基于物联网的室内空气质量智能感知与净化系统

卢令， 蔡乐才， 高祥， 李随群

(1.四川理工学院a.分析测试中心;b.机械工程学院;c.计算机学院， 四川自贡643000；2.宜宾学院， 四川宜宾644000)

引言

随着国民收入不断提高、家庭居住条件显著改善，国民对家庭生活的品质要求越来越高，对居住空间环境的环保要求也越来越苛刻，但是整体环境质量却不容乐观，尤其对入住新家的人来说，装修残留的甲醛等有害气体会威胁家人的健康。室内空气的污染主要来源于家居装修、家庭生活活动(烹饪、吸烟等)、人自身的排泄物以及室外大气的污染[1-2]。目前，空气净化器成为解决室内空气污染问题的首选仪器，然而仅具净化功能的空气净化器已经不能满足用户的需求。目前市场上出售的空气净化器的主要功能是过滤室内空气中的有害物质，而对室内空气的环境参数不能做出实时检测并进行评估反馈给用户[3-5]。随着物联网技术的不断发展与创新，改变现有室内空气净化器的功能与结构，设计一款兼具室内空气感知与净化功能的仪器越来越重要。智能化的空气净化器不仅能过滤空气中对人体有害的物质，还可以对室内空气质量进行科学的评估。本文设计的基于物联网的室内空气质量智能感知与净化系统对现有的空气净化器的功能进行了增加，用户不仅可以直接操作空气净化器，还可以通过移动终端APP软件，如手机或平板电脑，进行远程的检测和操控空气净化器，方便用户实时掌控室内空气的质量[6-7]。

1系统总体结构

物联网的感知具有很强的异构性，为实现信息之间的互通、互联和互操作，物联网是一个开放的、分层的、可扩展的网络体系结构[8-9]。系统的工作原理：感知节点通过甲醛传感器、PM2.5传感器、温湿度传感器以及TVOC(总挥发性有机物)传感器等实时采集室内空气的质量数据，通过无线网络上传数据到服务器，如智能终端手机APP或电脑终端访问服务器，获取相应的环境数据，通过服务器发送命令到系统，控制系统净化模块的运行。

基于物联网的室内空气实时感知与净化系统是充分利用物联网的感知技术、通讯技术和智能控制技术来实现系统的全面功能，系统采用物联网的三层体系结构：室内环境感知层、网络传输层和应用服务层[10-11]。系统的总体结构如图1所示。

图1系统的总体结构

室内环境感知层：感知层最基本的元素就是各种不同功能的传感器，通过适量的传感器节点组成的感知网络实现对室内空气质量的全面感知，并且通过无线网络进行联网，实现数据信息的实时汇聚与传输[12]。采用模块化结构来设计各感知节点，对室内空气质量进行感知。主要的环境感知因子有温湿度传感器、甲醛传感器、PM2.5传感器、TVOC传感器等。

网络传输层：主要完成室内环境信息的交互[13]。在系统中，环境信息和控制信息的传输需要无线网络的支持，本文设计的感知节点采用ZigBee模块，可以利用ZigBee网络实现数据的无线传输，该模块采用的是高性能的ZigBee方案，可以提供DIP接口与SMT接口，还可以直接连接TTL接口设备，实现数据的无线传输；低功耗设计，最低功耗小于1mA；提供6路I/O，可实现数字量输入输出、脉冲输出；其中有3路I/O还可实现模拟量采集、脉冲计数等功能[14]。室内ZigBee无线网络的拓扑结构如图2所示。

图2室内网络拓扑结构

应用服务层：用户的融合应用为该层的主要核心。通过对室内空气质量信息全面感知的基础上实现对设备的远程控制。用户通过控制设备如手机APP或电脑终端实时地获取室内空气质量的信息，并且可以远程控制室内家电的运行。由用户端输出触发信号，系统接收触发信号，根据推理机和规则库中的信息与相应的控制规则将信号转化成实际的操作信息，并将操作信息在相应的家电中实现。

2感知模块设计

2.1净化器设备端硬件设计

净化器的控制电路是由STM32微控制器、电源模块、LED触摸屏、交流电机、传感器模块等组成。系统CPU处理器采用的是高性能ARM Cortex-M3架构的STM32F103VET6芯片，其主频为72 MHz，芯片内部Flash程序存储器为512 KB，芯片存储容量RAM为64 KB，时钟频率为8 MHz。LED采用的是4.3寸触摸显示屏。电机采用的是松下专用空气净化器电机，频率为50/60 Hz，转速1500 rpm～2600 rpm，静音风量大。系统的硬件框图和实物图分别如图3与图4所示。

图3系统硬件框图

图4硬件实物图

空气净化器MCU的操作系统采用的是嵌入式实时操作系统(RTOS)，采用5个工作线程，功能分别为任务管理、I/O操作、LED液晶显示、传感器数据采集和ZigBee通信，其中每个线程都是单独的事件，当空气净化器收到关机的指令，结束主程序，关闭所有线程。

2.2应用软件程序设计

系统的主程序包括ZigBee无线通信、数据的实时采集、人机交互以及控制风机运转等。通过ZigBee模块实现数据上传和控制信息的交互传输，室内空气质量信息实时可见，对净化模块可随时开启，实时净化；系统自带人机交互界面，可以通过手机远程和LCD界面实时进行控制系统的运转和数据接收与显示。系统主程序流程图如图5所示。

图5主程序流程图

3净化模块设计

3.1过滤层设计

净化模块是室内空气过滤净化装置，对室内空气质量的提升起关键作用。本文设计的净化模块采用5层过滤结构：初级过滤网、活性炭过滤网、HEPA过滤网、HIMOP过滤层和加湿滤网。初级过滤网是净化模块的第一层，可以高效地吸附空气中灰尘颗粒和粉尘，保护后面的过滤网；活性炭过滤网去除室内空气中异味；HEPA过滤网可以有效吸附室内烟雾、灰尘以及细菌等污染物，对直径为0.3 μm以下的微粒去除效率可达到99.7%以上，等级是H10；HIMOP过滤层能够解决由于装修导致的室内空气污染，尤其是对于甲醛有超强的功效，同时可以去除空气中挥发性有机物、苯系物以及可吸入颗粒物(如PM2.5、烟雾、花粉)等对人体有害气体；加湿滤网用来加湿空气，能迅速降尘。

3.2净化评价

室内空气质量的评价及评级受多种因子的影响，本文采用PSO优化算法[17]对室内空气的质量进行评价。根据《室内空气质量标准》GB/T18883-2002[18]选取实际环境指标甲醛、PM2.5和TVOC作为评价因子。采用GB/T18883-2002将室内空气质量分为3个等级，见表1，其中T2为标准浓度的阈值。

表1室内空气质量分级(单位: mg/m3)

通过三个评价因子建立的空气质量分级对T-S模糊神经网络[19]进行训练，得出可以评价的模型，生成评价等级。经过T-S模糊神经网络的训练将室内空气质量分为三个等级[20-21]，见表2，一级为空气质量优良，没有污染；二级为空气污染不超标，不会影响生活起居；三级为至少有一个指标超标，影响正常的起居生活。

表2室内空气质量等级

4系统测试

设计完成后，对空气净化器进行了功能测试，包括净化器控制软件工作是否正常、空气净化器的风机运转情况、空气质量传感器数据的采集、ZigBee无线数据的上传、手机APP数据的显示以及LED液晶的触摸控制与显示等。测试设定在30 m2左右的实验室，室内环境为室温20 ℃和湿度21%。实验时将空气净化器放置在实验室的中间位置，当空气净化器风机开启时可以使室内空气的拥有良好循环。在实验开始后对实验室进行24 h的封闭，使实验室室内保持一个稳定的环境。

测试结果如图6所示。图6(a)为LED液晶显示屏显示结果，经过1 h的测试，室内PM2.5数值及甲醛数值稳定且低于设计的阈值，因此采用风速1档，以最低风速运转；图6(b)为手机APP端显示的室内PM2.5的数值，与仪器端的LED显示数值一致。通过手机客户端控制空气净化器风速的档位，均可按指令变换风速，测试结果正常。

图6测试结果

通过24 h的系统测试，甲醛、PM2.5、TVOC三个指标的净化趋势如图7所示。连续净化24h后，实验室的甲醛、PM2.5、TVOC的浓度均有明显降低，空气质量等级达到一级效果，空气质量优良。甲醛、PM2.5以及TVOC三个指标的净化效率为62.5%、83.3%和85%，说明净化效果明显。

图7净化趋势图

5结束语

本文对基于物联网的室内空气质量智能感知与净化系统的关键技术进行了深入研究，设计一套完全可行的智能感知与净化系统。系统的感知模块实现智能感知室内空气质量的信息，系统的净化模块采用五层过滤层设计，经24 h的实际测试，甲醛、PM2.5以及TVOC的浓度明显降低，净化效率分别达到62.5%、83.3%和85%，说明净化效果优良。通过手机APP进行远程监测与控制，实现对室内的空气质量进行智能评级。实验测试表明，本文设计的空气净化系统对空气质量的智能感知与净化效果优良，在满足成本预算的前提下实现各个功能模块的安全及可靠运转，实现了智能化控制，真正满足了室内空气感知与净化的智能化要求。