污浊时，控制风扇和紫外灯板净化空气。

2.2 软件方案

系统共使用4个2.4 G无线模块，模块初始状态均配置为接收方式，每个无线模块拥有不同的地址，依次为0x01到0x04。当某个模块需要发送数据时先配置发送方式，将接收地址和需要发送的数据写入数据包中后开启发送，数据包发送成功后会收到接收方的应答信号，可以根据应答信号的有无判断数据包是否发送成功。如果发送成功则重新切换成接收状态，如果发送失败则重新发送，连续5次发送失败后放弃发送。2.4 G网络数据包格式如表1所列[9]。

WiFi模块、蓝牙模块分别和电脑、手机建立连接后可直接使用发送函数发送数据。

监测端从机每分钟采集10次空气成分信息，经处理后发送到监测端主机。由于测量数据易受环境影响，会产生粗大误差，所以在10次测量结果中剔除粗大误差后取平均值作为当前空气浓度的真实值。剔除粗大误差采用格拉布斯准则：当某测量值Ui的残差的绝对值|Vi|>G时，则剔除Ui，其中G值与测量次数和置信概率有关[10]，为数据的标准差。

监测端主机首先接收空气成分数据，在TFT屏上显示，若与电脑或手机建立连接则将数据发送到电脑或者手机。当空气污浊（CO2浓度大于500 ppm、PM2.5浓度大于25 g/m3）时，发送净化指令到监测端从机，从机控制净化端净化空气。当有害气体浓度超过正常值时，开启声光警报，同时发送净化指令。监测端主机程序框图如图3所示。

3 系统测试

为检测2.4 G网络能否通信，可通过编程让4个监测端从机每秒发送20个字节的数据，在主机的TFT屏上实时显示接收到的数据，用以验证结果是否达到了预期要求。

为检测系统的净化能力以及测量的准确度，特地购置了阿格瑞斯公司型号为WP6120的PM2.5检测仪。在生活中，PM2.5的来源主要是厨房里的油烟，所以实验地点选择在厨房，将WP6120检测仪和本系统放置于同一地点并产生一定的油烟，记录两者的数据并绘制成如图4所示的净化效果图。

由测量结果可知，本系统的误差在±1 g/m3范围内，对PM2.5的滤除非常有效，整体上达到了设计要求。

4 结 语

本系统实现了空气检测及净化和可燃气体泄漏报警的功能。同时和物联网技术结合在一起，符合当今技术发展的方向。系统具有电脑客户端和手机App，TFT彩色屏等人机交互界面，非常人性化。系统具有很强的实用性，大大提高了人们的生活质量，可广泛应用于家庭、医疗系统、行政机关、企事业单位等场所。

参考文献

[1]石芳芳，邱利民，于川，等.室内空气净化技术及产品综述[J].制冷学报，2014（5）：14-18.

[2]周婷婷，尚浩.基于2.4G的智能家居控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2012，12（10）：67-69.

[3]苏美先.空气净化器的研究和设计[D].广州：广州工业大学，2014.

[4]STMicroelectronics Ltd. Cortex-M4 programming manual： STM32F4xxx[S]. 2014.

[5]刘军，张洋，严汉宇.原子教你玩STM32[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

[6]王平，李向坪，严冬，等.2.4 GHz物联网开发平台的设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2012，24（3）：160-163.

[7]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[8]骆磊.低功耗锂电池保护电路的设计[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[9]董立，尤枫，赵恒永.用户定制的数据帧处理技术[J].计算机工程与设计，2007，28（12）：3003-3005.

[10]罗志增，薛凌云，席旭刚，等.测试技术与传感器[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.