周磊?何旭東?梅春雷

摘 要：為了改善目前日益嚴峻的室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量，通過智能控制新風與空調(diào)聯(lián)動為突破口，結合紅外探測技術、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、空氣凈化技術等集成一套室內(nèi)空氣質(zhì)量智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)集中收集室內(nèi)空氣各指標參數(shù)，通過智能云端控制策略自動遠程控制空調(diào)、新風、空氣凈化模塊的啟停和換擋，系統(tǒng)在優(yōu)化室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量的同時大大提高了空調(diào)和新風的運行效率，具有提高室內(nèi)舒適度與節(jié)能雙重作用。

基金支持：重慶市應用開發(fā)計劃項目（cstc2013yykfA0082）

1.引言

現(xiàn)代建筑為了提高房屋的保溫性能與安全性，密封化程度越來越高門窗可開啟面積越來越小室外自然風無法進入室內(nèi)，造成室內(nèi)的空氣不流通、熱量積聚和細菌滋生；加之裝飾材料、家具、家用電器、清潔劑等不斷釋放的揮發(fā)性有機物VOC，室內(nèi)空氣污染程度常常比室外空氣污染嚴重2～3倍，在某些情況下，甚至可達100多倍。在室內(nèi)可檢測出約300多種污染物。越來越嚴峻的室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量嚴重影響了人體健康。相關調(diào)查數(shù)據(jù)顯示人體68%的疾病都與室內(nèi)空氣污染有關。傳統(tǒng)關窗開空調(diào)的做法解決了室內(nèi)溫濕度失衡的問題，但仍不能有效降低室內(nèi)空氣的污染物濃度、細菌濃度和CO2濃度。為了解決上述問題通常人們采用在空調(diào)使用過程中打開門窗，實現(xiàn)通風。這一普遍采用的空調(diào)采暖季節(jié)通風方式不僅極大的增加空調(diào)的負荷，加重能源的損耗，而且在很多場合難以應用，例如：當室外噪聲嚴重時，開窗通風換氣會引來噪聲污染；當室外風沙、灰塵較大時，開窗會破壞原本清潔的室內(nèi)環(huán)境；晚上或者人少的時候，開窗會帶來一些安全隱患。

2. 開發(fā)室內(nèi)空氣質(zhì)量智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)包括軟件和硬件兩部分。硬件部分由人員活動探測器、空氣品質(zhì)傳感器、無線控制模塊組成。軟件部分為空氣質(zhì)量云端管理平臺，平臺可運行在用戶的手機或PC上，整套系統(tǒng)的軟硬件通過用戶的家庭局域網(wǎng)連接起來，系統(tǒng)各部件間通過網(wǎng)絡進行實時信息交換。

2.2 部件的功能說明

人員活動探測器負責探測房間的人員進出和滯留情況，其工作原理是由于人在探測器覆蓋區(qū)域內(nèi)移動引起接收到的紅外輻射變化而產(chǎn)生感應信號，空氣品質(zhì)傳感器負責探測室內(nèi)的通風換氣情況與污染物濃度，無線控制模塊負責實施對終端設備調(diào)控命令，空氣質(zhì)量云端管理平臺負責接收處理傳感器傳遞來的數(shù)據(jù)并對無線控制模塊下達調(diào)控命令。

2.3 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)通過布置于各房間的人員活動探測器探測房間的人員活動情況，當檢測到人員進入并滯留后，云端管理平臺啟動對空氣品質(zhì)傳感器數(shù)據(jù)的分析服務，平臺根據(jù)用戶預先設定理想?yún)?shù)范圍對接收到空氣指標參數(shù)進行評估，根據(jù)評估結果匹配相應的控制策略，控制策略轉化為數(shù)字信號后傳輸至空調(diào)、新風、空氣凈化器的無線控制端，由無線控制端控制控制三者的聯(lián)動啟停，從而達到了智能控制的目的。

2.4 硬件設計

（1）人員活動探測器

傳感器部分：在入戶過道順次安裝兩個傳感器A、B，每當有人順序通過AB或BA時，通過光敏二極管及配套元件將光信號轉化為電信號傳給整個電路，使電路開始工作。

觸發(fā)其部分：利用JK觸發(fā)器，將人通過入戶過道的電信號轉化為CP脈沖，從而驅(qū)動進入人員計數(shù)器、出去人員計數(shù)器及逗留人員計數(shù)器等其他部分工作。

計數(shù)器部分：將計數(shù)器分為兩部分，一個是同步加法計數(shù)器74LS160N，對進入及出去人員分別進行統(tǒng)計。一個是可逆計數(shù)器74LS192D，將進出人員信號分別輸入到計數(shù)器中，通過計算得出逗留人員數(shù)目。

（2）無線控制模塊

基于無線網(wǎng)絡的控制模塊結構如圖所示，整個網(wǎng)絡由無線網(wǎng)絡節(jié)點群、網(wǎng)關和監(jiān)控中端構成。通過網(wǎng)關與各無線網(wǎng)絡節(jié)點通信，進行數(shù)據(jù)采集、顯示，也可根據(jù)需要對網(wǎng)絡節(jié)點進行參數(shù)設置和控制等。網(wǎng)關完成RS-232接口到無線接口之間的轉換。無線網(wǎng)絡節(jié)點主要完成中段設備運行參數(shù)的采集，根據(jù)監(jiān)控主機的指令通過紅外遙控方式控制終端設備的運行，并通過無線網(wǎng)絡完成與監(jiān)控主機的通信

2.5 軟件設計

由于系統(tǒng)本身數(shù)據(jù)轉發(fā)多、傳輸數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率低的特點；又由于IEEE802.15.4本身支持多跳和端到端的通信方式提供設備級無線連接，為保證網(wǎng)絡通信暢通和低能量消耗，提高節(jié)點的生存能力，因此本系統(tǒng)采用基于IEEE802.15.4的通信協(xié)議體系結構在本系統(tǒng)應用中，PHY層為最底層，由射頻收發(fā)器及底層的控制模塊組成，主要功能信道能量檢測（ED），信道接受數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量檢測指示（LQI），空閑信道評估（CCA）；MAC層為第二層，采用載波監(jiān)聽多址沖突退避（CSMA-CA）機制，支持網(wǎng)絡關聯(lián)和取消關聯(lián)操作以及時槽保障（GTS）機制，用來確保周期性和非周期性數(shù)據(jù)轉發(fā)。SSCS（特點服務匯聚子層）提供確實的數(shù)據(jù)傳輸和LLC（邏輯鏈路子層）管理數(shù)據(jù)鏈路通信；網(wǎng)絡層主要為系統(tǒng)多跳通信提供可靠的路由通信鏈路。

3.結語

系統(tǒng)根據(jù)收集到室內(nèi)空氣指標參數(shù)，量化的配置了控制調(diào)節(jié)方案，有效地減少了空調(diào)與新風的運行能耗，通過智能控制空調(diào)與新風的運行參數(shù)，確保其工作在人體所需的健康環(huán)境之中，有利于人體的健康。在優(yōu)化室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量的同時大大提高了空調(diào)和新風的運行效率，具有科學降低能耗和進化室內(nèi)空氣的雙重意義。