戴 艺， 孙慧霞， 申立朝， 王 帅， 张玮宸， 马紫微

（运城学院物理与电子工程系，山西运城 044000）

0 引言

随着物联网等新一代信息技术的发展， 将物联网技术应用于智能家电，可以实现远程监控、安全监测等，显著提高人们的生活质量[1]。 传统的空气净化器通过内置的空气净化网以及抽风机对周围空气进行抽取、 过滤等方式实现净化，存在一定的净化死角，对微小颗粒物的净化率不佳，而且不能及时提醒用户更换滤网，存在空气二次污染风险。因此设计一款能实现智能化、对微小颗粒物净化率高及可以提醒用户更换滤网的空气净化器具有较高的研究意义和使用价值。

1 智能空气净化器的系统设计

1.1 空气净化器系统总体框架

空气净化器的系统总体框图如图1 所示，由硬件端和软件端组成。通过传感器实时监测空气质量并将数据实时反馈到主控单元。 主控处理数据并实时显示到串口屏上。同时，主控单元将数据处理并上传，通过物联网模组连接MQTT 服务器，PC 网页端、微信小程序以及手机移动APP与MQTT 服务器数据交互，实时显示当前空气质量，用户可远程控制净化器风机、 负离子发生器的开启与关闭[2]。当检测到的空气质量参数超出国家标准时， 主控单元自动打开继电器，运行风机、负离子发生模块净化空气[3]。

图1 空气净化器系统总体框图

1.2 空气净化系统结构设计

空气净化器的外观采用SolidWorks 软件设计，如图2所示，装置设置有两组抽风机构和两组过滤结构。 风机开启时先将空气从装置底部抽入， 首先气流会通过底层放置的HEPA 滤网， 其次是风机模组， 再经过上层的活性炭滤芯和负离子发生器， 将净化后的空气释放到装置外。

图2 空气净化器结构图

1.3 负离子净化技术

负离子发生器能间接形成大量的负离子，与空气中的微小的细菌、 病毒和微小飘尘相吸附，使得微小颗粒物因此沉降。

本设计采用主被动结合的净化方式， 通过主动释放负离子，高效率净化微小颗粒。 与HEPA 滤网、活性炭滤网被动净化空气中大颗粒物、甲醛等结合，实现高效快捷的净化效果[4]。

1.4 功能创新设计

本系统设计了活性炭饱和预警功能及用户自定义功能。活性炭饱和预警功能通过增加监测活性炭饱和的预警器，能够提醒用户及时更换滤网，避免造成二次污染。当甲醛被吸收直至达到饱和状态时，会成为甲醛散发的有毒来源，因此需要及时更换过滤器防止二次污染。 本系统通过监测活性炭实时状态并将其显示到客户端显示界面，在活性炭达到饱和时提醒用户，有效避免了二次污染。

在自动模式控制下，本系统加入了用户自定义功能，用户可通过修改设置的阈值来实现自动净化的调整，根据不同环境来选择净化的强度。

2 空气净化器硬件电路设计

2.1 整体硬件电路设计框图

空气净化器整体硬件电路设计框图见图3，由STM32 F103RCT6 控制系统及电源模块、温湿度采集模块、负离子发生模块、甲醛传感器模块、继电器控制电路、CO2检测模块、PM2.5 传感器、ESP8266 通信电路、串口屏显示模块等组成[5]。 同时，系统通过各个传感器模块来采集数据。STM32F103RCT6 将处理后的数据通过ESP8266 模块发送到MQTT 服务器，由服务器将数据上传到微信小程序，实现人机交互。

图3 空气净化器硬件电路设计框图

2.2 STM32F10RCT6 系统电路设计

本系统选用STM32F103RCT6 作为核心处理器，见图4。系统电路由3.3V 稳压电路、电源指示电路、时钟电路、复位电路组成最小电路系统。该系统采用ARM 架构[6]，内核为CortexTM-M3 32 位微控制器，拥有丰富外设，可以连接各种传感器。 选用RCT6 主频为72MHz，由于程序的需要选用大容量512K。 单片机的最小系统供电电压为3.3V，由于电路设计需要，添加5.0V 转3.3V 的稳压电路，选取的方案为ams1117。

图4 STM32F103RCT6 系统电路

2.3 主板硬件电路PCB

图5 为主板硬件电路的PCB 图。 主板硬件电路的绘制设计以电源电路的设计为主要核心， 再针对其系统设计功能选用芯片， 在此基础上为其增添其余功能电路， 主要包括复位电路、稳压电路、电源指示电路、通信电路、传感器电路、继电器控制电路等。

图5 主板硬件电路PCB

3 空气净化器系统软件设计

图6 为空气净化器系统的软件总体结构[7]。 硬件端实时监测当前空气质量并通过MQTT 协议上传将数据上传到云服务器，服务器处理并下发数据到软件客户端显示；同时， 客户端可远程操作系统， 当软件端做出相应操作后，回传数据到云服务器，服务器处理并发送数据到硬件端，主控接收数据并做出相应操作。

图6 空气净化器系统软件总体结构

远程客户端开发。远程客户端的开发包括网页端、微信小程序端、Android APP，均可实现远程控制净化器。

本系统网页端的开发框架使用Node-RED 框架，设定面板中的各个节点温度、 湿度、PM2.5、PM10、 甲醛、CO2、风速、温湿度警告、当前天气、地图等将它们连接在一起，构成一个“流”。 其页面设计如图7 所示。

图7 网页端主页面

微信小程序数据库共设计数据表6 个。 小程序的页面见图8，服务器传来的数据被上传到主界面，从而显示当前的空气质量。 并且在参数设置页面可修改设定的阈值，见图9。

图8 微信小程序主页面

图9 参数设置页面

针对Android 系统开发了手机APP，在设计和开发APP的整个过程中，创建了3 个主要的系统。 主界面见图10。

图10 APP 主页面

4 实验测试与结果分析

4.1 测试方法

根据适用于测试欧美标准净化器的区域测试， 测试净化器的适用面积要根据空气在一小时内可过滤5 次的区域计算， 并且周期数通过按房间大小划分空气量来测量。 按照这个标准，采用示波器、万用表、网络测试工具、密闭透明罩、加热片、加湿器、烟雾片、甲醛自测盒、分贝测试仪等测试仪器， 以一个60m2的空间作为测试地点，再让10 个人进入这个空间。 此时需要对室外和室内的PM2.5 浓度和甲醛进行检测作为对比数据。 在这个空间内放置并开启空气净化器，在此期间的1h 内，每隔15min监测并记录一次。一个小时后，数据记录结束，测试完毕。空气净化器测试数据见表1。

由表1 数据对比得出，空气净化器在空间内运行后，PM2.5 的浓度和甲醛的浓度都有明显的下降； 空气质量由差变为优，净化效果显著。

表1 空气净化器测试数据

补充实验1：利用加热片、加湿器、烟雾片依次制造不同的场景污染，在空气质量指数达到100 以上时，空气净化器出现预警警告。

4.2 测试结果分析

经过数据测试对比，空气净化器对室内空气的净化效率和洁净空气量均能满足家庭空气质量指数标准数值。

衡量空气净化器净化效果的主要指标有CADR（Clean Air Delivery Rate，洁净空气输出比率）和CCM（Cumulate Clean Mass，累计净化量）。

据检测数据得甲醛CADR 值高达400m3/h，CCM 值为F4 级别；而颗粒物CADR 达到756m3/h，CCM 为P4 级别。可以表明净化器对于去除甲醛和颗粒物方面的净化效率高，而且滤网使用时间长。

5 结束语

本文设计并实现了一种基于物联网的智能空气净化器，该装置采用空气过滤系统与物联网技术，配备负离子净化装置及活性炭饱和预警功能， 达到提醒更换滤网并实现净化空气的目的。通过空气过滤系统、风机模组进行快速的空气净化，有效提升空气的净化效率，保证了室内空气的质量。 同时设计了微信小程序、Android APP 以及网页端，可实现远程控制空气净化器。更具人性化的设计使用户可以通过语音实现智能家居的控制， 给人们提供更好的智能家居体验。