基于物联网的空气净化系统设计

陈虹安 周昊 阮太元 蔡雄友

摘 要：空气污染是现在常见的环境污染问题之一，对其进行治理刻不容缓。针对室内空气污染问题，本文设计了一款基于物联网的空气净化系统。该系统由空气净化器和手持终端两大部分构成，空气净化器利用单片机控制各个模块进行空气净化或加湿，手持终端通过WiFi对空气净化器进行远程控制，实现加湿、净化空气及远程控制三大功能，有效地去除空气中的污染物和细菌。

关键词：无线网络；WiFi；空气净化；加湿

中图分类号：TU834.82 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）04-0190-03

Abstract：Air pollution is now a common problem of environmental pollution，its governance is a matter of urgency. Aiming at indoor air pollution，this paper designs an air purification system based on internet of things. The system consists of two parts of air purifier and the handheld terminal，the air purifier can use SCM to control each module for air purification or humidification，the handheld terminal can use WiFi to the air purifier for remote control，realize three major functions of humidification，air purification and remote control，which effectively remove air pollutants and bacteria.

Keywords：wireless network；WiFi；air purification；humidification

0 引 言

近年来，我国经济快速发展，人们生活水平不断提高，然而清新的空气却日益被污染。随着国家对环保投入力度的加大，特别是全国主要城市空气污染的信息发布，使各阶层人士对环境越来越重视。现代科学已经证实，室内空气的污染程度比室外空气污染严重65倍。

随着生产和生活方式的现代化，更多的工作和文娱体育活动都可在室内进行，人们的室内活动时间占比达到93%以上。老、幼、病、残等体弱人群，由于机体抵抗力较低，户外活动机会少，室内空气质量的好坏对他们的健康影响较大。

为提高室内空气质量，空气净化产品也层出不穷。但市面上的一些净化器都比较昂贵，标价在2000元左右，甚至上万元。功能性不再是评价设计的唯一标准，基本的功能需求满足之后，人们开始追求更高层次的心理需求。为此，本文将介绍一款性价比高的空气净化器。

本文设计的空气净化器是典型的利用紫外线及过滤炭网对空气进行杀菌与消毒的产品。本产品具有空气净化与空气加湿两大功能，并且与“互联网+”的大平台相结合，可使用WiFi对净化器进行远程控制，实现了产品的智能化，满足了环保的要求，是新一代健康电子与互联网相结合的产物。

1 系统方案

本文设计的空气净化系统定位是小型家电，目的是为大部分时间在室内度过的人群提供空气清新的环境。本系统由空气净化器、手持终端（手机或PAD）两大核心部分构成。手持终端（即手机或PAD）拥有简洁明了的操作控制界面，控制界面可通过WiFi对空气净化器发出控制信号，空气净化器接收到信号后可进行相应的处理。空气净化器以STC15系列低功耗高性能单片机为核心，当单片机接收到WiFi传送来的信号或接收到按键信号后，可控制净化器进行加湿、电机抽风或紫外灯杀菌等操作。该系统的总体设计框图如图1所示。

2 系统硬件设计

空气净化器主要由STC15F2K1S2单片机、WiFi模块、加湿模块、紫外线灯、抽风机以及相应的电路组成。可以通过按键直接控制或者WiFi远程控制单片机的方式对紫外线灯、抽风机及加湿器进行控制。紫外线灯负责杀死有害细菌，加湿器负责为空气增加湿度，抽风机把室内的空气抽进净化器内部，通过空气净化装置后，吸附颗粒物或其他悬浮物，得到干净的空气。系统电路如图2所示。

在图2中，电源管理电路的主要功能有四个：一是实现电源对紫外线灯的供电功能；二是实现电源对单片机的供电功能；三是实现电源对加湿器的供电功能；四是实现电源对抽风机的供电功能。

在本系统中，紫外线灯要求的供电范围是12～24V，STC15W4K16S4系列单片机要求的供电范围是5.0～5.5V，WiFi模块的供电范围要求是3.0～3.6V，而加湿器要求的供电范围是5.0～5.5V，抽风机的供电范围要求是12～12.5V。因此，本系统采用12V的稳压电源，再使用电压转换芯片进行电压转换，使芯片的输出电压为5.0V，供给单片机及加湿器用电，再次转变为3.3V，为WiFi模块供电。

3 空气净化系统软件设计

本系统采用STC公司的STC15系列超低功耗单片机及相关的专用开发软件。针对硬件进行编程时，要求程序占用内存小，运行速度快，系统可靠性强。在空气净化与加湿的过程中，首先对单片机串口及各个模块进行初始化，实现WiFi模块与手机之间的通讯，然后单片机检测按键状态是否改变或手持终端是否通过WiFi发出控制紫外线灯、抽风机或加湿器的控制命令，单片机可根据相应的按键状态或手持终端发出的命令做出相应的控制动作，完成整个空气净化器的控制过程。程序设计框图如图3所示。

手持终端的APP在Android Studio软件中进行开发，目前已在华为荣耀3C等多款手机中进行了实际测试，实测结果较为理想，并且该APP在理论上支持android4.0以上且具备WiFi功能的所有安卓手机或PAD。手持终端打开界面软件，输入IP口和端口的相应数据，连接空气净化器的WiFi模块，即可对空气净化器进行控制。

4 实现功能

本设计由空气净化和手持终端（手机或PAD）两大核心构成，采用WiFi数据传输技术将手持终端与净化器核心控制部分连接起来，并通过安卓上位机软件实时查看系统的工作状态，主要实现功能如下：

（1）能过滤室内空气中的大部分颗粒物，为人们提供良好的空气环境，确保人们的居住环境达到国家规定的室内空气标准；

（2）实现了紫外线杀菌功能。本系统的紫外线杀菌系统能消灭大部分对人体有害的细菌，减少生病机率；

（3）实现了空气加湿功能。本系统的加湿系统可以为干燥的环境提供水分，减少闷热感受情况的出现；

（4）实现了远程控制功能。通过本系统的远程控制系统，可以发送远程控制命令，方便快捷。

5 结 论

本文设计的空气净化系统不仅具有加湿功能，还具有过滤尘埃和灭菌消毒的作用，能有效改善空气质量，保证生活环境的舒适。本系统与市面上的同类型产品相比，体积更小、价格更低、功能更多、可靠性也更强。空气净化系统在我国有着广阔的市场前景，这款智能化、模块化和多功能的空气净化系统将会为人们提供更为清洁健康的空气环境，提升人们的生活质量。

参考文献：

[1] 姚佳，张自嘉，朱莉.智能室内空气净化系统设计 [J].电子器件，2015，38（1）：203-208.

[2] 崔曦元，吳凌智.基于ZigBee无线技术的智能空气净化系统设计 [J].软件导刊，2016，15（7）：107-109.

作者简介：陈虹安（1989-），男，助教，硕士。研究方向：电子产品开发、信号处理及控制。