基于物联网的智能新风系统的研究

傅杰

摘要：在当前国民经济不断发展的前提下，随之而来的就是较为严重的环境污染问题，尤其以空气污染最为严重，最明显的外在表现就是雾霾天气的增加。除此之外，人们居住的室内环境也经常性的存在着诸如二氧化碳以及甲醛等等污染物质的超标问题。在人们生活水平不断提升的前提下，对于室内环境的空气质量要求也是逐步提升，再加之物联网技术的发展，也就加速了智能家居的发展，目前在净化室内空气质量的过程中，智能新风系统是其研究以及发展的重点。本文从其工作原理剖析出发，并立足于硬件选择以及软件设计角度，对其中使用的一些技术以及具体设计进行分析。

关键词：物联网;智能新风系统;工作原理;系统设计

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）09-0078-03

1 物联网基础上的智能化新风系统的工作原理分析

在物联网基础上的智能化新风系统中的处理器需要将分布在系统的各个节点上的传感器检测的实时数据进行读取操作，同时把检测PM2.5以及VOC 的节点上的实时监测到的数据变化作为模糊控制器自身的输入变量，在和预设的标准化数值进行对应的对比工作之后借助于其中的计算软件将误差的具体数值及其变化做到精准化的计算，然后针对这个计算结果开展对应的量化、隶属度至计算、去模糊化以及模糊决策等这一系列的操作的之后就可以打出最为精准的输出变量，并以此输出变量为基础对风机做出对应的自动化控制，并且将这些实时监测到的数据同步上传到服务器之中，方便人们在随时随地掌握室内空气质量的份额前提下通过远程化的操控，针对风机进行合理化的人为控制操作。其中的控制芯片借助于串口和控制器进行对应的连接，借由TCP/IP协议通过连接家庭路由器进行对应的数据上传服务器工作，用户借助于移动智能化终端对服务器进行访问，将其中储存的数据进行对应的查询操作，并以这些数据及其变化为基础，判断是否需要进行风机工作状态的调整。如果需要进行风机运行状态调整工作之时，通过移动终端将具体的控制指令发送到服务器中并以状态码的形式储存在布尔传感器中，位于新风系统中的处理器借助WIFI模块的帮助做到定时查询服务器中布尔传感器中状态码的变化，根据状态码的实际要求进行对应的风机控制工作。

2 智能化新风系统的硬件选择解析

2.1 处理器的选择

在这个物联网基础下的新风系统自身需要的较大数量的I/0资源，并且在抗干扰性以及主板面积制约上都具备着较高的要求，基于此种要求，在新风系统中使用频率较高的处理器就是STC企业生产的STC12C5A60S2/AD/PWM单片机，这种类型的单片机自身的指令以及管脚和8051是完全相容的，同时在其内部自带有60K的FLASH类型的ROM，这种类型的单片机在其能耗、处理速度、抗干扰性能等方面都具备着较大的优势。同时在内部将专用性质的MAX810复位電路、两路的PWM以及8路高速10位A/D转换器予以高精密度的集合，也正是因为这项原因在电机控制以及干扰较强的场合中STC12C5A60S2/AD/PWM单片机依旧可以被使用。此外，与之前传统类型的51单片机进行比较，这种类型单片机自身的哦储存空间相对较大，同时可以直接借助于串口进行程序的下载操作，如此一来就将之前需要购买专业性质的编程器的资金予以省下，降低了本身的系统架构成本。

2.2 电源部分的选择

在新风系统的控制子系统中采用的电源类型基本就是三端性质的可调整的CM317类型的稳压器，这种类型的稳压器自身的输出电压基本控制在1.2到36伏之间，并且可以根据需求进行对应的调整，在稳定性、适应性、便捷性上具备着较大的优势，也正因此，这种类型的电源可以在在不同性质的供电系统中予以使用。

2.3 传感器部分的选择

在进行传感器的选择之时是需要根据用户需求的不同进行不同选择的，同时也需要进行模块化的设计工作。在正常情况下，用户的实际需求可以分为如下的几点：第一，室内环境监测并自动切换成换流模式。第二，突遇大风或者是雨雪天气的窗户关闭需求。第三，窗户自身遭受到重物撞击或者是外来人员翻窗之时的系统警报需求等等方面。接下来针对这些需求大致分析一下其传感器选择。

2.3.1 湿度与温度传感器

目前使用最多的温度与湿度传感器类型就是DHT11温湿度传感器，其本质上是数字化符合性质的传感器类型，其主要是由一个电阻性质的湿度感应元件以及一个NTC类型的温度监测元件构成的，借助于数字采集以及温度与湿度的传感技术来确保传感器自身的长期稳定工作。这种类型的湿度与温度传感器在投入成本、稳定性、抗干扰性、响应速度、传输距离等方面上有着十分显著的优势。

2.3.2 入侵检测模块的选择

在入侵检测模块中基本都使用的就是主动性质的红外线入侵检测器，主要是由发射端、接收端以及警报器三部分组成的，电源、发光源以及光学系统共同组成了发射端，而接收端则是由光学系统、光电性质传感器、放大设备以及处理信号设备共同组成的。在正常的情况下。发射端所发射出的红外性质光线在被接收端接收之后，进入到单片机中的信号是一种高电平的信号，这时候的警报控制系统并不会启动。红外线本质上是不可见光的一种，一旦发生重物撞击或者是外来人员翻窗进入的情况之时，这条不可见的光束就会被完全或者部分遮挡部分，在接受端口的电信号强度也就会随着产生对应的变化，这之后的警报控制器就会启动发出对应的警报。

2.3.3 灰尘传感器的选择

目前普遍使用的都是立足于光学原理而产生的GP2Y1010 AUOF类型的空气质量传感器，其内部主要包括一个红外线性质的发光二极管以及光电性质的晶体管。空气中的一些微小灰尘会将红外光进行对应的反射，光电晶体管将这部分发射的红外光予以接收，同时这个接收到的光强与空气中的颗粒物浓度含量是同步变化的，并且光电性质的晶体管自身的电阻数值与这个接收的反射光强也是同步变化的，也就导致其最终的输出电压会产生一定的差异。在深入分析最终电压输出以及空气中颗粒物浓度关系曲线图的基础上，就可以精准的计算出空气中的实时颗粒物颗粒含量。这种类型的灰尘传感器在能耗、灵敏度等等方面同样具备着较大的优势。

2.3.4 空气质量传感器的选择

在空气质量传感器的选择上基本都是采取二氧化锡半导体性质的气体传感器，其感应元件就是二氧化锡，在二氧化锡暴露在空气之中后，其中的SnO2就会被游离在空气中的O2进行电子的夺取工作，继而就会变成化学吸附性质的氧气附着在其SnO2的表面之上。

这种吸附性质的氧气离子会将二氧化锡自身的导电率予以降低，当二氧化锡与一些还原性质气体进行接触之后就睡释放出一定数量的电子，增强其自身的导电性，并降低其自身的电阻数值，借助于传感器自身的电阻数值以及对应点信号强度的变化就可以实现对空气中的气体检测工作。这种半导体性质元件的又可以分为N型以及P型两种，二者的气体接触侧重点各有不同，前者主要是通过与还原性气体进行反应将其电阻数值予以降低，后者的元件通过与自身的可燃性质气体进行接触之后，将其电阻增大主要是负责检测一氧化碳、天然气等等气体。

2.4 窗户模块

窗户目前主要有平移或者是转动两种形式，在选择机械性质传动机构模块的时候此二者之间的选择存在着较大的差异。新风系统中窗户进行开关操作的动力主要来源于电机，在确保窗户自身开关精度控制较高的目标上基本都是采用对应的步进类型电机。借由之前使用的STC12C5A60S2/AD/PWM单片机直接向电机的驱动模块发送对应的控制指令，将步进类型电机的转动速度、转动方向以及实际步数进行严格的控制，随后借助于传动结构的帮助实现窗户的自动化平移或者是转动操作。

2.5 交换全热新风部分的选择

新风系统中交换全热新风的换气机部分主要包括了热量回收、双向性质的流风机、过滤设备以及加湿除湿设备等部分，该换气机具有换气的双向化以及效率较高和能耗较低等等优势。在其进风以及排风的子系统中具备这内置性质的送风以及排风设施，并且同时安装有风机以及对应管道，进风风机向室内送风以及排风风机向室外排风两步操作時同步进行的，达成了风向的双向等量置换目标，始终确室内新鲜空气的数量以及质量，同时还可以针对空气中的PM2.5开展对应过滤处理工作。除此之外，这种类型的换气机与之前传统类型的换气机相比，不同之处就在于其中包含的全热交换器会进行室内与室外空气中的热量交换工作，根据季节变化对室外空气进行对应的加热或者是冷却之后再将之引入到室内之中，在将室内的温度损耗予以降低的时候，将原本的室内的用于制冷或者是取暖的能源消耗予以降低。

3 智能化新风系统的软件设计注意事项

3.1 客户端软件的设计

根据目前市面上安卓手机的数量及其普及程度，为了最大范围内保障其使用者数量，其客户端主要是针对Android系统手机用户的。在进行程序编写的过程中。考虑其今后的扩展性以及适用性，选择Eclipse工具作为其主要的程序编写工具。这个客户端主要包括数据的实时查询、显示、远程控制以及历史数据查询、智能连接等功能。在其登陆界面上将自己的服务器账号以及密码输入其中，后台借助于POST方式将之传送到服务器的后台之中，经由其内部的账号密码数据查询，全部正确则进入主界面上。其中的智能连接使用的就是AILINK类型的技术，借助于之前的控制器模块与当前移动终端进行网络连接，以此实现设施与不同性质网络的灵活化连接。其中的数据查询功能，通过电机主界面的数据查询按钮，接下来就会跳转到一个设施添加界面上，点击添加按钮的同时程序自身就会使用一个httpClient实例讲一个URL发送到对应的服务器上并进行一个GET请求，查询已有设施之后并返回到上一级界面上，就完成了设施的添加操作。其数据查询的前部步骤也是通过实例的查询，随后就是发送查询函数请求。并接受返回值并进行对应的split（）处理之后将结果予以显示。

3.2 WIFI模块程序的设计

之所以选择WIFI模块，主要原因就其自身的传输距离以及速度、效率等方面与蓝牙等技术相比有着极大的优势。一般WIFI设施自身具有AP以及STA两种工作模式。新风系统使用的WIFI工作模式就是STA模式。这种模式本身就是把WIFI设施看成是一个终端或者是接入热点之一，需要与该设施进行对应通信操作之时需要先与该设施的AP进行对应的连接。目前使用频率较高的WIFI模块类型主要是ESP8266无线射频模块，其自身的通信编程就是借助于单片机自身的串口将AT控制指令传送到对应的ESP8266工作模板之上，以便进行网络连接工作，才可以进行随后的服务器访问以及数据发送等等操作。在与路由器完成连接之后其工作模板主要是负责将实时的监测数据定时性的发送到对应的服务器中以及针对服务器中开关量的具体数值进行定时的检测工作，并且需要注意的一点就是全部指令的字符化，以便数据的读取以及上传。这类型WIFI模块的具体数据如表1所示。

4 结语

目前日益严重的空气污染问题与人们所需的居住环境要求完全不符，也正是因此在物联网技术的加持下，才诞生了对应的新风系统用以控制室内的空气环境，本文从其工作原理分析出发，深入解析了其硬件以及软件选择以及设计方面的注意事项，希望可以对今后的新风系统发展提供一定的帮助。

参考文献

[1] 张棋，刘雨钊，王慧娟，王锦荣，殷凯强.智能可控式家用新风系统的现状分析及优化设计[J].装备维修技术，2019（03）：214+213.

[2] 仲志成，汪书秋，叶新，陈渤潭.智能新风系统的设计[J].计算机产品与流通，2019（07）：154.

[3] 何金凤.基于ZigBee技术的无管道智能新风系统设计[J].工业技术与职业教育，2018，16（03）：6-10+24.

[4] 周旭雷.智能楼宇空调新风系统分析[J].四川水泥，2018（07）：304.

[5] Catalina Aranzazu-Suescun，Mihaela Cardei. Anchor-based routing protocol with dynamic clustering for Internet of Things WSNs[J].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，2019（1）：32-35.

[6] Marcus A.G. Santos，Roberto Munoz，Rodrigo Olivares，Pedro P. Rebouas Filho，Javier Del Ser，Victor Hugo C. de Albuquerque. Online heart monitoring systems on the internet of health things environments： A survey， a reference model and an outlook[J].Information Fusion，2020，53：5-12.

Abstract：Under the premise of the continuous development of the national economy， it is followed by more serious environmental pollution problems， especially with the most serious air pollution. The most obvious external manifestation is the increase of haze weather. In addition， the indoor environment in which people live is also frequently exposed to excessive pollutants such as carbon dioxide and formaldehyde. Under the premise of people's living standards， the air quality requirements for indoor environment are gradually improved. Together with the development of Internet of Things technology， it has accelerated the development of smart homes. At present， in the process of purifying indoor air quality， intelligent new style The system is the focus of its research and development. This paper starts from the analysis of its working principle， and based on the hardware selection and software design perspective， analyzes some of the technologies and specific designs used.

Key words：Internet of Things; intelligent fresh air system; working principle; system design