張宇翔，黃茂云，顧海軍

（江蘇省徐州市中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院 江蘇 徐州 221008）

1 引言

隨著中國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化程度的不斷加深以及當(dāng)前室內(nèi)化學(xué)裝修用品的增多，使得室內(nèi)pm2.5，甲醛等含量超標(biāo)。因此，本文從理論和實(shí)踐方面相互結(jié)合設(shè)計(jì)了一種智能化空氣凈化器系統(tǒng)，來幫助改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。并以目前市面上出現(xiàn)的空氣凈化器作為基礎(chǔ)，然后設(shè)計(jì)一款集空氣凈化顯示和控制于一體的硬件設(shè)備，并基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)并開發(fā)出一種可行的軟件方案來達(dá)到可以有效的改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的目的。

2 硬件部分

2.1 樹莓派

本文是以樹莓派2代B型作為上位機(jī)，樹莓派是由英國的慈善組織“Raspberry Pi基金會(huì)”開發(fā)的，一開始作為價(jià)格低廉的卡片電腦給學(xué)生計(jì)算機(jī)編程設(shè)計(jì)的。樹莓派的本質(zhì)是基于Linux操作系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是接口多并且可操作性強(qiáng)，所以樹莓派在物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)方面有著很大用處。

2.2 激光型pm2.5傳感器

針對(duì)市面上出現(xiàn)的空氣凈化器，了解到有激光型和紅外型，對(duì)于這兩種傳感器進(jìn)行分析。紅外型不能靈敏采集空氣中 PM2.5濃度值。激光型將頻譜窄并且能量強(qiáng)的激光作為光源，從而能靈敏采集空氣中PM2.5濃度值。因此選用激光型的傳感器可以精確地檢測當(dāng)前室內(nèi)中的空氣質(zhì)量。激光型PM2.5傳感器讀取到值后與上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而通過樹莓派的各個(gè)接口來自動(dòng)控制不同繼電器的轉(zhuǎn)化，達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)整的目的。此外還將溫濕度傳感器等傳感器加入到該設(shè)備中，可以將當(dāng)前室內(nèi)中pm2.5，溫濕度以及甲醛含量顯示出來。

2.3 溫濕度模塊

該模塊的傳感器采用DHT11可以檢測周圍環(huán)境的溫度和濕度且濕度測量范圍：20%～95%，溫度測量范圍：0度～50度，傳感器的工作電壓3.3V～5V并且以數(shù)字形式輸出。其中VCC外接3.3V～5V；GND外接GND；DO小板開關(guān)數(shù)字量輸出接口接樹莓派IO口

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

該設(shè)計(jì)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用了繼電器配合電容來控制空氣凈化器的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，該繼電器模塊模塊采用了貼片光耦隔離，具有穩(wěn)定性好驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。并且可容錯(cuò)，控制線即使斷開，繼電器不會(huì)動(dòng)作。高低電平觸發(fā)選擇端：S1-S4依次為繼電器高低電平觸發(fā)選擇的4路。低電平觸發(fā)：對(duì)應(yīng)的com與low端短接，高電平觸發(fā)：com與high端短接。

3 設(shè)備的主要研究方面

3.1 硬件系統(tǒng)平臺(tái)搭建

本設(shè)計(jì)將采用樹莓派作為上位機(jī)。通過配置系統(tǒng)并和外部多種傳感器相連接方便后期數(shù)據(jù)采集。根據(jù)讀取到的PM2.5 濃度，用樹莓派的不同接口配合繼電器來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，從而讓空氣從濾網(wǎng)中過濾，可以智能化的對(duì)空氣進(jìn)行自動(dòng)凈化。并且采用LCD1602液晶顯示屏模塊，可以直接將當(dāng)前空間中PM2.5的濃度、溫濕度顯示在液晶屏幕上。如圖1所示為該設(shè)計(jì)的流程圖。

圖1 所示為該設(shè)計(jì)的流程圖

由圖1可知智能化空氣凈化器系統(tǒng)通過PM2.5傳感器采集室內(nèi)PM2.5濃度數(shù)據(jù)，然后上位機(jī)通過采集到的PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，并控制空氣凈化器的輸出檔位，以達(dá)到最佳空氣凈化和節(jié)能的效果，最后wifi模塊將采集的PM2.5數(shù)據(jù)上傳給物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

3.2 數(shù)據(jù)采集和利用

此設(shè)計(jì)是通過編程技術(shù)，將Raspberry Pi強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能加以利用，對(duì)傳感器上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分類記錄。一方面可以實(shí)時(shí)作為監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出顯示，同時(shí)也奠定了智能控制的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。將激光型pm2.5傳感器與繼電器通過樹莓派的GPIO接口相連，傳感器獲取的數(shù)據(jù)讀取并傳到上位機(jī)中，繼而通過電機(jī)狀態(tài)來控制空氣凈化器的繼電器的開／關(guān)來控制。該設(shè)計(jì)采用4路5V繼電器模塊光耦隔離，并將電機(jī)分為4個(gè)檔位，其中PM2.5＞301強(qiáng)風(fēng)檔；PM2.5＞201 中風(fēng)檔；PM2.5＞101弱風(fēng)檔；PM2.5＞0低風(fēng)檔。

3.3 智能控制方法的實(shí)現(xiàn)

利用Raspberry Pi配合外部控制器，以采集的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一套高效率的控制流程以實(shí)現(xiàn)空氣凈化器的智能自動(dòng)控制，即自動(dòng)識(shí)別室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)良程度并自動(dòng)地調(diào)整工作強(qiáng)度。

3.4 與移動(dòng)平臺(tái)互聯(lián)

為滿足物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的需要，該設(shè)備可以與yeelink實(shí)現(xiàn)信息互傳，可以讓用戶通過網(wǎng)頁或者手機(jī)APP在線實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前室內(nèi)中空氣質(zhì)量。在移動(dòng)設(shè)備上開發(fā)客戶端用于實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程連接，數(shù)據(jù)監(jiān)測以及狀態(tài)控制等功能。如圖2所示為互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)讀取的數(shù)據(jù)。

圖2 所示為互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)讀取的數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

該設(shè)計(jì)是基于樹莓派的高性能系統(tǒng)作為上位機(jī)，通過PM2.5傳感器實(shí)時(shí)讀取室內(nèi)中的PM2.5含量上傳到上位機(jī)中，實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)并通過繼電器的不同檔位自動(dòng)對(duì)空氣凈化器進(jìn)行控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)可在90秒內(nèi)迅速將小范圍空氣PM2.5的值下降到正常值。

此外通過yeelink平臺(tái)可以使智能移動(dòng)設(shè)備配合客戶端，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣凈化器遠(yuǎn)程連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)PM2.5/PM10濃度以及甲醛含量；并進(jìn)行智能控制及運(yùn)行狀態(tài)查看，工作狀態(tài)記錄等功能。

利用此系統(tǒng)基本可以滿足用戶對(duì)空氣凈化器無線控制、智能控制的需要，并且可以對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量以及空氣凈化效果實(shí)時(shí)查看，更好地幫助家人和朋友抵御霧霾、甲醛對(duì)身體的侵害。同時(shí)此設(shè)計(jì)進(jìn)過擴(kuò)展改進(jìn)后也可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、商場、寫字樓及廠房等多種室內(nèi)環(huán)境中，具有良好的商業(yè)前景。

[1]湯云峰.空氣凈化器智能化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).

[2]崔燕燕.智能空氣凈化器項(xiàng)目開發(fā)中的交互設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).

[3]霍昕澤.基于樹莓派的智能監(jiān)控系統(tǒng) 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化2017年11期.