基于物联网的智能防雾霾新风系统

袁海娣

摘要：基于物联网的智能防雾霾新风系统，可以根据环境状况自动选择全热交换新风还是打开窗户进行自然通风，智能加湿。也可对盗贼越窗、小孩翻窗等情况发出报警，对室内有害气体浓度进行感知。系统的判断行为及结果可传送至用户手机，环境的数据情况通过物联网上传到云数据端，方便用户进行信息的交互。系统的硬件和软件采用模块化设计，控制程序采用C++语言编制，方便控制功能更新换代程序移植和升级，也能体现人性化的优点，可满足用户的多样化需求，提高用户生活质量。

关键词：智能；防雾霾；全热交换新风；物联网

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）32-0251-02

1 概述

您有没有遇到过这种情况：在室内久坐会感觉闷闷的，昏昏欲睡，想开窗透气，又苦于室外雾霾横行。长期开启空调而紧闭门窗的房间，是空气中PM2.5，甲醛和细菌含量最高的地方，也会导致CO2严重超标。长时间生活在空调房间，人会很不舒服，出现胸闷、头晕、精神不振等一系列症状，这种不良反应称为空调房间综合症，若空气中PM2.5过高会得更多疾病的可能。

中国城市雾霾天气的发生趋于常态化，因而雾霾的监测与治理比以往的任何一种污染物控制治理都要复杂。而现在住宅室内装修产生的污染物均存在或高或低的超標现象，其中超标严重的污染物为CO2、甲醛和TVOC，由此可见改善室内空气品质是目前国内住宅亟待解决的一项重要问题。相比而言，欧美的住宅通常设置有集中新风系统而国内普通住宅装修基本没有安装新风系统。

目前家庭为改善空气质量主要使用的是空气净化器和新风系统。空气净化器是一种通过空气进化装置将空气中的细菌和杂质去除，起到净化空气的作用，而新风系统主要是通过排气和送气将密闭环境中的浑浊气体排出。两种方案都可以有效的提高密闭环境的空气质量。我们设计的基于物联网的智能防雾霾的新风系统就能解决这个问题。

2 系统概述

我们的设计是在原有的家庭窗户上进行改造，普通家庭只要改2扇窗户即可。如图1，整个基于物联网的智能防雾霾的新风系统是以STC89C52RC单片机为核心，具备PM2.5检测、烟雾检测、湿度检测、红外探测检测、温度检测等传感器模块、全热交换新风、窗户本体及机械传动机构、供电模块、加湿模块、物联网及用户终端（如手机、电脑）组成。单片机核心控制模块通过传感器模块采集室内外大气环境参数、窗户安全信息检测等信息，自动选择机械传动机构打开窗户自然通风还是全热交换新风、是否加湿等自动控制。用户终端通过通信模块、物联网、无线传输模块与单片机核心控制模块建立信息交流和用户指令的下达。电源模块为整个智能防雾霾新风系统提供电力。

1） 当房间内的可燃性气体和烟雾等超出预先设定值，可以自动同时打开窗户和新风系统，通过灯光颜色的不同，明确不同的安全等级，例如红色代表危险，绿色代表轻度，蓝色代表无污染。同时可以通过物联网平台向移动端发送信息，并即使开启新风装置，提高空气质量。

2） 当检测空气质量良好时，会自动打开窗户通风。如遇雨雪天气不利于开窗通风，方案中设计有湿度传感器可以有效检测湿度情况，并根据一定参数，决定是否关闭窗户。如果没有雨水，空气质量较好并且温度适中，窗户自动打开。

3） 当空气质量不佳时，会自动启动新风系统，新风系统采用的是净化型全热交换器，全热交换器是一种高效节能通风装置，其基本思想是通过能量回收机芯，并利用室内外温度差，实现能量交换，解决新风系统的能耗，达到节能换气的目的，其节能效果非常显著。同时我们附加了三重过滤段，将室外到室内的新风通过初效、活性炭、hepa高效滤网进行PM2.5、甲醛、雾霾、细菌粉尘等净化之后再送到室内。

4） 当室内空气湿度较低时，加湿器会自动开始加湿工作。

5） 当窗外有人时，或有其他障碍物挡住了红外传感器的发射和接收通道，此时进行声音报警，提醒用户防盗风险，同时自动激活关闭功能，将窗户自动关闭。如与短信平台对接，可以实现短信通知等功能。

6） 系统的判断行为及结果可传送至用户手机，环境的数据情况通过物联网上传到云数据端，方便用户通过网络平台进行远程的干预和遥控。

3 系统硬件设计

3.1 电源模块

考虑到系统所带高功率设备不多，且主要为家庭使用，所以采用直流稳压供电模块，输出电压控制在1.2-36V之间，最大电流2A。总体上来说，基本能够满足设计需要。

3.2 窗户模块

窗户通常有平移式或转动式，根据窗户的开关方式选择相应的机械传动机构模块。机械传动机构的设计应综合考虑小巧、可靠、运行噪音低、易维护、成本低等诸多因素。窗户开关的动力来自电机，选用的是步进电机，能对窗户开启幅度的精确控制，由单片机核心控制模块直接发送控制指令给电机驱动模块，控制步进电机的转速、转向和步数，经传动机构实现窗户本体的自动平移或转动。

3.3 单片机核心控制模块

单片机芯片是系统控制核心，既然采用经典的51系列内核，主要目的是价格便宜，可参考资料充分，基本能够满足设计需求，后期如何在扩展功能，可以更换为ARM内核。与传统51相比性能上更优越。

3.4 传感器模块

传感器模块可根据用户的要求量身定做，采用模块化的设计思想，对于特殊要求要选用满足感知灵敏度需要的传感器，费用会提高。通常情况下，用户会有以下需求：当室内空气不清新时，检测户外环境PM2.5、温度、湿度情况，自动选择与户外空气置换的方式（可以为用户干预模式）；当窗户处于开启状态遇到大风时，需关闭；窗户被外物撞击或有人要翻窗而入时，智能系统及时向用户发出报警信息；窗户处于开启状态，但户外湿度过大或下雨时，需关闭窗户；室内有害气体（如甲醛、火灾等）严重超标时，需提醒用户，并自动应急开启。根据用户的可能需要，设计上将传感分模块，针对具体用户，只需将分模块插合于总线端子上即可。endprint

红外防盗模块基本由发射、接收和处理电路构成。基本过程通过检测发送和接收端红外信号是否有截断，判断是否有人经过，目前是使用比较广泛的一种防盗技术。

对于温度和湿度的检测，则分别采用DS18B20 数字温度传感器和模拟输出湿度传感器模块。报警模块安装有蜂鸣器，可以在温湿度超标的情况下提供较好的报警效果。

3.5 用户终端模块

用户终端模块包含GPRS通信模块、物联网、物联网与单片机控制核心模块进行信息交流的无线传输模块。其中单片机核心控制模块经无线传输模块、物联网、通信模块与终端手机平台进行监控信息的交互及控制指令下达。其中物联网模块使用的是全国中小学信息技术与实践活动物联网创新设计实验平台，可实现智能手机APP实时数据查询，云计算存储，无线数据传输等功能。

3.6 全热交换新风模块

全热交换新风装置其工作原理，通过空气交换，使得室内空气质量保持在较好的水平，并且能够根据湿度和温度的不同，提交空气交换的频率和数量，大大提高室内空气质量。

7*24小时为室内提供新鲜空气，提高生活质量，能够大大提高个人的审题监控。

4 系统软件设计

智能防雾霾新风系统的软件设计核心，体现在对51芯片的软件设计上，主程序包括通过数据初始化完成系统初始状态，并利用中断技术，结合不同子模块完成例如开关窗户、控制风机等。单片机检测各种传感器过来的信号，可根据用户的控制指令（若无控制指令，则按照检测的值与系统预先设定的值进行比较，给出相应的操作。）以及监控的窗户当前状态信息，进行数据存储、分析，处理信息通过物联网传至手机平台，用户可以观察信息，人工干预中断时，芯片被唤醒并进入中断状态，完成相应程序后，回到原始状态。具体流程图，如图4所示。

使用基于C语言的多模块设计，能够大大提高系统的稳定性和可靠性，并有利于后期调试和维护，大大减少了后期维护工作量。

5 结论

本文设计的基于物联网智能防雾霾全热交换新风系统，通过物联网与用户终端建立人窗交流，智能模块能自动采集传感通道信息，对室内外环境温度、湿度、PM2.5等信息做出自然通风还是全热交换新风的智能判断，可完成原来需人工思考才能完成的事情，智能控制防霧霾新风系统的开启或关闭，监控窗户的实时状态信息，并且可根据用户的要求，即所要监控的室内、室外环境因子，量身定制智能防雾霾新风系统的功能模块。城市雾霾天气的发生趋于常态化，改善室内空气品质是目前国内住宅亟待解决的一项重要问题。智能防雾霾新风系统是人们生活不可或缺的组成部分，必将对提高人们生活质量起到重要作用。

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