基于无线监控的离子水雾化加湿系统设计

张登明， 陈家新， 陆纪勋

(东华大学，上海 201620)

基于无线监控的离子水雾化加湿系统设计

张登明， 陈家新， 陆纪勋

(东华大学，上海201620)

基于现有雾化加湿系统，结合无线物联网技术、电解水技术和传感器检测技术，并对离子水雾化装置进行了研究，提出并设计了基于无线监控的离子水雾化加湿系统，可实时监测室内外温湿度，并通过无线物联网技术对离子水发生装置和其他温控设备进行控制，还可以在加湿过程中对病原体进行有效抑制或杀灭，达到环境保湿和预防病原体滋生的作用。

无线通信； 电解水； 降温保湿； 消毒杀菌

0 引 言

传统的加湿装置控制方式单一，缺少实时检测和动态调节环节，对空气和雾化液的消毒效果不理想[1]。

通过对离子水施加高压电场，可有效增强电解水的杀菌消毒性能[2]。离子水最终可还原成普通水，不会对环境造成任何污染。本文介绍了离子水的环保杀菌特性，并结合现代传感器技术，搭建无线物联网智能监控平台，设计并实现了一种基于无线监控的离子水雾化加湿系统。

1 离子水的灭菌机理

传统离子水通过电解一定浓度的NaCl溶液制备。电解产生酸性离子水主要用于消毒，但同时会流失碱性离子水[3]。本文可将电解得到的离子水全部用于杀菌消毒且无任何化学残留。通过增大电解槽的电极面积，合理的设计电解槽结构有效提高了电解效率。

采用阳离子隔膜电解槽，经电解后两极产生两种离子水。阳离子交换膜只允许阳离子通过，阴极侧的阴离子及还原物质均无法通过[4]。根据USA20110121110研究证实：酸性离子水和碱性离子水混合液短时间内仍然具有较理想的灭菌消毒效果[5]。将两种离子水混合后雾化，在雾化喷头处外加一个高压脉冲电场，充分利用离子水的导电性传递电荷，建立一定强度的高压电场，增强了灭菌消毒能力。

2 系统整体结构与工作原理

2.1 系统的整体结构

图1为装置的系统框图。系统结构主要包括：智能终端、路由器、无线通信模块、传感器模块、主控板模块和离子水制备模块。其中，通过单片机控制无线通信模块、传感器模块和电解模块进行数据的采集和处理。以上3个模块和主控板构成一种装置。每种装置相同，功能相同，但操作和监控独立。

图1 系统框图

2.2 系统的工作原理

使用前根据房间的实际面积和使用环境，通过监控终端进行参数设定。加湿系统根据实际情况对加湿量做出计算，并控制电解装置运行。系统运行过程中，各个传感器模块将实时采集的数据经单片机整合处理后，由无线通信模块传送至路由器，再经路由器发送到监控终端。用户可根据实际需求自行设定系统自动加湿或手动加湿，系统会通过预先设定的离子水雾化程序对装置进行控制。系统的传感器检测与雾化加湿过程同时进行，形成实时的数据采集和动态的反馈调节。电解装置收到电解信号后，开启开关阀门给装置供水，同时电解槽电极通电电解，后经高压电场对电解后的离子水使能，最终雾化喷射。整个温湿度检测过程和加湿过程循环进行。

3 系统硬件结构设计

3.1 装置设计

本设计的离子水发生装置直接电解自来水制备离子水，对电解电压和电解电流等方面均有极高的要求，基于对国外高效离子水发生装置的研究[6]，进行了结构优化，电解装置如图2所示。选用大面积钛网电极，隔膜式电解槽进行电解。选用钛网电极不但增加了电极的表面积，而且提高了电解效率。同时装置的阴、阳电极紧贴在离子交换膜两侧，促进了离子交换。电解槽供电使用自倒极供电模式，能减少电极表面结垢，提高电解效率，延长使用寿命。在电解装置的雾化喷射处施加单电极的高压电场端子，通过对喷射的μm级的离子水雾使能，在一定范围建立一定强度的电场[2]。高压电场装置与雾化喷头一体化设计，利用离子水的导电性能传递电荷，可有效提高离子水的消毒杀菌效果[7]。

图2 离子水发生装置

控制系统原理如图3所示，主控板接收来自无线模块的信号，电磁阀打开,电解电路开始运行，控制电解槽驱动电路和高压产生电路，LED指示灯闪烁提示运行状态。

图3 控制电路原理框图

3.2 传感器模块选择

传感器应满足功耗低，成本低，稳定性好，使用寿命长等要求。选用贴片型温湿度传感器SHT11,湿度测量范围[8]0%～100%RH；温度测量范围-40～123.8℃;湿度测量精度±3%RH;温度测量精度±0.4℃，其具有在同类产品中低价格和高精度的特点[7]。无线模块选用ESP8266，具有较好的抗干扰性能，开发便捷特点。

4 系统软件设计

4.1 无线通信模块设计

无线通信模块用于主控板与智能终端的信息通信。无线模块和智能终端间的通信流程如图4所示。

图4 通信流程

4.2 主控板的设计

主控板模块是整个系统设计的重要组成部分，主控板连接系统的4个主要功能模块：主程序模块、电解模块、传感器模块和高压电场生成模块。通过控制面板对室内加湿环境进行设定，例如房间面积，人员流动量和环境参数等。设定单位时间喷射量，可通过调节雾化时间控制加湿量。根据湿平衡计算出需要的加湿量。加湿器的加湿量、人员的散湿量、其它设备的散湿量及进入室内的湿量与从室内排出的湿量之差应等于室内湿量的变化率[1]，如式(1)

W+W1+W2+G·dw=G·dndτ

(1)

式中W为加湿器的加湿量，g/h;W1为室内人员的散湿量，g/h;dw为室外空气的含湿量，g/kg;W2为其它装置的散湿量，g/h;G为进入室内的空气量，g/h;dn为室内空气的含湿量，g/kg;τ为时间，h。在稳定状态下,由式(1)得

W=G·(dn-dw)-W1-W2

(2)

由式(2)可见,房间内需要的加湿量与进入室内的空气量、室内外空气含湿量、室内人员及设备散湿量有关。在冬季，由于室外空气的含湿量dw小于室内空气的含湿量dn,而人员的散湿量又比较小,在不考虑W2的条件下[1],通过对环境的舒适度检测统计后，可确定最适宜的温湿度范围。20m2房间大约需要270mL/h的加湿量，40～50m2的房间大约需要540mL/h的加湿量。加湿时间可根据式(3)确定

T=Qq+c

(3)

式中T为加湿器的加湿时间，s;Q为室内所需的散湿量，mL;q为加湿器的喷射量，mL/s；C为其他环境因素参数。

运行过程中，房间参数经无线模块发送给单片机，单片机将实时采集温湿度到的数据与设定数据进行比对，并判断是否开启加湿器。主控程序流程如图5。

图5 主控板程序流程

4.3 系统监控界面设计

监控界面采用基于LabVIEW的设计[7]。监控界面如图6，界面依据家庭式一室一厅规划进行设计。通过界面，设定房间的基本参数和温湿度预警范围，独立监控每个房间的温湿度和加湿器状态，由双曲线直观显示房间内的环境参数的变化。装置在自动模式下，系统根据预设温湿度预警范围控制电解模块的运行状态；在手动模式下，用户可以手动控制加湿器，调节舒适的环境湿度，设定湿度预警范围。手动模式优先级均高于自动模式。

图6 监控界面

5 结束语

装置是基于无线物联网技术、离子水雾化加湿技术和现代传感器技术结合的产物，能达到消毒灭菌，降温保湿的功能。在测试过程中，装置能准确实时检测室内外温湿度，并能够按照设定的调节范围对空气进行加湿，实时的环境参数可通过电脑观察，动态反馈调节过程明显。同时，装置能达到预期的杀菌和清洁空气的效果，经实验测试，相对传统的加湿器装置的效果提高了5倍以上。可在现有研究的基础上，通过装置预留的传感器接口增加外部传感器数量，扩大检测的范围和种类，调节更加舒适的室内温湿度。

[1] 尚丰伟，李永安，孙大隆.介绍一种新型加湿器的研制和运用[J].制冷,1997(2)：68-71.

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[3] 陈玉柱.基于单片机控制的离子水去污消毒装置的研究与开发[D].上海：东华大学，2013：1-2.

[4] 王三反，完颜华，张国俊，等.离子迁移途径及选择透过性的理论修正[J].兰州铁道学院学报：自然科学版，2000(3)：72-75.

[5] Bruce F.Method and apparatus for applying electrical charge through a fluid with a sinusoidal waveform having at step discontinuity: US,20110121110[P].2011—01—06.

[6] 宋海声，苏小芸 赵晓林.基于LabVIEW平台的智能电子鼻系统[J].传感器与微系统，2015,34(5):87.

[7] 胡 最，陈 影.鹰眼导航功能的原理与实现[J].衡阳师范学院学报，2009,30(9):122-124.

[8] 雷志东，张晓林.一种基于三模冗余的智能复合传感器设计[J].现代电子技术，2014(3):80-83.

Designofionwateratomizinghumidificationsystembasedonwirelessmonitoring

ZHANG Deng-ming， CHEN Jia-xin， LU Ji-xun

(DonghuaUniversity，Shanghai201620，China)

Based on existing atomizing humidification system and combined with wireless networking technology,water electrolysis technology and sensor detection technology,through study on ion water atomizing device,put forward and design ion water atomizing humidification system based on wireless monitoring. The system can monitor indoor and outdoor temperature and humidity and monitor the running state of the ion water generation device and other temperature controller devices via wireless Internet of things(IoT) technology. It can also effectively control or kill pathogens in the process of humidification so as to achieve environment moisturizing and pathogens preventing.

wireless communication; electrolytic water; cooling moisture; disinfection

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0102—03

2016—10—25

TP 212

A

1000—9787(2017)10—0102—03

张登明(1992-),男,通讯作者，硕士研究生,研究方向为机电系统与智能测控，E—mail:zhangdmmail@sina.com。陈家新(1967-),男,博士，教授,主要从事电力电子变换器、电机设计及其智能测控等研究工作。