基于Android与PIC的空气净化器控制系统设计

赵荣欣，戴曙光

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)



基于Android与PIC的空气净化器控制系统设计

赵荣欣，戴曙光

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

针对人类居住环境受到外界空气质量以及室内空气污染，主要包括PM2.5、TVOC、甲醛等的影响。而传统的空气净化方法主要有过滤净化法、吸附法、臭氧氧化技术、催化净化法等。这些方法虽能有效地净化了室内空气，但还是会产生二次污染。因此，文中提出了一种基于单片机PIC16F1947与Android控制的离子风室内空气净化器的设计方案。该空气净化器采用离子分解净化方式，无风机的设计即可降低耗材的损耗，又可减少细菌的滋生，且运行时噪音低。实验表明，该净化器可有效净化室内空气，提高了净化效率。

Android；空气净化器；离子分解；无风机

随着工业的发展以及装修材料的大量使用，使得室内空气中PM2.5、TVOC、甲醛、细菌等有害物质增多，人们健康正面临着室内空气污染的威胁。能否有效地净化室内空气已被人们广泛关注，并成为环保科技中一项重要的研究课题[1-2]。室内空气净化器目前来说是室内空气净化最直接也是最便捷的仪器[3]。目前市场上的空气净化产品技术主要可以分为过滤净化法，吸附法，臭氧氧化技术，催化净化法以及烟雾消毒和过氧乙酸消毒等净化方法等[4-5]，这些方法有大量的机械式操作，不能实现自动化的控制，不仅不能起到全面净化空气的作用，而且还会产生二次污染。因此研制新型空气净化器对室内环境保护具有重要意义[6]。

1 系统总体方案设计

系统主要分为硬件设计和软件设计以及手机客户端设计。其系统总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计图

本系统让空气首先经过进风口的过滤网到达发生极，经由发生极使部分分子电离；然后带电离子在电场的作用下加速运动碰撞其它粒子，使其带上电荷，通过一系列滚雪球似的雪崩效应使所有灰尘、细菌颗粒带上正电荷，这些灰尘最终被收集在带相反电势的收集极上,形成离子风[7-9]。而且对于一些有害物质如细菌，经过等离子场，也能被具有高能量的一些自由基氧化而杀死，同时一些大分子的有机物也被氧化分解成二氧化碳和水；最后空气回到空间时，所有带电粒子被完全中和，保证工作安全。而且还可通过无线网与Android手机客户端进行网络通信[10]。

2 控制系统硬件电路设计

2.1 硬件模块总体设计

该空气净化器的硬件模块主要包括：电源控制电路、蜂鸣器报警电路、WiFi控制电路、红外遥控电路、仿真下载电路、传感器数据采集、多功能按键控制电路、显示器控制构成。控制系统硬件设计如图2所示。

图2 控制系统硬件模块图

2.2 PIC16F1947外围电路设计

空气净化器控制器采用PIC16F1947，是一款高性能RISC的CPU[11]，其集成的LCD控制器，最多可驱动184段LCD，满足系统要求。因为在空气电离分解的时候，会产生很强的电磁干扰。所以对于闲置的引脚，都外接上拉电阻提高抗干扰能力[12-13]。其外围电路设计图如图3所示。

图3 PIC16F1947外围电路设计

2.3 WiFi电路设计

无线WiFi模块采用M4004T，该芯片是一款功能齐全、集成度高、超低功耗的低成本嵌入式WiFi模组。其核心芯片采用专用物联网芯片，具备丰富的外围控制接口和内置的无线网络IEEE802.11b/g/n无线标准协议栈与TCP/IP网络通信协议栈的专业控制与传输为一体的模块，直接实现对外围数据采集，并且可通过标准网络数据进行传送和接收网络数据控制外置设备,其驱动电路如图3所示。

图4 WiFi模块电路图

3 系统软件设计

该空气净化器控制系统主要通过核心处理器PIC控制相关的器件来实现相应的功能。于是对软件进行模块化设计来实现系统的运行，通过主程序和各子程序相互配合来实现系统软件功能。该系统的程序流程图如图5所示。

图5 系统程序流程图

该空气净化器开机后，系统首先进行初始化程序操作，包括各个端口、功能和中断的初始化[7]，重要的是对系统各个初始化程序中初始值设定，同时调用LCD液晶显示程序。若在默认状态下启动，那么系统直接进入预定的自动模式下工作，此时系统将根据空气质量传感器实时监测室内空气环境质量情况，通过数据采集模块和数据分析来提供给CPU信号，再由CPU发出控制信号控制当前运行状态来自动调节当前空气净化器的运行模式，同时实时将运行状态在LCD上显示出来。当按键或遥控选择命令时，系统会结合根据操作进入各个指令，进入各个功能模块，包括：模式选择程序、睡眠模式程序、系统关机程序等，进而使空气净化器实现预定期的目的功能效果。

4 Android客户端设计

4.1 Android客户端界面设计

Android是Google开发的基于Linux平台的开源手机操作系统。它包括操作系统、用户界面和应用程序[14-15]。本系统采用客户机/TCP网络模式，客户机部分采用 Android Java开发，最终编译之后打包生成APK文件，在Android 手机上可以直接安装，在用户手机上设计控制界面，操作方便灵活。其主界面如图6所示。

图6 Android客户端主界面

由图6可以看出，主界面主要包括PM2.5含量，空气中TVOC质量，以及离子风速大小调节，定时模式，睡眠模式等。

4.2 客户端主程序设计

如何利用客户端实现室内空气数据监测与控制是本文关键技术之一。即客户端发出数据请求时，控制模块快速响应客户端的请求，提供响应的查询和控制服务，软件工作流程图如图7所示。

图7 软件工作流程图

5 系统测试

5.1 净化功能测试

在实验室现有的条件下，在密闭空间内，用点燃蚊香所产生的烟雾作为室内空气污染物来进行空气净化测试。当蚊香充满整个测试空间后打开空气净化器，其测试数据如表1所示。

表1 空气净化试验数据

如表1所示，随着污染物浓度的降低，空气传感器输出的电压值逐渐减少，代表着空气中蚊香量逐渐减小，表明该净化器能有效净化室内空气。

5.2 净化效率测试

为了测试该系统的净化效率，将该系统与传统的净化器在相同环境中进行净化对比，其对比数据如表2所示。

表2 测试效率对比表

从表1和表2中可以看出，相比于传统的净化方式，该系统不仅能有效净化室内空气，而且净化效率大幅提高。

6 结束语

本文设计实现了基于Android与PIC控制的多功能离子风空气净化系统，从总体设计出发，设计了相应的软、硬件和Android客户端的设计，实现了对室内空气质量参数的监测，并可以根据上述数据变化自动调整或手动调整系统的工作状态。实验表明该系统运行稳定，并且可有效净化室内空气。

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Air Purifier Control System Based on Android and PIC

ZHAO Rongxin, DAI Shuguang

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

Indoor air pollution and outside air quality are caused mainly by PM2.5, TVOC, and formaldehyde. The traditional purification methods such as filtration purification, adsorption, ozone oxidation, and catalytic purification, effectively clean indoor air, but may lead to the secondary pollution. So this paper presents a new design about indoor air purifier which based on microcontroller PIC16F1947 and Android control. The air purifier uses ion decomposition purification and its no-fan design not only reduces the consumption of consumables and the possibility of bacterial growth, but also enjoy little noise in running. Experiments show that the purifier can effectively purify indoor air, and the efficiency improve at least by 100%.

Android; air purifier; ion decomposition; no-fan

2016- 12- 22

赵荣欣(1991-),男,硕士研究生。研究方向：信号与信息处理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.038

TP273

A

1007-7820(2017)06-135-04