基于物联网的家居空气质量净化系统

蔡文郁，徐建军，王洪亮

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)



基于物联网的家居空气质量净化系统

蔡文郁，徐建军，王洪亮

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)

摘要：针对目前大气污染的现状和人们对健康室内环境的需求，研究并设计了一种基于物联网的家居空气质量净化系统.系统以ARM-Cortex-M0内核微控制器NuMicro-M058芯片为硬件核心，采用嵌入式RTX操作系统为软件平台，具有三层滤网、光触媒消毒、紫外线杀菌等多种净化功能，而且还具有PM2.5，VOC，温湿度等空气质量数据采集功能，最终通过服务器与手机端程序的编写实现了物联网化远程监控.

关键词：大气污染；空气净化；NuMicro-M058；RTX；物联网

0引言

随着我国经济的快速发展，中国面临着越来越严重的环境污染压力.近年来雾霾一词逐渐进入人们的视野，空气污染问题也越来越引起人们的关注.通过室内的空气净化器可以大大降低空气污染对人们的危害，因此空气净化器被越来越多人的接受，迅速成为一种新兴的家用电器[1].进入21世纪，随着物联网技术的兴起，只具有单一净化空气功能的空气净化器已经无法满足人们的需求，人们不仅要求空气净化器具有净化空气中各种有害物质的功能，而且还需要对空气质量做出评估，并实时反馈给用户[2-3].本文利用物联网技术对空气净化系统的功能进行了扩展，用户不仅能使用遥控器直接操纵空气净化器，还可利用APP软件监测和操控空气净化系统，随时随地掌握室内空气质量状况.

1物联网系统框架

本文设计的基于物联网的空气质量净化系统主要包含空气质量采样和净化装置、数据处理中心和移动端应用.空气质量采样和净化装置由控制、采集、显示、过滤等组成；数据处理中心采用Ubuntu作为服务器操作系统，使用Socket接口作为通信接口，通过网络层、业务逻辑层、数据访问层三层组织结构来实现；智能手机端应用以Android作为系统平台，与服务器端构成客户端/服务器(C/S)系统，实现了用户远程控制和接收空气净化器数据.

系统框架如图1所示，主要工作原理如下：微控制器核心实时接收温湿度传感器、PM2.5传感器、气体传感器传送的监测数据，并通过网络通信模块发送给服务器，再由服务器发送给相应的智能手机端.同样的，智能手机端发送的控制命令由服务器发送给空气净化器，控制空气净化器开关和相关的电机、紫外线消毒、负离子净化的工作.用户也可以通过按键或红外遥控器对净化器进行近距离的控制.本系统具有三档调速及光触媒[4]和负离子的开关设置功能，通过WiFi连接网络后用APP远程操控，支持自动净化智能调整模式.

图1　基于物联网的空气净化系统框架

2设备端软硬件设计方案

空气净化器控制电路由微控制器、传感器、电机、液晶、按键、网络通讯、供电等模块构成，主要任务是采集、分析、传输多种传感器监测到的数据，然后提供本地遥控和远程控制功能.用户可以在本地触摸段码屏进行数据监测和仪器控制，也可以通过无线网络通信进行数据发送和接收.系统硬件框图和实物图如图2所示.

空气净化器MCU系统采用嵌入式RTX操作系统，8个工作线程分别实现任务管理、IO口操作、传感器数据采集、触摸屏扫描、段码屏控制、液晶屏动画显示、无线WiFi通信、看门狗等8个功能，并创建了外部中断与串口中断，用于实现红外和远程控制.图3展示了软件系统的整体框架，其中每个线程都是一个单独循环事件，当触摸按键线程收到关机命令时，结束程序，关闭其他工作线程.

3服务器和手机软件设计方案

3.1服务器端软件方案

服务器端平台采用基于Ubuntu12.0464位的云服务器.云服务器是一种简单高效、处理能力可弹性伸缩的计算服务，与传统的自建服务器相比具有构建快、稳定、安全、高效和低成本等诸多优势[5].Ubuntu作为目前较为流行的Linux发行版本，具有部署简单、软件丰富、开发方便等优势，服务器端数据库采用My SQLserver 5.5.37.

服务端程序主要分为网络层、业务逻辑层和数据访问层.其中网络层主要实现创建Socket连接和为每个Android手机用户和空气净化器创建多个线程连接.业务逻辑层主要对网络层接收上来的消息进行处理，业务逻辑层根据消息的内容选择连接数据库、转发到其他线程或者是返回处理消息等操作.数据访问层主要实现用户的登录注册，空气净化器的登录及空气净化器和用户的配对工作.服务端程序的流程如图4所示.

图4　服务器系统数据流图

3.2手机端软件设计方案

智能手机端应用程序采用Android作为应用平台，包含主界面、注册界面、登录界面、添加设备界面、设备状态界面、控制界面、设置界面和使用说明界面8个主要界面，界面结构方案如图5所示，主要界面样式如图6所示.

图5　安卓界面结构方案

图6　安卓平台APP主要界面

4系统测试

本文对空气净化器设备端软件、服务器应用程序和Android应用程序分别进行测试，其中对空气净化器设备端软件进行了功能测试和性能测试，对服务器应用程序进行了网络层与数据访问层的测试.除此之外，本文还测试了空气质量传感器的数据采集功能、空气净化风扇电机的控制、空气净化器软件系统是否正常工作、触摸液晶能否正常显示与控制、空气净化器能否正常连接WiFi网络等方面.

在室温18 ℃和湿度44%的环境下进行设备端软件功能测试，测试结果如图7所示，图7(a)为自动模式下测试图，由于PM2.5与TVOC处于良好状态，所以空气净化器以最小风力运行，并且设置了4 h的定时关闭.图7(b)为手动模式下测试图，用户可以自由控制风速、光触媒(紫外线)、消毒(负离子)及定时关机功能，通过操作各个按键来观察液晶显示是否正常，并检测空气净化器相应部件是否按用户操作方式运行.

图7　软件测试结果

测试结果表明本系统满足设计要求，在成本低廉的情况下仍具有丰富的功能和高可靠性.本文设计的基于物联网的家居空气质量净化系统已组装成型，并进行了批量生产，如图8所示.

图8　整机组装及量产测试图片

5结束语

本文设计并研制了一套基于物联网并且具有多种检测净化功能的家居空气质量净化系统.与市场上的相关产品相比，本系统能实时测量多种空气质量参数，并具有三层滤网、光触媒、紫外线、负离子等净化功能，通过手机程序实现了远程监测和控制空气净化器的功能.经实验室系统联调和工厂车间的批量调试，整套系统工作稳定，目前已经投入批量生产.

参考文献

[1]高立新,陆亚俊.室内空气净化器的现状及改进措施[J].哈尔滨工业大学学报,2004,36(2):199-201.

[2]POORTER E D, MOERMAN I, DEMEESTER P. Enabling direct connectivity between heterogeneous objects in the Internet of Things through a network-service-oriented architecture[J]. Eurasip Journal on Wireless Communications & Networking, 2011, 2011(1):1451-1459.

[4]AO C H, LEE S C. Indoor air purification by photocatalyst TiO2 immobilized on an activated carbon filter installed in an air cleaner[J]. Chemical Engineering Science, 2005, 60(1): 103-109.

[5]罗军舟,金嘉晖,宋爱波,东方.云计算:体系架构与关键技术[J].通信学报,2011(7):3-21.

The Home Air Quality Purification System Based on Internet of Things

CAI Wenyu, XU Jianjun, WANG Hongliang

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：For the current status of air pollution and the demand for healthy indoor environment, the paper studies a type of home purification system which based on the internet of things(IoT). The system uses the ARM-Cortex-M0 core micro-controller NuMicro-M058 as the hardware platform, and RTX embedded operating system as the software platform, with three filters, a variety of purification photo catalytic disinfection, ultraviolet disinfection, etc. The air purifier also has a collection function for air quality data such as PM2.5, VOC, temperature and humidity. It also can connect through the server and mobile client applications to implement remote monitoring.

Key words：air pollution; air purifier; NuMicro-M058; RTX; the internet of things

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.04.002

收稿日期：2016-01-05

基金项目：浙江省自然科学基金资助项目(LY15F030018,LY16F030004)

作者简介：蔡文郁(1979-)，男，浙江慈溪人，副教授，电路与系统.

中图分类号：TP277

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2016)04-0005-05