文桂龍， 宋開(kāi)新

(杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310018)

基于Android的靜電式智能空氣凈化器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文桂龍， 宋開(kāi)新

(杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310018)

設(shè)計(jì)了一種集紅外遙控和Android手機(jī)控制為一體、以STM32單片機(jī)為控制核心、運(yùn)用多種傳感器采用信息融合算法智能檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境的空氣凈化系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)液晶顯示器和手機(jī)客戶端實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)?？梢愿鶕?jù)顯示的數(shù)據(jù)手動(dòng)或自動(dòng)控制凈化器執(zhí)行不同的動(dòng)作，主要通過(guò)高壓靜電裝置對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行凈化，且首次采用濕度控制高壓電的大小避免打火。該系統(tǒng)同時(shí)具有環(huán)境監(jiān)測(cè)和空氣凈化功能，實(shí)驗(yàn)證明:該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠滿足日常需求。

空氣凈化； Android； WiFi； 靜電； 傳感器

0 引 言

隨著電子、通信、自動(dòng)控制等技術(shù)的快速發(fā)展及人們物質(zhì)精神生活的提高，家用電器的智能化控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制已經(jīng)成為一種大趨勢(shì)。伴隨智能手機(jī)的迅速普及，基于Android平臺(tái)的智能控制在電器控制中扮演了重要角色。工業(yè)化水平提高的同時(shí)，也給環(huán)境造成很大破壞，環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重[1]。尤其是室內(nèi)空氣污染對(duì)人體健康有嚴(yán)重影響，改善室內(nèi)空氣環(huán)境成為一種迫切需求。人們采取措施凈化空氣，但效果往往不理想。

國(guó)內(nèi)外利用靜電技術(shù)除塵的研究較多，但大多都及種在工業(yè)方面。本文設(shè)計(jì)了一種基于Android無(wú)線控制的高效家用靜電式智能空氣凈化設(shè)備。以STM32F103RCT6為控制核心，通過(guò)傳感器模塊對(duì)室內(nèi)空氣數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在自動(dòng)模式下利用過(guò)濾網(wǎng)、紫外燈和靜電技術(shù)對(duì)空氣進(jìn)行凈化。手動(dòng)模式下可以對(duì)各模塊進(jìn)行設(shè)置，結(jié)合紅外遙控和Android設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣凈化器的智能控制，還預(yù)設(shè)有睡眠模式工作在低噪聲、低功耗下，高速模式針對(duì)空氣質(zhì)量差的情況，快速凈化空氣，極大提高了用戶感受。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

空氣凈化器系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig 1 The system architecture diagram

凈化器工作原理如圖2所示。

圖2 空氣凈化器工作原理圖Fig 2 Working principle of air purifier

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主控芯片選用意法半導(dǎo)體的32位基于ARM核

心微控制器STM32F103RCT6。硬件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Overall architecture diagram of system hardware

2.1 傳感器模塊電路

該模塊主要負(fù)責(zé)室內(nèi)環(huán)境的檢測(cè)，包括三個(gè)子模塊分別為：溫濕度傳感器模塊、灰塵傳感器模塊及空氣質(zhì)量傳感器模塊。

數(shù)字溫濕度傳感器DHT11采用單總線式溫度傳感探頭，包括一只電阻式感濕元件和一只NTC測(cè)溫元件，并與STM32 的PA0腳相連接如圖4所示。

圖4 傳感器模塊電路Fig 4 Sensor module circuit

灰塵傳感器SM—PWM—01A可以感知如香煙、粉塵、孢子等。傳感器采用粒子計(jì)數(shù)原理,模塊內(nèi)設(shè)置加熱器，加熱使氣流上升，外部空氣進(jìn)入模塊內(nèi)部，如有粉塵等粒子通過(guò)時(shí)，阻斷LED光源，光電檢測(cè)器檢測(cè)不到光源，則低電位輸出；如無(wú)粒子通過(guò)，則高電位輸出，形成PMW信號(hào)經(jīng)放大輸出。傳感器的低脈沖率與粉塵粒子數(shù)成線性關(guān)系。只要計(jì)算低脈沖率，參照特性曲線即可得到檢測(cè)粒子數(shù)，進(jìn)而算出PM2.5的參數(shù)[2]。

MQ135傳感器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)氨氣、硫化物、苯系蒸汽及煙霧和其它有害氣體監(jiān)測(cè)，在清潔空氣中電導(dǎo)率低，當(dāng)環(huán)境中存在污染氣體時(shí)，電導(dǎo)率隨污染氣體濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)[3]。其電路連接如圖4所示。

本系統(tǒng)采集溫濕度、粉塵、氣體傳感器的信號(hào)，采用信息融合算法充分利用不同時(shí)間和空間的多傳感器數(shù)據(jù)資源，在一定的算法下進(jìn)行分析、支配、使用和綜合，并對(duì)空氣質(zhì)量的評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果制定相應(yīng)的控制策略(如調(diào)節(jié)風(fēng)速、凈化裝置控制等)。通過(guò)信息融合技術(shù)，更精確地判斷空氣質(zhì)量，提高控制系統(tǒng)的性能[1]。

2.2 紫外燈、靜電和風(fēng)扇調(diào)速控制模塊

此模塊是整個(gè)系統(tǒng)凈化功能的重要部分，風(fēng)扇使室內(nèi)空氣流動(dòng)，流經(jīng)凈化器的空氣通過(guò)靜電裝置和紫外燈除塵殺菌。根據(jù)需求風(fēng)速設(shè)置4個(gè)等級(jí)，通過(guò)芯片TA8428K控制,IN1腳接STM32的PA6腳，利用其復(fù)用功能產(chǎn)生PWM波，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)速。紫外燈和靜電裝置電源都為220V交流電，所以控制電路相同如圖5所示，采用繼電器控制通斷。為防止控制部分受干擾，繼電器與STM32之間加了光耦。

圖5 紫外燈、靜電和風(fēng)扇調(diào)速控制電路Fig 5 UV lamp,electrostatic and fan speed control circuit

2.3 高壓控制模塊

高壓控制在凈化器運(yùn)行中起至關(guān)重要的作用，由于空氣擊穿電壓受濕度影響，為保證正常運(yùn)行設(shè)計(jì)了基于濕度變化的高壓發(fā)生器。

高壓發(fā)生器輸入電壓為180～240 V，輸入電流最大70 mA,額定功率15W,有兩路輸出最高值分別5，12 kV。通過(guò)MCU對(duì)濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，依據(jù)不同濕度對(duì)應(yīng)的電壓經(jīng)過(guò)數(shù)字電位器X9241反饋調(diào)節(jié)LM2596的FB端，達(dá)到控制輸出電壓的目的[4]。高壓控制電路如圖6所示，P1為MCU與高壓電路相連的I2C接口，P7為AC180～240V轉(zhuǎn)為恒定DC15V的接口，P2接高壓發(fā)生部分，由濕度控制其在1.23～15 V范圍內(nèi)變化，高壓輸出隨之可在300 V～12 kV之間變化。

圖6 高壓控制電路Fig 6 High voltage control circuit

2.4 LCD顯示模塊

設(shè)計(jì)采用LCD12864帶字庫(kù)的漢字圖形型液晶顯示器，它與MCU有8位并行和串行兩種連接方式，為了節(jié)省IO資源，本系統(tǒng)采用串行連接，MCU的PA1,PA2,PA3口分別于CS,SID,SCLK相連接。為了提高LCD顯示效果，能將全部信息在一個(gè)頁(yè)面展現(xiàn)，不采用自帶字庫(kù)而是通過(guò)取模軟件制作較小的中文字庫(kù)。最終，LCD顯示狀態(tài)如圖7所示[5]。

圖7 LCD顯示界面Fig 7 Interface of LCD display

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：MCU控制程序和Android客戶端。

3.1 MCU控制程序設(shè)計(jì)

凈化器上電后，程序開(kāi)始執(zhí)行，首先進(jìn)行參數(shù)的初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)，讀取傳感器信息量，將信息在LCD上顯示，并更新?tīng)顟B(tài)。主程序接著對(duì)按鍵進(jìn)行掃描，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)6個(gè)獨(dú)立功能鍵，實(shí)現(xiàn)電源開(kāi)關(guān)、風(fēng)速調(diào)節(jié)、模式選擇、紫外燈開(kāi)關(guān)、定時(shí)以及濾網(wǎng)計(jì)時(shí)復(fù)位功能。在手動(dòng)模式下如果有按鍵按下，程序會(huì)處理相應(yīng)的按鍵子程序，改變凈化器工作狀態(tài)。其中，紅外遙控信息是以中斷的形式切入到主程序中，同樣通過(guò)不同的鍵執(zhí)行不同的動(dòng)作。Android客戶端控制信號(hào)通過(guò)串口傳送，根據(jù)收到的信號(hào)來(lái)動(dòng)作。在自動(dòng)模式下，風(fēng)速及其它模塊的工作狀態(tài)由傳感器采集數(shù)據(jù)自動(dòng)控制。

3.2 Android客戶端設(shè)計(jì)

根據(jù)空氣凈化器的需求和軟件的特點(diǎn)，客戶端的設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 客戶端功能結(jié)構(gòu)Fig 8 Client function structure

本客戶端由登錄模塊和遙控模塊組成，使用了Android系統(tǒng)本身集成的SQLite,提供了一些新的API來(lái)使用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)操作。登錄模塊如圖9(a)先調(diào)WifiManager服務(wù)，檢查手機(jī)，確定打開(kāi)WiFi，再通過(guò)WebService 傳入賬號(hào)和密碼進(jìn)入遙控界面如圖9(b)，同時(shí)需要Android Mainfest.xml 文件中設(shè)置獲取WiFi權(quán)限和聯(lián)網(wǎng)權(quán)限[6]。如代碼所示：。

圖9 客戶端界面圖Fig 9 Client interface diagram

移動(dòng)平臺(tái)的接收端是服務(wù)器端,主要用于開(kāi)啟端口、等待客戶端的數(shù)據(jù)輸入,并且將收到的數(shù)據(jù)顯示在界面中。在實(shí)現(xiàn)與釆集端通信的過(guò)程中,所釆用的UDP通信相對(duì)TCP通信簡(jiǎn)單,無(wú)需事先建立連接,只需創(chuàng)立一個(gè)接收和發(fā)送的套接字就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送。UDP通信流程如圖10所示。

圖10 UDP通信流程Fig 10 UDP communication process

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試分為對(duì)控制系統(tǒng)的測(cè)試和對(duì)凈化功能的測(cè)試。其中對(duì)控制系統(tǒng)的測(cè)試是通過(guò)按鍵或遙控方式(紅外和WiFi)對(duì)凈化系統(tǒng)進(jìn)行操作，觀測(cè)其狀態(tài)變化。凈化功能測(cè)試是通過(guò)檢測(cè)不同時(shí)間段測(cè)試倉(cāng)內(nèi)空氣質(zhì)量情況，來(lái)驗(yàn)證凈化器的凈化效果?？諝鈨艋鲗?shí)物如圖11所示。

圖11 空氣凈化器實(shí)物圖Fig 11 Physical map of air purifier

經(jīng)測(cè)試控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能均正常，可以正常操作凈化器工作，實(shí)體按鍵信號(hào)辨識(shí)準(zhǔn)確無(wú)誤，紅外和WiFi信號(hào)識(shí)別與距離相關(guān)。

凈化功能選用兩間學(xué)生宿舍進(jìn)行測(cè)試，房間體積大約30 m3,房間結(jié)構(gòu)完全相同。一個(gè)房間放置凈化器，另一個(gè)房間不放凈化器作為對(duì)照環(huán)境[7]。使用蚊香煙霧作為顆粒物發(fā)生源，油漆作為揮發(fā)性有機(jī)物發(fā)生源。為確保一致性，使用PM2.5檢測(cè)儀記錄兩個(gè)房間內(nèi)PM2.5與TVOC的濃度變化，數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖12 室內(nèi)污染物濃度變化Fig 12 Concentration changes of indoor pollutants

5 結(jié) 論

本文不僅將工業(yè)除塵技術(shù)運(yùn)用到室內(nèi)空氣凈化，并結(jié)合智能家居，利用Android智能手機(jī)控制，使空氣凈化器不僅具有良好的凈化效果，還有良好的用戶體驗(yàn)。通過(guò)對(duì)凈化器進(jìn)行測(cè)試表明，控制系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，凈化功能也達(dá)到了設(shè)計(jì)需求，對(duì)室內(nèi)空氣的凈化效果明顯。

[1] 馬 嫚，程 鉛，陳 慧，等.基于信息融合技術(shù)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)[J].電子器件,2013(4):554-558.

[2] 李 媛.基于ZigBee無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2009.

[3] 馮 洋.基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)GSM短信的防火防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2014(5):59-64.

[4] 景曉軍，李劍勇，喬鳳杰，等.精密數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)[J].電源世界,2011(10):30-33.

[5] 董玉德，黃 開(kāi)，金運(yùn)掌，等.室內(nèi)柜式空氣凈化器嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2013,36(3):62-66.

[6] 張 一，施 勇，薛 質(zhì).Android中權(quán)限提升漏洞的動(dòng)態(tài)防御技術(shù)[J].信息安全與通信保密,2013(11):71-79.

[7] 卜鐘鳴，向建幫，陳姚波，等.空氣凈化器細(xì)顆粒物去除效果的環(huán)境艙測(cè)試與實(shí)際評(píng)價(jià)[J].暖通空調(diào),2013(12):64-67.

Design of static electrostatic type intelligent air purifier system based on Android

WEN Gui-long, SONG Kai-xin

(Research Institute of New Electronic Devices and Application,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

A kind of air purification system which integrates infrared remote control,Android mobile phone and STM32 MCU as core and apply various sensors and information fusion algorithm,intelligently detect indoor environment is designed.The system real-time display monitoring data through liquid crystal display(LCD) and mobile client.Different action is executed manually or automaticly control purifier according to displayed data,mainly by high voltage electrostatic device for indoor air purification,and,for the first time,use humidity control of high voltage electrical size to avoid sparking.The system has the function of environmental monitoring and air purification.The experiment shows that the system is stable and can meet people’s daily needs.

air purifier; Android; WiFi; static electricity; sensor

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0090—04

2015—10—20

TP 23

A

1000—9787(2016)07—0090—04

文桂龍(1988-)，男，山東臨沂人，碩士，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)。