韩宇光， 房金宝， 张贤益， 王宇帆

(华东理工大学 信息科学与工程学院， 上海 200237)

智能空气净化平台的开发

韩宇光， 房金宝， 张贤益， 王宇帆

(华东理工大学 信息科学与工程学院， 上海 200237)

针对目前日益严峻的环境污染问题与人们的迫切需求，开发了智能空气净化平台。整个系统利用Arduino UNO3单片机作为主控芯片，驱动PM2.5粉尘传感器采集空气质量信息，根据不同空气质量分为优、良、中、差4个等级，从而控制风机的不同转速。设备上的液晶屏幕显示PM2.5指数，通过ESP8266 WiFi模块将PM2.5数据上传到中国移动物联网开放云平台，在移动端可以随时查看设备所处位置的空气质量。与传统空气净化器相比，智能净化平台实现了自动控制和功率降低，同时搭建了物联网云平台，可以将实时净化信息显示在网页端、移动端。试验结果表明，该平台效果良好，性能稳定，实现了预期的空气净化和远程观测功能。

空气净化器； 智能控制； 物联网； 脉冲宽度调制； 负离子净化

0 引 言

随着全球工业化发展等原因，大气污染越来越严重，可能诱发疾患或引起慢性中毒，甚至有致癌影响。因此，改善室内空气环境成为一种迫切需求，空气净化类工具也在各领域内出现[1-3]。本设计在净化器的基础上利用单片机Arduino UNO3系统实现自动检测空气质量，从而控制净化器的不同风机工作档位，实现空气净化，同时设备的监测数据能够通过互联网传输到云平台，以便使用者及时查看空气质量变化情况。

1 系统总体结构

本设计内部以Arduino UNO3单片机作为主控芯片，通过PM2.5粉尘传感器采集信息，将信息返回给主芯片，从而控制其他模块的运作。信息还会传送至LCD模块和物联网平台，用户可以通过LCD显示屏以及OneNET中国移动物联网平台查看信息，及时掌握室内空气质量的变化，过滤总过程如图1所示。

图1 过滤总过程示意图

2 硬件设计

2.1 单片机控制模块

本设计主控Arduino[4]具有质廉价优、函数封装简单易用等特点，在智能家居设计领域也有所使用[5]，本设计采用其做主控芯片，尤其是PWM输出功能，可以高效控制电动机转速以及软串口功能，可以很好地满足本设计需求。

2.2 应用模块

本设计中还包含1602液晶显示模块[6-7]，调速电动机、风扇，ESP8266wifi模块，粉尘传感器等，总体连接如图2所示。

图2 硬件总体连接示意图

3 软件设计

3.1 控制系统程序流程

程序主要包括各模块初始化工作、污染检测、信息显示、工作模式控制等方面，形成了循环采样、控制的闭环控制系统，图3所示为控制系统程序流程图。

图3 控制系统程序流程图(μm)

3.2 编译环境

Arduino IDE是Arduino的开放源代码的集成开发环境[9]，其界面友好，语法简单以及能方便地下载程序。Arduino IDE 编译环境简单易用，调试过程示意图如图4所示。

图4 调试过程示意图

3.3 PM2.5粉尘传感器模块

本传感器以光的散射原理检测颗粒物浓度[10]。进而换算成为质量浓度，并以通用数字接口形式输出。传感器采用串口通信方式，传输协议如表1所示。

表1 粉尘传感器通讯协议

采用如下程序得到PM2.5浓度：

incomingByte = mySerial.read();//读取串口发来信息

if (incomingByte == 0x42)//确定起始符

count =0;

if(count==6) //pm2.5高8位

temp=incomingByte;

if(count==7) //pm2.5低8位

return (256*temp+incomingByte);//合并2 byte，返回PM2.5浓度

3.4 PWM调速模块

脉冲宽度调制(PWM)是利用数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术，应用领域广泛[11]，如图5所示。图中：tPWM为PWM波的时间周期；tON为其高电平持续时间，则占空比公式为:

D=tON/tPWM

(1)

式中：D表示高电平时间占总时间的百分比。D作为调速信号由Arduino产生进入调速电动机，控制电动机转速，进而调节净化强度。

图5 PWM波形示意图

3.5 物联网数据传输

OneNET是一个PaaS(平台即服务)物联网开放平台，在物联网领域经常使用，开放的第三方接口可以使ESP8266wifi模块传输数据到云端储存分析，以在应用中创建的仪表盘和折线图为媒介，构建实时污染物质量监测平台[13-14]。

4 运行结果分析

收集了污染指数较高的空气做样本进行净化实验。随着净化过程的进行，可以在OneNET平台上收集到空气质量的数据变化，如图6所示。可以看出，净化效果显著，虽然由于传感器偶然误差和自动控制系统的震荡等原因[15]，监测结果有一定的波动，但总体来看，PM2.5污染物含量最终降低了65.5%，最终含量约为22～24 μg/m3，低于环境空气质量标准中规定的年平均值35 μg/m3[12]，达到了良好的净化效果。

图6 云平台净化效果图

5 结 语

本设计与传统净化器设计相比，实现了自动控制、节约能源、实时反馈的作用，净化效果优良，将智能控制，物联网融入其中，该平台使用操作简单，人性化程度高。经过测试，具有良好的实用性和智能性，达到了较好的空气净化效果。

[1] 马 嫚,程 铅,陈 慧,等.基于信息融合技术的空气质量检测系统[J].电子器件,2013,36(4):554-558.

[2] 马 浩,刘亚侠.病房PM2.5监测系统的研究[J].医疗装备,2014,27(2):28-30.

[3] 文桂龙,宋开新.基于Android的静电式智能空气净化器系统设计[J].传感器与微系统,2016,35(7):90-93.

[4] 蔡睿妍.Arduino的原理及应用[J].电子设计工程,2012,20(16):155-157.

[5] 黄丽雯,韩荣荣,宋江敏,等.基于Arduino/Android的语音控制小车设计[J].实验室研究与探索, 2015,34(12):53-56.

[6] 于志赣,刘国平,张旭斌,等.液显LCD1602模块的应用[J].机电技术,2009,32(3):21-23.

[7] 王立文,邵晓根,席建中,等.LCD1602在温室CO2增施控制器中的应用[J].安徽农业科学,2008,36(33):122-124.

[8] 文吉槐,雷 才,张 迎,等.空气负离子发生器及负离子发生材料简介[J].化学教学,2015(1):92-95.

[9] 李学海,郑琳琳,王毅莹,等.Arduino集成开发环境工具栏命令详解[J].电子制作,2013(17):72-74.

[10] 汪亚东.基于激光散射法的大气PM2.5自动监测系统的设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学,2015.

[11] 胡亚琦,胡翔宇,牛 宝,等.基于FPGA直流电动机的PWM控制[J].实验室研究与探索,2014,33(9):44-47.

[12] CN-GB.环境空气质量标准[S].2012.

[13] Arfire A, Marjovi A, Martinoli A. Enhancing measurement quality through active sampling in mobileAir quality monitoring sensor networks [C]//IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM)Banff. Alberta, Canada, 2016:1022-1027.

[14] Wang Hong-Ren, Hsu Chau-Yun, Jian Ting-Ren,etal. On the design and implementation of an innovative smart building platform[C]// 2016 International Conference on Networking and Network Applications,2016:404-409.

[15] Cheng Y, Li X, Li Z,etal. Aircloud: acloud-based air-quality monitoring system for everyone[C]//In Proceedingsof the 12th ACM Conference on Embedded Network Sensor Systems,2014: 251-265.

Development of Intelligent Air Purification Platform

HAN Yuguang， FANG Jinbao， ZHANG Xianyi， WANG Yufan

(College of Information Science and Engineering, East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China)

In view of the increasingly serious environmental pollution problem and the urgent needs of people, an intelligent air purification platform is designed and developed. The system uses Arduino UNO3 MCU as the master chip to drive the PM2.5dust sensor and collect the air quality information. According to the data, it can be divided air quality into four levels: excellent, good, medium and poor, thus, speed of fan is controlled. LCD screen displays the current PM2.5index, while the ESP8266 WIFI module uploads PM2.5data to China Mobile Open Internet of Things platform. One can see the air quality with his/her mobile terminal. Compared with the traditional air purifier, intelligent purification platform can achieve the automatic control and power reduction, and it builds a network cloud platform, real-time purification information can be displayed on the web side and the mobile terminals. The experimental results show that the platform has good effect and stable performance, and achieves the expected functions of air purification and remote observation.

air purifier; intelligent control; internet of things (IOT); pulse width modulation (PWM)； anion purification

2016-10-27

2016年上海市级大学生创新创业训练计划(S16071)

韩宇光(1987-)，男，满族，黑龙江哈尔滨人，硕士，实验师，现主要从事检测技术与自动化装置研究和实验室管理。

Tel.: 13761578221； E-mail:hanyuguang@ecust.edu.cn

R 122.3

A

1006-7167(2017)08-0077-03