基于物联网的智能防雾霾新风系统设计

王进升

（中国科学技术大学附属中学，安徽 合肥 230051）

基于物联网的智能防雾霾新风系统设计

王进升

（中国科学技术大学附属中学，安徽 合肥 230051）

针对雾霾问题日趋严重的情况，设计了一种基于物联网的防雾霾新风系统。系统以单片机为核心，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，可根据环境状况自动实现全热交换新风或自然通风或智能加湿，可对盗贼越窗、小孩翻窗等情况发出报警，可对室内有害气体浓度进行感知。环境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，提高了用户的生活质量。

物联网；防雾霾；全热交换新风；智能家居

随着国内雾霾天气的发生趋于常态化，雾霾的监测与治理日益加强［1，2］。住宅室内装修产生的污染物均存在超标现象，其中超标严重的污染物有CO2、甲醛和挥发性有机物TVOC（Total Votatile Organic Compounds）。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［3］。相比而言，欧美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［4］。

目前，家庭为改善空气质量主要采用空气净化器和新风系统［5，6］。其中，空气净化器采用内循环的方式将密闭空间空气中的细菌、污染物等吸附或虑出，以达到洁净空气的目的，其不足之处是无法获得新鲜空气。新风装置能为室内提供源源不断的新鲜空气，其不足之处是需要安装风道，风道穿越墙体或为了美观需要吊顶，增加了工程量。为解决上述问题，本文设计了一种基于物联网的智能防雾霾的新风系统。

1 系统整体方案

本设计是对原有家庭窗户进行改造，普通家庭只需改造2扇窗户即可。系统总体方案如图1所示，即以STC89C52RC单片机为核心，由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或是全热交换新风、是否加湿等自动控制功能。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动力。

图1 系统整体框图

2 系统硬件设计

2.1 电源模块

控制系统采用三端可调稳压器CM317为各电路提供电源。CM317输出电压在1.2～36V范围内可调，具有稳定度高、适应性强、使用方便的特点，适合多种方式的供电系统使用。

2.2 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。窗户开关的动力来自电机，为了能对窗户开启幅度进行精确控制，选用步进电机。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。

2.3 单片机核心控制模块

系统核心控制模块选用国内STC公司生产的STC12C5A60S2/AD/PWM单片机，其指令、管脚与8051完全兼容，片内自带高达60K FLASH ROM，功耗低、速度快、抗干扰能力超强，片内集成专用复位电路MAX810，2路PWM，8路高速10位A/D转换器，适用于电机控制及强干扰场合。与传统的51单片机相比，其具有较大的存储空间且支持串口直接下载程序，免去购买价格昂贵的专用编程器。

2.4 传感器模块

传感器模块的类型取决于用户需求，采用模块化设计。一般情况下，用户需求包括：一是室内空气污浊时，检测室外空气PM2.5、温湿度情况，自动选择与室外空气的换流模式；二是天气突变刮大风需要关闭处于开启状态的窗户；三是窗户遭遇物体撞击或人员翻窗入户时系统需要及时向用户发出报警信号；四是天气下雨需要关闭处于开启状态的窗户；五是室内甲醛、CO、液化气等有害气体或可燃性气体超标时需要自动开窗通风并及时提醒户主。针对不同用户需求，可开发出各种不同功能的传感器分模块，使用时插在总线端子上即可。

红外防入侵检测模块选用主动红外入侵探测器，包括发射机、接收机和报警控制器三个部分。发射机由电源、发光源和光学系统组成，接收机由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理器等部分组成。正常工况下，发射机发出的红外光束被接收机收到后输入到单片机的信号为高电平，不会启动报警控制器；红外光属于不可见光谱，当有人翻窗入户经过这条无形的封锁线时，会全部或部分遮挡红外光束，接收机输出的电信号强度会因此产生变化，从而启动报警控制器发出报警信号。

湿温度检测模块选用单总线数字式DHT11传感器，其由电阻式感湿元件、NTC测温元件及高性能8位单片机组成，具有体积小、功耗低、响应速度快、抗干扰能力强、控制简单等优点。

PM2.5的检测模块选用GP2Y1010AU0F型传感器，由红外发光二极管、光电晶体管及放大电路组成，属于光学传感器，即通过光学的反射原理检测空气中的尘埃，输出脉冲模式的电压信号。特点是能有效检测非常细微的颗粒，如香烟烟雾，还可以区分屋内烟尘，适用于空气净化器、空调、空气监测等。

2.5 用户终端模块

用户终端模块由GPRS通信模块、物联网及无线传输模块组成。其中，物联网模块可实现智能手机APP实时数据查询、云计算存储、无线数据传输等功能。系统核心控制模块经无线传输模块、物联网及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。

2.6 全热交换新风模块

全热交换新风换气机由热回收装置、双向流风机、过滤器、加湿或除湿器等构成，具有双向换气和高效节能的优点。

①双向换气。内置送、排风机，在进风和排风系统都有风机和管道，通过进风风机往室内送风，排风风机往室外排风，新风双向等量置换，保持室内有足够的新鲜空气。同时，换气机配置不同过滤材料，对新风中PM2.5进行过滤处理。

②高效节能。与普通的换气机不同，全热交换器在室外空气引入室内前与室内引出室外的空气进行热交换，室外空气预冷或预热后再引入室内，降低了室内的温度损耗，节省冷暖气的费用。

3 系统软件设计

系统软件包括主程序和中断服务子程序，主程序的作用是实现初始化和LCD显示，然后进入循环等待状态，其他功能由中断服务子程序实现。单片机检测各种传感器传递过来的信号，根据用户的控制指令，进行数据的存储、分析，并将处理的结果经物联网传递到用户终端手机，用户可根据获得的信息遥控窗户启闭或新风系统。系统程序用C语言编译，在Keil环境下开发，采用模块化的设计方法，实现的功能主要有以下几方面。

①当室内甲醛、CO、液化气等有害气体或可燃性气体超标时，自动打开窗户和新风系统，并发出报警信号，防止室内人员发生有害气体中毒或火灾事故，并将短信发送给户主。

②当检测空气质量良好时，会自动开窗通风。若天气下雨，湿度传感器会将检测到的信息传递给单片机，单片机发出电机控制信号，驱动机械装置实时关窗并进行报警。

③当空气质量不佳时，自动启动新风系统。新风系统使用的是净化型全热交换器，其双向流风机保证室内进风和排风进行等量置换，而热回收装置使双向置换通风过程中产生能量交换，降低了新风预处理的能耗，达到节能换气的目的，同时附加了三重过滤网，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、细菌粉尘等净化后再送到室内。

④当室内空气干燥时，加湿器会自动开始加湿工作。

⑤当盗贼欲翻窗入户行窃时，经过红外发射接收通道，会全部或部分遮挡红外光束，接收机输出的电信号强度产生变化，从而启动报警装置，提醒户主有人行窃。同理，室内人员翻窗，也会影响接收机收到红外光束的强弱，启动报警装置，可以有效预防小孩翻窗而发生的意外事故。

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干预和遥控。

根据系统实现的功能要求，系统软件框图如图2所示。

4 结语

本文设计的基于物联网智能防雾霾全热交换新风系统，通过智能模块自动采集传感器通道信息，根据室内外环境温度、湿度、PM2.5等信息作出自然通风还是全热交换新风的判断，控制防雾霾新风系统的开启或关闭；根据红外检测信息，监控窗户的实时状态信息；通过物联网与用户终端建立人窗交互，用户可以随时随地掌握家庭情况，提高用户生活质量。

图2 系统软件设计框图

［1］魏嘉，吕阳，付柏淋.我国雾霾成因及防控策略研究［J］.环境保护科学，2014（5）：51-55

［2］张荔，仇锦波.雾霾的成因及其危害与防制对策［J］.学理论，2015（8）：28-29.

［3］叶霖.中央新风系统在住宅中的应用［J］.住宅与房地产，2016（12）：273，292.

［4］范文良，李兵尚.基于物联网信息平台的智能窗户设计［J］.微型机与应用，2015（19）：58-59，63.

［5］戴旭.健康住宅的新风系统节能设计［J］.中国住宅设施，2014（7）：76-82.

［6］崔斌.全热交换新风系统节能户型设计研究［J］.科技创新与应用，2015（22）：253.

Design of Intelligent Anti-fog and Haze New Air System Based on the Internet of Things

Wang Jinsheng
（The Middle School Affiliated to University of Science and Technology of China，Hefei Anhui 230051）

Aiming at the increasingly serious haze problem,a new anti-fog and haze air system based on In⁃ternet of things is designed.The system adopts single chip microcomputer as the core,and possesses PM2.5 detection,smoke detection,humidity detection,infrared detection,temperature detection and other sensor modules.The whole heat exchange fresh air or natural ventilation or intelligent humidification can be realized automatically according to the environmental conditions.It can alarm when thieves or the child crossing window.It can be perceived for indoor harmful gas concentration.The environment is uploaded to the cloud data terminal through the Internet of things,which facilitates the user to interact with the infor⁃mation and improves the quality of the user's life.

internet of things；anti-fog and haze；full heat exchange fresh air；smart home

TP273

A

1003-5168（2017）12-0036-03

2017-11-01

王进升（2000-），男，研究方向：互联网技术。