对空气质量监控及自动开关窗装置的研究

李晓缘 杨昊 郑林泷 陶杨 韩佳蓉

【关键词】自动控制;空气质量;标准值;监测

“戴口罩、勤洗手、常通风”是国家卫健委提出的疫情防控的主要措施。[1]如何实施有效、科学的通风方法具有重要意义。由于一些条件、需求的限制（如保暖，制冷，工作要求等），我们无法完全实现对室内空气环境的实时、有效控制;人们仅靠自身感觉不适再决定通风与否时，实际上身体已经受到负面影响。而定时换风系统虽然被较多采用，但由于没有根据实时空气状况而为，不能够满足人们对换风、通风调节的实际需求，造成用户体验效果不佳，且资源浪费的问题。一些空气净化器在使用过程中会产生有害的副产物，加剧室内空气质量恶化。所以，根据室内的空气状况自动实现自然通风换气成为较迫切的研究课题。

（一）目前空气质量的问题

各行各业迅速发展，伴随的废气排出、城市基建、绿化减少以及恶劣天气等是造成空气污染的最主要原因。我们在备受污染的空气环境中工作、生活，对于我们的生命健康是不利的，甚至还会影响我们的心理健康。

（二）空气里的有害物质对人体的危害

世界卫生组织公布的一项报告表明，空气污染大部分源于室内。美国伯克利国家实验室研究者Logue等人，对美国室内空气污染所带来的慢性健康危害而造成的伤残调整与生命年损失问题开展了研究，结果表明，每十个人的健康损失大约为400-1100DALYs/年[2]。

根据有关数据，室内空气中比较恒定的是氮、氧、氩，占空气总量的99.96%。氧是维持生命绝对必需的气体，占空气体积的20.94%。一般情况下氧占空气比例的变动范围很小，为0.01%——2%。这种微小变化对人体健康并无很大影响。但在特殊情况下，当空气中的氧含量降至14.5%——12%时，人就会发生代偿性呼吸困难;当空气中的氧含量降至10%以下时，会出现恶心、智力活动减弱的症状，甚至出现呼吸及心血管运动中枢障碍;当空气中的氧含量降至7%以下时，人的代偿功能迅速衰竭，会导致昏迷、窒息甚至死亡。

二、空气指标

（一）国内外的研究及发展状况

目前我国建筑、环保、卫生等部门都在开展室内空气质量监测的实验，各部门都制定了相关国家标准，包括《民用建筑工程室内环境污染控制规范》、《室内空气旗最标准》、《居室空气中甲醛的卫生标准》以及《室内空气所量卫生规范》等等。

在《室内空气污染监测方法》与《室内污染检与控制》中，研究了室内空气监测的采样方法、分析方法，并介绍国内外最新的仪器分析手段，在香港特别行政区的《办公室及公共场所室内空气质量管理指南草案》中推荐了最适合室内空气质量监测的便携式仪器。

韩国汉阳大学研究了通过植物过滤系统对室内空气质量进行改善，选取在夏季进行实验，比较韩国本地与国外植物对空气污染的净化效果，发现了放置植物的房间对VOC物质的净化效果要比未放置植物的房间要好。[3]

对比国内外研究，目前对于保持室内空气质量良好这个问题，尚缺少可以用于家居生活的、具有泛用性的自动化监测空气质量并可以进行调节的设备。

（二）小组研究结果

通过调查，我们归纳了空气中含有的成分的临界值，图表如下：

（一）工作原理

空气质量监控自动开关窗系统，它主要包括空气质量检测模块，中央控制器模块和步进电机模块。主要由三大部分组成，分别是单片机核心控制电路及简单外围电路，传感器、 传感器、 传感器、 传感器和甲醛传感器组成的信息采集系统，步进电机的驱动系统。

自動模式下该空气质量监控自动开关窗由安置在室内的 传感器、 传感器、 传感器、 传感器和甲醛传感器监测空气中的气体浓度等各项数据，并在显示器上显示相应的气体浓度，传送给单片机中央处理单元进行数据分析与处理，若浓度在健康范围之内，则指示灯显示绿灯，随之将会进入每5分钟循环一次空气质量检测模块。而若浓度在健康范围之外，指示灯显示红灯，并向步进电机发送指令，进而由步进电机带动同步带轮连接窗框，使窗户发生位移，达到自动开合窗户的目的。另外，手动模式下通过触摸屏也可实现现场控制。远程控制模式下通过手机小程序即可远程控制，实现开关窗操作。

（二）电路设计

自动模式下，空气质量指标通过 传感器、 传感器、传感器、 传感器和甲醛传感器组成的信息采集系统以模拟量的形式输入FPGA，当测量值大于设定值时M23口输出信号给步进电机，使步进电机正转或反转若干个步长，并且在M25口输出报警;手动模式下，通过触摸屏将数字量输入给数字信号处理，在将处理过的信号通过DAC转换为模拟量输入给FPGA，使步进电机正转或反转若干个步长;远程控制模式下，手机APP通过无线网络连接与数据网关通信，实现沙盘上传感器数据的远程监控和智能开关的远程控制。

（三）总框架

1、空气质量检测模块，设计空气质量检测模块主要由氧气传感器（O2-A2）、双引擎二氧化碳传感器-CM1109、CO浓度传感器CY7200A、TVOC传感器和甲醛传感器CB-HCHO-V3构成。这些传感器价格相对低廉，但具有优异的稳定性与可靠性，能实现数据收集与数字信号传输的功能。

2、中央控制器模块，选用SSTC公司生产的STC89，具有8K系统可编程闪存的低功耗高性能Flash8位微控制器。STC89C52使用经典MCS-51内核，但经过大量改进，芯片中包含了现有51单片机中没有的功能。STC89C52在单个芯片上配备智能8位CPU和系统可编程闪存（Flash），可为各种嵌入式控制应用系统提供灵活高效的解决方案。

3、步进电机模块，采用42BYG250B两相混合式步进电机作为机械部分的驱动设备，步距角18°，静力矩048～075N/m，机身长48～60mm，引线数4，电流12～25A。步进电机是将电脉冲信号转化为角位移或线位移的开环控制元件。其中的脉冲发生器用于产生频率变化的脉冲信号。脉冲分配器将脉冲信号转换成具有一定逻辑关系的环形脉冲。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，进而在速度、位置等控制领域用步进电机控制变得非常的简单，能有效控制窗户的开关角度。

（四）小程序的远程设计

单片机通过可编程IO将数据传感器和开关设备连接起来，实现物联网应用模拟沙盘。个人计算机作为数据网关，通过串行端口连接到单个芯片，允许在沙盘上收集传感器数据和控制交换机设备。手机作为远程控制终端，通过无线网络连接与数据网关通信，实现沙盘上传感器数据的远程监控和智能交换机的远程控制。

本次对空气质量监控及自动开关窗装置的研究初步完成，以期在日后的研究学习中进一步完善对该装置的设计。在这次的项目中，小组成员都很认真地完成自己的任务并参与每个过程，并提出自己的意见进行修改。在这段时间对这个项目的付出和努力，让我们收获了不少，在团队合作方面也有了进一步理解。同时，也很感谢老师给我们提出的建议以及修改方式。在项目研究过程中，我深深感受到团队合作的重要性和必要性，在一定程度上提高了自己的学习和创新能力，很感谢这个项目给我的锻炼与成长的机会。