基于Android的靜電式智能空氣凈化器系統(tǒng)設計

隨著電子、通信、自動控制等技術的快速發(fā)展及人們物質(zhì)精神生活的提高,家用電器的智能化控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制已經(jīng)成為一種大趨勢。伴隨智能手機的迅速普及,基于Android平臺的智能控制在電器控制中扮演了重要角色。工業(yè)化水平提高的同時,也給環(huán)境造成很大破壞,環(huán)境污染問題日趨嚴重[1]。尤其是室內(nèi)空氣污染對人體健康有嚴重影響,改善室內(nèi)空氣環(huán)境成為一種迫切需求。人們采取措施凈化空氣,但效果往往不理想。

國內(nèi)外利用靜電技術除塵的研究較多,但大多都及種在工業(yè)方面。本文設計了一種基于Android無線控制的高效家用靜電式智能空氣凈化設備。以STM32F103RCT6為控制核心,通過傳感器模塊對室內(nèi)空氣數(shù)據(jù)進行自動檢測,并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)在自動模式下利用過濾網(wǎng)、紫外燈和靜電技術對空氣進行凈化。手動模式下可以對各模塊進行設置,結(jié)合紅外遙控和Android設備實現(xiàn)了對空氣凈化器的智能控制,還預設有睡眠模式工作在低噪聲、低功耗下,高速模式針對空氣質(zhì)量差的情況,快速凈化空氣,極大提高了用戶感受。

1 系統(tǒng)總體設計

空氣凈化器系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig 1 The system architecture diagram 下載原圖

凈化器工作原理如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)主控芯片選用意法半導體的32位基于ARM核心微控制器STM32F103RCT6。硬件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 空氣凈化器工作原理圖Fig 2 Working principle of air purifier 下載原圖

圖3 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Overall architecture diagram of system hardware 下載原圖

2.1 傳感器模塊電路

該模塊主要負責室內(nèi)環(huán)境的檢測,包括三個子模塊分別為:溫濕度傳感器模塊、灰塵傳感器模塊及空氣質(zhì)量傳感器模塊。

數(shù)字溫濕度傳感器DHT11采用單總線式溫度傳感探頭,包括一只電阻式感濕元件和一只NTC測溫元件,并與STM32的PA0腳相連接如圖4所示。

圖4 傳感器模塊電路Fig 4 Sensor module circuit 下載原圖

灰塵傳感器SM—PWM—01A可以感知如香煙、粉塵、孢子等。傳感器采用粒子計數(shù)原理,模塊內(nèi)設置加熱器,加熱使氣流上升,外部空氣進入模塊內(nèi)部,如有粉塵等粒子通過時,阻斷LED光源,光電檢測器檢測不到光源,則低電位輸出;如無粒子通過,則高電位輸出,形成PMW信號經(jīng)放大輸出。傳感器的低脈沖率與粉塵粒子數(shù)成線性關系。只要計算低脈沖率,參照特性曲線即可得到檢測粒子數(shù),進而算出PM2.5的參數(shù)[2]。

MQ135傳感器主要實現(xiàn)對氨氣、硫化物、苯系蒸汽及煙霧和其它有害氣體監(jiān)測,在清潔空氣中電導率低,當環(huán)境中存在污染氣體時,電導率隨污染氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度對應的輸出信號[3]。其電路連接如圖4所示。

本系統(tǒng)采集溫濕度、粉塵、氣體傳感器的信號,采用信息融合算法充分利用不同時間和空間的多傳感器數(shù)據(jù)資源,在一定的算法下進行分析、支配、使用和綜合,并對空氣質(zhì)量的評估,根據(jù)評估結(jié)果制定相應的控制策略(如調(diào)節(jié)風速、凈化裝置控制等)。通過信息融合技術,更精確地判斷空氣質(zhì)量,提高控制系統(tǒng)的性能[1]。

2.2 紫外燈、靜電和風扇調(diào)速控制模塊

此模塊是整個系統(tǒng)凈化功能的重要部分,風扇使室內(nèi)空氣流動,流經(jīng)凈化器的空氣通過靜電裝置和紫外燈除塵殺菌。根據(jù)需求風速設置4個等級,通過芯片TA8428K控制,IN1腳接STM32的PA6腳,利用其復用功能產(chǎn)生PWM波,通過調(diào)節(jié)PWM的占空比來調(diào)節(jié)風速。紫外燈和靜電裝置電源都為220V交流電,所以控制電路相同如圖5所示,采用繼電器控制通斷。為防止控制部分受干擾,繼電器與STM32之間加了光耦。

圖5 紫外燈、靜電和風扇調(diào)速控制電路Fig 5 UV lamp,electrostatic and fan speed control circuit 下載原圖

2.3 高壓控制模塊

高壓控制在凈化器運行中起至關重要的作用,由于空氣擊穿電壓受濕度影響,為保證正常運行設計了基于濕度變化的高壓發(fā)生器。

高壓發(fā)生器輸入電壓為180~240 V,輸入電流最大70 m A,額定功率15W,有兩路輸出最高值分別5,12 k V。通過MCU對濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)進行分析,依據(jù)不同濕度對應的電壓經(jīng)過數(shù)字電位器X9241反饋調(diào)節(jié)LM2596的FB端,達到控制輸出電壓的目的[4]。高壓控制電路如圖6所示,P1為MCU與高壓電路相連的I2C接口,P7為AC180~240V轉(zhuǎn)為恒定DC15V的接口,P2接高壓發(fā)生部分,由濕度控制其在1.23~15 V范圍內(nèi)變化,高壓輸出隨之可在300 V~12 k V之間變化。

圖6 高壓控制電路Fig 6 High voltage control circuit 下載原圖

2.4 LCD顯示模塊

設計采用LCD12864帶字庫的漢字圖形型液晶顯示器,它與MCU有8位并行和串行兩種連接方式,為了節(jié)省IO資源,本系統(tǒng)采用串行連接,MCU的PA1,PA2,PA3口分別于CS,SID,SCLK相連接。為了提高LCD顯示效果,能將全部信息在一個頁面展現(xiàn),不采用自帶字庫而是通過取模軟件制作較小的中文字庫。最終,LCD顯示狀態(tài)如圖7所示[5]。

圖7 LCD顯示界面Fig 7 Interface of LCD display 下載原圖

3 軟件設計

軟件設計主要包括兩部分:MCU控制程序和Android客戶端。

3.1 MCU控制程序設計

凈化器上電后,程序開始執(zhí)行,首先進行參數(shù)的初始化,然后進入主循環(huán),讀取傳感器信息量,將信息在LCD上顯示,并更新狀態(tài)。主程序接著對按鍵進行掃描,本系統(tǒng)設計6個獨立功能鍵,實現(xiàn)電源開關、風速調(diào)節(jié)、模式選擇、紫外燈開關、定時以及濾網(wǎng)計時復位功能。在手動模式下如果有按鍵按下,程序會處理相應的按鍵子程序,改變凈化器工作狀態(tài)。其中,紅外遙控信息是以中斷的形式切入到主程序中,同樣通過不同的鍵執(zhí)行不同的動作。Android客戶端控制信號通過串口傳送,根據(jù)收到的信號來動作。在自動模式下,風速及其它模塊的工作狀態(tài)由傳感器采集數(shù)據(jù)自動控制。

3.2 Android客戶端設計

根據(jù)空氣凈化器的需求和軟件的特點,客戶端的設計如圖8所示。

圖8 客戶端功能結(jié)構(gòu)Fig 8 Client function structure 下載原圖

本客戶端由登錄模塊和遙控模塊組成,使用了Android系統(tǒng)本身集成的SQLite,提供了一些新的API來使用SQLite數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作。登錄模塊如圖9(a)先調(diào)Wifi Manager服務,檢查手機,確定打開Wi Fi,再通過WebService傳入賬號和密碼進入遙控界面如圖9(b),同時需要Android Mainfest.xml文件中設置獲取Wi Fi權限和聯(lián)網(wǎng)權限[6]。如代碼所示:。

圖9 客戶端界面圖Fig 9 Client interface diagram 下載原圖

移動平臺的接收端是服務器端,主要用于開啟端口、等待客戶端的數(shù)據(jù)輸入,并且將收到的數(shù)據(jù)顯示在界面中。在實現(xiàn)與釆集端通信的過程中,所釆用的UDP通信相對TCP通信簡單,無需事先建立連接,只需創(chuàng)立一個接收和發(fā)送的套接字就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送。UDP通信流程如圖10所示。

圖1 0 UDP通信流程Fig 10 UDP communication process 下載原圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試分為對控制系統(tǒng)的測試和對凈化功能的測試。其中對控制系統(tǒng)的測試是通過按鍵或遙控方式(紅外和Wi Fi)對凈化系統(tǒng)進行操作,觀測其狀態(tài)變化。凈化功能測試是通過檢測不同時間段測試倉內(nèi)空氣質(zhì)量情況,來驗證凈化器的凈化效果。空氣凈化器實物如圖11所示。

圖1 1 空氣凈化器實物圖Fig 11 Physical map of air purifier 下載原圖

經(jīng)測試控制系統(tǒng)的各項功能均正常,可以正常操作凈化器工作,實體按鍵信號辨識準確無誤,紅外和Wi Fi信號識別與距離相關。

凈化功能選用兩間學生宿舍進行測試,房間體積大約30 m3,房間結(jié)構(gòu)完全相同。一個房間放置凈化器,另一個房間不放凈化器作為對照環(huán)境[7]。使用蚊香煙霧作為顆粒物發(fā)生源,油漆作為揮發(fā)性有機物發(fā)生源。為確保一致性,使用PM2.5檢測儀記錄兩個房間內(nèi)PM2.5與TVOC的濃度變化,數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖1 2 室內(nèi)污染物濃度變化Fig 12 Concentration changes of indoor pollutants 下載原圖

5 結(jié)論

本文不僅將工業(yè)除塵技術運用到室內(nèi)空氣凈化,并結(jié)合智能家居,利用Android智能手機控制,使空氣凈化器不僅具有良好的凈化效果,還有良好的用戶體驗。通過對凈化器進行測試表明,控制系統(tǒng)相對穩(wěn)定,凈化功能也達到了設計需求,對室內(nèi)空氣的凈化效果明顯。

總結(jié)

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