室内空气监测净化系统设计

引 言

近年来室内空气污染物的来源和种类不断增多，室内环境质量日益恶劣，对人体健康影响较大，目前已引起人们的广泛关注并成为研究热点。调查表明，人有 80% 以上的时间是在室内度过的，室内环境污染对人们的身体健康和生活工作质量带来了直接影响。市场上的净化器只起到净化效果，且其检测及净化装置为一个整体，效果差强人意。本系统采用分立式设计，净化范围广、安装便捷，不仅能净化空气，还具有防火、防泄漏、报警等功能，可消除室内安全隐患[1]。

1 系统设计

本系统主要由监测端主机（1 个）、监测端从机（多个）、净化端（多个）和上位机（电脑客户端和手机 App）组成，由这 4 部分构成完整的网络，作为智能家居的组成部分[2]。

1.1 监测端主机

监测端主机是系统的核心单元，是系统的控制中心和数据处理中心。它采用TFT 屏进行人机交互，用户可以查看各个房间的温湿度及气体浓度，当室内空气污浊时自动开启净化端净化空气，若室内有害气体或甲烷浓度高于100 ppm 时，认为室内空气危险，启动声光报警。同时配备WiFi 模块和蓝牙模块分别用于连接电脑客户机和手机 App。监测端主机与从机通过 2.4 G 模块通信，从机把温湿度以及气体浓度信息传送给主机。

1.2 监测端从机

监测端从机主要负责空气信息的采集，包含气体温湿度、PM2.5、CO2、CO、甲烷等。不同的从机可以携带不同的传感器， 每个从机可以同时携带 1 ～5 个不同的气体传感器。

1.3 净化端

净化端主要起净化空气的作用。可以净化 PM2.5，降解甲醛和苯，产生负氧离子，吸收异味 [3]。

1.4 上位机

上位机部分主要由PC 端客户机和手机 App 组成，PC 端通过WiFi 和监测端主机连接，手机通过蓝牙方式连接。通过WiFi 或者蓝牙可以在电脑客户端或者手机 App 上实时观察室内的空气情况，并将 7 天内的信息绘制成曲线，给出合理建议。

系统框图如图 1 所示。

2 系统实现

2.1 硬件方案

监测端主机采用功能强大的STM32F407ZET6 作为主控芯片[4，5]，主频高达 168 MHz，拥有丰富的外设模块，可以满足无线收发以及彩屏控制等功能的需要。采用nRF24L01 芯片作为无线传输芯片，该芯片通过 SPI 接口和主控相连。与手机 App 通信时采用蓝牙方式，所以使用CC2540 芯片作为蓝牙传输芯片与手机 App 进行通信，它通过串口和主控相连，数据传输非常方便。采用WiFi 的方式与电脑客户端连接，将ESP8266 芯片作为蓝牙传输芯片，当电脑连接上该芯片发射出的WiFi 信号后便可与电脑客户端进行通信 [6]。ESP8266 芯片同样也通过串口与主控相连，配置一块分辨率为 320 240 的彩色触摸屏进行人机交互。采用 5 V 开关电源[7] 供电为常用供电方式，锂电池为备用供电方式。锂电池充电采用TP4056 芯片，其充电电路如图 2 所示。

考虑到监测端从机功能较为单一，所以采用引脚较少、主频较低的STM32F103C8T6为主控芯片。与主机一样，无线传输采用nRF24L01芯片和主机进行通信。由AM2321温湿度模块测量室内温湿度，该芯片比较灵敏、准确，对温度的分辨率可达到 0.1℃，精度为 0.5℃，它通过 I2C总线和主控进行通信。提供 4 种气体传感器的接口，分别为检测 PM2.5的SDS011传感器接口、检测CO2的MH-Z14传感器接口、检测甲烷的MQ-2传感器接口和检测CO气体的MQ-7传感器接口。其中SDS011通过读取数据口的高电平比例来计算 PM2.5的浓度，其他气体传感器均采用ADC转换的方式读取气体浓度。供电采用12V开关电源和锂电池混合供电的方式，开关电源为常用供电方式，锂电池为备用供电方式[8]，当停电时立即开启锂电池供电。

净化端内部主要由风扇、过滤网、负氧离子发生器组成。其中负氧离子发生器和风扇由监测端从机控制，负氧离子发生器由紫外灯板组成，紫外灯照射空气后可以产生大量负氧离子， 使空气更加清新。过滤网由光触媒滤网、HEPA滤网、活性炭滤网组成，空气经过过滤网后不仅可以降解苯、甲苯等有害分子，还可以吸附 PM2.5，吸收异味。当监测端主机检测到空气污浊时，控制风扇和紫外灯板净化空气。

2.2 软件方案

系统共使用 4 个 2.4 G 无线模块，模块初始状态均配置为接收方式，每个无线模块拥有不同的地址，依次为 0x01 到0x04。当某个模块需要发送数据时先配置发送方式，将接收地址和需要发送的数据写入数据包中后开启发送，数据包发送成功后会收到接收方的应答信号，可以根据应答信号的有无判断数据包是否发送成功。如果发送成功则重新切换成接收状态，如果发送失败则重新发送，连续 5次发送失败后放弃发送。2.4 G网络数据包格式如表 1所列[9]。

WiFi 模块、蓝牙模块分别和电脑、手机建立连接后可直接使用发送函数发送数据。

监测端从机每分钟采集 10 次空气成分信息，经处理后发送到监测端主机。由于测量数据易受环境影响，会产生粗大误差，所以在 10 次测量结果中剔除粗大误差后取平均值作为当前空气浓度的真实值。剔除粗大误差采用格拉布斯准则： 当某测量值 Ui 的残差的绝对值|Vi| ＞ G时，则剔除 Ui，其中G 值与测量次数和置信概率有关[10]， 为数据的标准差。

监测端主机首先接收空气成分数据，在 TFT屏上显示， 若与电脑或手机建立连接则将数据发送到电脑或者手机。当空气污浊（CO2浓度大于 500ppm、PM2.5浓度大于 25g/ m3）时，发送净化指令到监测端从机，从机控制净化端净化空气。当有害气体浓度超过正常值时，开启声光警报，同时发送净化指令。监测端主机程序框图如图 3所示。

3 系统测试

为检测 2.4 G 网络能否通信，可通过编程让 4 个监测端从机每秒发送 20 个字节的数据，在主机的 TFT 屏上实时显示接收到的数据，用以验证结果是否达到了预期要求。

为检测系统的净化能力以及测量的准确度，特地购置了阿格瑞斯公司型号为WP6120 的 PM2.5 检测仪。在生活中， PM2.5 的来源主要是厨房里的油烟，所以实验地点选择在厨房，将 WP6120 检测仪和本系统放置于同一地点并产生一定的油烟，记录两者的数据并绘制成如图 4 所示的净化效果图。

由测量结果可知，本系统的误差在 1 g/m3 范围内，对PM2.5 的滤除非常有效，整体上达到了设计要求。

4 结 语

本系统实现了空气检测及净化和可燃气体泄漏报警的功能。同时和物联网技术结合在一起，符合当今技术发展的方向。

系统具有电脑客户端和手机App，TFT 彩色屏等人机交互界面，非常人性化。系统具有很强的实用性，大大提高了人们的生活质量，可广泛应用于家庭、医疗系统、行政机关、企事业单位等场所。