摘要：智能化信息时代，物联网技术快速兴起，在各行各业中发挥着越来越大的作用，物联网技术已经逐渐渗透到环保领域，它通过协助解决人类生存空间中的空气净化问题，构建科学化智能化的环保体系，给消费者更多的便利。本文提出了基于物联网的空气净化系统的设计方案，并分别对其硬件及软件设计进行了综合分析，构建了系统中的各个功能模块，并对系统进行了调试与功能测试。
物联网技术已快速兴起，其在环保领域的应用范围也越来越广，基于物联网的空气净化系统已经形成，且在功能应用上相当丰富，提升了人们的生活质量。
1空气净化系统设计方案提出
1.1 空气净化系统简介
空气净化系统既可以是空气净化器、新风净化器等产品形式，也可是固定式的管道系统形式，它是一种能够过滤、吸附、分解各种空气污染物、提高空气洁净度的智能化设备产品，可针对PM2.5、粉尘、花粉、异味、甲醛、过敏原、细菌等等，主要应用于商用、工业、楼宇、家用等场合。该系统涉及多项技术内容，例如颗粒物过滤技术、负离子技术、催化氧化技术、光触媒技术、HEPA高效静电驻极材料技术等等。随着空气净化系统构建与应用技术的不断优化，其对空气质量的改善已得到国际社会公认，系统采用复合型设计，藕合多种净化技术与净化材料，系统追求高效快速的空气净化性能，软硬件设计以实现更高的空气洁净量值来优化调整。
1.2空气净化系统的基本设计思路简介[1]。
首先要在常规空气净化系统中融入物联网技术理念，强调新技术融合所带来的智能化效应。系统设计中就应该涵盖了空气净化器设备端、数据处理中心（云端）以及移动控制终端。系统主要包含了对室内空气质量指标采集、显示以及系统的远程控制功能、运行状态及故障及时反馈。数据处理中心采用Ubuntu作为服务器操作系统，通过网络层、业务逻辑层、数据访问层3层组织结构实现功能应用。系统的智能终端支持Andoroid及IOS两大平台，终端通过Socket接口与服务器通信，以满足数据传输与远程控制等功能要求[2]。
1.3系统设计架构
1.4 网络拓扑图
如图1所示，一套完整的、基于物联网的室内空气净化系统就应该包括了PM2.5传感器、气体传感器、温湿度传感器、甲醛传感器等重要空气质量模块，它们专门用来采集和监测环境空气质量数据，通过Wi-Fi通信模块将数据传送给服务器云端，再通过智能移动终端连接网络访问相关监测数据，满足系统数据监测管理要求，并实现远程的空气净化系统操作，本系统采用3种主要工作模式：自动模式、手动模式和睡眠模式。其中自动模式可根据室内空气质量指标的优劣进行自动调节，确保系统在合适的档位运行以达到智能滤除空气污染物的效果；睡眠模式则主要适合于夜晚睡眠状态下的空气净化，运行噪音低，且没有灯光干扰睡眠；手动模式则会由使用者根据室内空间的大小、空气质量污染浓度情况以及用户个人需求自行进行系统工作定义，以实现不同的净化效果[3]。
1.5系统功能模块设计
系统的功能模块中包含了移动客户端模块、Web服务器控制管理端系统模块以及产品端系统模块，这些模块组成了系统的三大子系统。以Web服务器控制管理端系统模块为例，它涵盖了客户端浏览器与服务器端两部分内容，而它的Web系统架构则被称之为B/S架构，目前比较常用的Web服务器就包括了IIS、Apache等等，常用的浏览器则是Chrome、IE等等。系统通过超链接显示网页，并在服务器中发送HTTP请求，对所接收到的请求信息进行处理，最终将浏览器处理结果呈现给用户，清晰表现浏览器与Web的具体交互过程[4]。
智能空气净化器的Web服务器可基于用户控制终端、被控设备、服务管理段、业务分析以及智能终端展开，其中通过服务管理端控制远程设备并进行相关管理维护，业务分析模块则主要针对用户的行为进行统计，实施设备性监测与销售情况统计，对设备中的数据监测、故障智能内容进行诊断分析。总体而言，智能空气净化系统Web服务器系统中就包括了用户控制终端、被控设备、服务管理端、智能云端以及业务分析五大部分[5]。
2空气净化系统中的硬件设计
空气净化系统中的硬件内容丰富，它就包括了PM2.5传感器、甲醛传感器、VOC传感器、温湿度传感器、电机驱动、电源模块、手动操控模块、机器显示模块和Wi-Fi通信模块等等。
2.1 PM2.5传感器设计
PM2.5传感器是整个系统中最重要的传感器部分，目前国内比较常用的是PM2.5激光灰尘传感器，它能快速检测出室内空气中所存在的PM2.5指标，精度相对较高，能满足民用系统使用要求。它的检测原理主要通过传感器中心的通道让空气自由流过，定向发射激光，通过检测经过空气中的灰尘折射过后的光线智能化判断空气中PM2.5的含量。在该过程中，所有数据都会通过模拟电压端口输出，再经过ARM控制器将模拟信号转换为数字信号，实现PM2.5指标的检测。PM2.5传感器本身具有较强的智能化传感功能，检测相对精准，可实现多元化数据检测。
2.2电机驱动设计
电机驱动设计方面主要采用到了桥式电机驱动芯片，其开关频率大约可设定在40kHz左右，电流最大可设定为1.5A。整个驱动器中的驱动板采用了双路直流电机，保证能端ENA、ENB在高电平时有效运行。而在针对直流电机实施PWM调速过程中，则需要专门设置IN1和IN2，保证电机转动方向有效到位，且保证能输出PWM信号，满足电机调速功能要求。
2.3电源模块设计
在电源模块方面采用到了LM2940芯片搭建电源电路，并输入220V交流电经过变压器进行降压，基本上确保9V电压通过电路整流并进行滤波处理，最后利用稳压芯片转换5V电压，如图2[7]。
2.4 Wi-Fi通信模块设计
Wi-Fi通信模块设计主要是通信控制协议设计。利用Wi-Fi通信协议完成移动客户终端与产品终端系统的链接及程序互动，满足数据传输功能正常应用，确保无线通信模块中所有信息数据传输的准确性。为了确保信息有效传输，还应当在系统中建立握手连接，保证在每一帧传输中都能合理运用发送、重连、应答、失败的方式，分别利用控制帧、数据帧以及短语帧进行通信数据传输和短消息传输。
在该模块设计过程中，需要对它的系统中通信内容、产品端主控板所发出的Wi-Fi信号等等作出解析反应，在数据发送过程中根据通信协议进行数据的分帧操作，满足系统通信要求。Wi-Fi模块的智能化设定非常清晰到位，它在10s内将数据信号发送到定时器并复位操作，利用上位机判定系统终端中的离线数据信息情况，并在通信协议中设计最大传输数据大约255~300字节左右，且同时设计多线程Timer功能，通过Timer查数据状态存储情况，了解数据状态，如图3。
基于空气净化系统中的Wi-Fi通信模块进行通信流程操作，首先必须做好数据帧校验工作，结合串口数据通信系统进行误码状态操作，并在数据传输过程中纠错某些数据，实现UART串口通信优化，实现对数据的逐帧控制，将不会出现数据帧错位的情况筛选出来，降低数据碰撞概率。比如说根据0/1进行移位操作，如果结果取值为0，则代表校验结果正确，数据有效，反之则代表校验无效，数据错误。整体来说要基于反馈校验方法提高系统数据传输的安全可靠性。
3空气净化系统中的软件设计
3.1 APP设计
空气净化系统的软件设计涉及多方面内容，首先就是APP设计。基于APP用户界面的设计主要围绕客户端被控制设备展开，通过设备数据通信完成APP对目标设备的有效控制，APP设备控制操作流程应该如下：
应用开始→系统账户登录→系统主界面→设备目录→设备控制界面
在移动客户端设计APP，它主要依据低耦合、高内聚基本技术原则，对APP本身的界面UI、功能应用内容进行逻辑代码设计，保证程序主界面控制逻辑满足关联数据状态应用要求。另外，在APP中还包括了SmartAir操作管理模块，它主要利用到物联网技术对空气净化系统中所监测收集的数据与数据动态变化过程进行分析，其中还包括了一些视图类信息内容。
3.2网络通信模块设计
在网络通信模块设计方面主要采用移动客户端APP与服务器实现数据交互，它也是所有功能模块的重要基础。在该模块设计方面主要要涉及到服务器的HTTP通信方式与Socket通信方式，两种通信方式的设计原则都遵循TCP/IP协议，结合本地主机IP地址、本地进程协议端口、远程主机IP地质等等，结合Socket形成并发链接，并运行ClientSocket客户端。另一方面，基于HTTP连接的“请求——响应”方式则利用到了两次握手程序设计，它所建立的连接不仅连接客户端服务器，也连接用户端，可实现数据直接传输，确保网络通信高效率。
3.3数据处理模块设计
数据处理模块专门负责数据流管理，它可为系统提供多种数据管理方法与存储方法，利用Sqlite数据库存储数据内容。针对数据处理模块的设计应用主要体现在移动客户端APP上，并保证数据设备运行状态到位。在该过程中还会对选型记录、性能参数记录与设备操作记录进行控制，结合这些数据设计对应的列表结构。在数据模块的设计处理中，主要通过用户图形界面分析数据内容，在主控界面设计中组合GetSmartAirDataSteam类对象，设计一套完整的、层次分明的数据结构类型，确保数据转换到位，强调层次结构完整性，并逐层展开设计编辑。最后要设计数据流处理静态类图，对设备相关数据流进行针对性处理，确保数据处理满足设计要求[8]。
3.4设备控制模块设计
设备控制模块功能丰富，主要负责基础网络通信功能，并参与整个Android操作系统的功能服务应用，满足功能操作需求。针对设备控制模块的设计主要要围绕APP展开，即利用APP设计思想生成OO设计模型，得出设备共同属性和操作功能图，依赖DeviceController类操作实现对智能化空气净化器的抽象基类设计，实现空气净化器控制功能。再者还要设计Device Controller控制类目标指令发送源，并经过网络数据通信模块发送相关数据，形成数字化日志。而在自付模块控制质量优化调整与发送模块设计过程中则要实现对模块角色的设计定位，确保设备控制模块设计满足软件设计模式中的多元化功能需求。
3.5配备管理模块设计
配备管理模块设计要遵循移动APP设置信息配置要求，结合用户信息设置精心网络信息与软件配置信息布局。在配置管理界面中分别设计用户信息、网络信息与软件配置信息3方面内容。在这一环节中，要基于空气净化系统的实际功能需求建立用户密码安保体系、网络信息设置体系、家庭路由信息地址查询体系，并明确工作模式。且该配备管理模块可随时实现信息反馈与升级调整。
3.6事件与中断模块程序设计
在事件与中断模块程序设计中采用到了内部单片机系统，该系统集成了中断功能模块，由专门的硬件电路构成。在CPU正常的执行程序过程中，需要基于外部及内部紧急事件问题进行模块程序功能有效处理。在软件设计方面，则需要中断工作状态展开寄存器相应设计，且专门针对中断处理事件进行比较分析，明确设计要旨，保证信息中断处理功能应用到位。比如说在该模块中就设计了遥控中断信号处理、工作中断事件处理、电机触发中断处理等等，模块会提示是否实施中断处理，提高整个系统的安全操作性能。
3.7显示扫描模块程序设计
最后是显示扫描模块程序设计，该系统主要采用了单片机扫描方案进行设计，其中包括了动态扫描显示接口，结合LED显示器模块进行硬件电路设计，在设计中应用LED动态扫描现实，结合人眼视觉残留效应进行顺序点亮设计，提高显示扫描模块程序的闪烁速度。在该模块设计中主要围绕系统的工作状态、温湿度状态、空气质量进行针对性设计，保证所有数据都能客观真实的反映与LED显示模块上，结合定义显示字符类型中的LED显示模块行数进行信息有序显示[9]。
4空气净化系统调试与功能测试
最后对设计好的空气净化系统进行功能测试，以满足设计要求。整个功能测试过程根据系统能够实现的功能进行真实模拟实验，验证系统软件的容错性、正确性、易用性与整体操作效率。全面模拟系统在正常操作中所面临的各种真实状况，发现其中可能存在的错误信息数据内容并进行及时修改。
比如在系统中进行净化实验，在实验40分钟后观察系统装置LED显示模块的实际数据结果，例如其所检测到的空气质量指标是否一致，其它功能模块也按设计要求进行系统的测试，修正测试问题，进一步完善系统设计。
总结：
综上所述，基于物联网的空气净化系统设计涉及诸多功能模块与系统应用功能，本文主要围绕软硬件对该系统进行了详细的设计分析，说明了系统整个的架构构造内涵与功能应用过程，体现了系统整体在物联网环境下智能化运行的巨大优势。新设计的空气净化系统能够实现对空气的智能化远程控制，可满足对室内质量的检测，同时实时调节系统迎合实际环境净化的需求，体现了较高的系统设计价值与研究应用价值。
参考文献：
[1]张秀奇,李九宏,庞捷.吸尘电场在室内空气净化器中的应用研究[J].中州大学学报,2005,22(4):120-122.
[2]钱佳佳,张健.室内空气净化器的研究与设计[J].电脑知识与技术,2018,14(2):252-253,263.
[3]冯笑,张卫民.基于物联网的室内雾霾净化系统设计与实现[J].工业控制计算机,2017,30(9):82-83.
[4]李帮俊,范泽云,张溢, 等.高压静电催化耦合净化空气中的臭氧控制及其室内浓度预测模型[J].环境工程学报,2017,11(7):4117-4124.
[5]汤云峰.空气净化器智能化系统的设计与实现[D].江苏:东南大学,2015.
[6]崔燕燕.智能空气净化器项目开发中的交互设计与实现[D].山东:山东大学,2015.
[7]邹淼.基于物联网技术建材中TVOC的监测和治理[J].山西建筑,2019,45(9):199-200.
[8]陈虹安,周昊,阮太元, 等.基于物联网的空气净化系统设计[J].现代信息科技,2018,002(004):P.190-192.
[9]陈虹安,周昊,阮太元, 等.基于物联网的空气净化系统设计[J].现代信息科技,2018,2(4):190-192.
[10]刘菁菁.一种物联网家居控制系统:中国,CN201820682252.0[P].2018-11-30.
论文作者:严义清 许高红
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/27
标签：模块论文; 系统论文; 数据论文; 净化系统论文; 空气论文; 功能论文; 设备论文; 《中国西部科技》2019年第24期论文;