分布式自适应空气净化系统的设计

黄海峰

（镇江高等专科学校 电气与交通工程学院，镇江 212028）

近年来，随着我国环境空气污染问题越来越严重，人们对自己所处环境的空气质量日益关注。2011 年，世界卫生组织指出：室内空气已经高出室外空气污染5 ～10 倍，如空气中悬浮的细菌、病毒、异味以及化学气体等都会威胁到人体健康[1]。作为改善空气质量的有效产品，空气净化器成为不少家庭的标配。目前，空气净化器系统往往采用集中控制方式，不能根据污染源产生的地点和污染程度选择合适的净化控制方案，造成净化消耗功率高且不环保，同时缺乏远程监控能力。

因此，本文设计了一种分布式自适应净化系统，由服务器、通信网络及若干的分布式净化节点构成。每个净化节点由净化器和空气质量检测系统组成，通过以太网与上位机通信。系统可以根据建筑物内部结构布局，灵活拓展。

1 系统总体方案设计

本系统采用3 层网络架构，分别为应用控制层（计算机）、网络传输层（结合实际使用，采用以太网通信模式）和分布式净化节点层（分布式净化节点）[2]。系统的总体结构如图1所示。

因为实际建筑物内部空间结构、空气流通状况非常复杂，往往难以正确描述系统的动态，所以很难建立精确的控制模型。本系统模糊控制算法对分布式净化节点采集的空气质量数据进行分析处理，并根据污染程度和污染位置选择临近的净化器工作，精确控制分布节点的净化机工作状态。系统运行过程中，远程组态监控系统不断统计分布节点的运行状态、工作时间及净化效果，实时修改模糊规则库，优化系统控制效果，使之达到高效节能环保的目的。

2 自适应控制算法设计

模糊控制的关键在于建立模糊规则库。根据先验经验，可建立一个初始的模糊规则库[3]。根据实际运行效果，实时修改模糊规则库。

根据输入（污染程度）分成无污染、轻、中等、重度等4 级，输出（净化机功率）分为不工作、弱、强、最强等4 级，模糊规则库为4×n模糊控制矩阵，其中n为节点个数。m(i,j)表示对应节点输出控制量。其中：i行下标表示污染程度，i=1 对应“无污染”，i=2 对应“轻”，i=3 对应“中”，i=4 对应“重度”；j列下标表示节点位置。

本文以空气质量指标PM2.5为例，说明自适应模糊控制器的建立与调整过程。工作时，先由经验（或实验数据）配置一个初始的模糊规则库，然后每隔一段时间Δt检测某节点PM2.5值，计算当前时刻PM2.5(t)值与前一时刻PM2.5(t-1)值之差ΔPM2.5。如果ΔPM2.5为负，说明m(i,j)对应节点输出控制量适当，净化是有效果的，PM2.5在减少。如果ΔPM2.5为负值但绝对值很小，说明净化效果不理想，否则ΔPM2.5为正，PM2.5在增加，说明m(i,j)对应节点输出控制量偏小，净化效果差，需要增加m(i,j)。如果单位时间ΔPM2.5下 降比较少，如ΔPM2.5/Δt＞-0.2（0.2 数值根据系统实际工作需要设定），则m(i,j)=m(i,j)+Δm。具体流程如图2 所示。

3 自适应空气净化系统的设计

考虑到分布式净化系统分布范围广，因此需要采用远程控制[4]。本系统控制器选择台达DVP12SE 作为控制器。采用单片机ATmega328 采集PM2.5空气质量的数据，建立系统测试模型。监控管理层系统组态画面设计界面，如图3 和图4 所示。

3.1 分布式净化节点设计

每个分布在室内各处的净化节点由两部分构成[5]：一部分为空气质量采集系统，可以根据要求配置不同传感器模块，采集相应的空气质量参数；另一部分为空气净化模块（净化机）。净化机原理是利用机器内的风扇使室内空气循环流动，其中污染的空气通过空气过滤器将各种污染物清除或吸附，然后被风扇送出，达到清洁、净化空气的目的。所以，净化机的控制可等效为风扇电机控制。

3.2 系统功能设计

分布在各处的净化节点把采集到的空气质量数据如PM2.5通过网络设备（交换机、路由器）传输到服务器。如图5 所示，分布式自适应空气净化系统的主要工作流程：PLC 控制器先通过组态监控系统配置初始模糊规则库，对硬件模拟量模块初始化；开始工作读取模拟量模块各个通道输入的电压值，根据输入通道与各个分布式节点一一对应关系获取污染分布区域，再根据读取的电压值转换成PM2.5值，判断污染程度；由污染节点（位置）和污染程度查模糊规则库得到控制输出量，控制相应节点净化机工作，并把运行状态传输给组态监控系统，延时合适时间后再进行下一次测量[6-7]。

污染程度判断[6-8]：当屋内空气质量PM2.5≤50 μg·m-3时，屋内没有产生污染，净化系统保持原始状态；当50 μg·m-3＜PM2.5≤250 μg·m-3时，空气为轻度污染，有烟雾产生，PLC 接收到信号便开始启动第一档位的净化器净化功能效果；当250 μg·m-3＜PM2.5≤450 μg·m-3时，空气为中度污染，PLC接收到该信号开始启动到第二档位驱动净化功能效果；当PM2.5＞450 μg·m-3时，空气为中度污染，PLC 接收到该信号开始启动到第三档位驱动净化功能效果，此时的净化器达到最大驱动净化功能[8]。

3.3 模拟净化测试

以一套三居室住宅建筑模型为测试对象，在房间内放置市场上的某空气净化产品和本文提出的自适应空气净化系统进行对比实验。通入等速且等量的废气，检测空气中的PM2.5浓度，结果如图6 所示。采用自适应空气净化系统的PM2.5浓度含量下降较快，节约15 min 左右。

4 结语

设计的分布式自适应空气净化系统优点和效果在于：一是可以随时监控不同区域位置污染状态，实时控制邻近净化节点的工作状态进行有针对性的控制，有利于提高净化效率，达到环保节能的目的；二是采用模糊控制方法，模糊规则能根据实际控制效果实时修改，使控制规律更符合实际情况，自适应实际控制环境；三是系统扩展方便，由于本系统采用分布式净化节点结构，通过增加节点能够比较方便地根据控制建筑物扩展系统。经过净化模拟测试，可以证明系统基本能够达到节能高效的设计目的。