植物滤芯空气净化器的设计

钟玲玲,吴 密,黄小平

(安徽新华学院,安徽 合肥 230088)

引言

近年来,人们越来越关注空气污染指标。最新研究表明,每年有几百万人死于室内污染相关的疾病。世界卫生组织已将室内污染列为影响人体健康的危险因素之一,而中国家用空气净化器的普及率仅有0.2%,目前市场上所销售的空气净化器存在能耗高、成本高等诸多问题,便捷高效的室内空气质量净化器显得尤为重要。因此,如何有效地过滤有害气体,提高室内空气质量,越来越成为大众关注的焦点。

本系统命名为Fresh Air,它是一个两层结构的花瓶,内层用来栽种具有解毒功能的植物,如芦荟、兰花等[1];外层嵌有一个由内往外抽气的风扇,用于加速空气流向植物的根部。同时,在该花盆中安装有土壤湿度、空气湿度、二氧化碳浓度、PM2.5等类型的传感器,随时监测室内的核心参数指标,并将这些数据通过ZigBee技术上传到网络,最终上传到云端[2]。用户可以随时通过手机App查看当前家居中的空气质量,并对比健康室内空气质量标准判断是否宜居。

1 功能规划

1.1 创新功能

1.1.1植物净化技术

将植物与简单的控制系统结合。利用植物背面的微孔道吸收空气中的污染物,植物根部共生的微生物可以自动分解污染物,通过风扇的抽风系统将净化后的空气吹出。通过ZigBee的调控,达到净化室内空间空气的目的。

1.1.2自我管理

净化器带有土壤湿度检测模块,当植物缺水时系统控制抽水机对植物的土壤进行浇灌。

1.1.3ZigBee无线通讯

通过ZigBee网络,手机App接收净化器发送的数据与标准值比较,若空气质量超标,则向用户发送报警信息。用户也可以通过手机远程遥控净化器,并通过网络向用户提供针对当前空气质量的健康提示。

1.2 基本功能

检测空气中的PM2.5、甲烷和空气的湿度,并对空气进行净化、加湿。通过ZigBee将空气质量等信息发送给手机App,通过App显示提醒用户。

1.2.1空气质量检测功能

通过ZPH03灰尘传感器,检测空气中的可吸入颗粒物,如PM2.5;通过甲醛传感器,检测空气中的甲醛浓度[3];通过温湿度模块,检测空气的温湿度。

1.2.2空气净化功能

Fresh Air空气气流从其栽培的植物叶片表面,引入土壤中,由植物的根部和土壤中的微生物进行净化,祛除空气中的氨、苯、二甲苯、三氯乙烯和甲醛等化合物和可吸入颗粒物,最终从风扇中吹出带有田园泥土气息的新鲜空气[4]。同时,盆体的排风扇吹出潮湿的空气对室内空气进行加湿,并加速空气流动,达到净化空气和空气加湿的目的。

1.2.3联网及远程控制

通过ZigBee的数据传输技术将各个检测模块检测的数据传输到手机App,为用户提供室内空气质量信息,并针对当前的空气质量为用户推送健康信息和报警。用户也可通过手机监控净化器的工作状态。

2 硬件设计

2.1 硬件设计方案

利用雾霾传感器和温湿度传感器检测空气中的可吸入颗粒物和空气温度。之后利用植物和土壤中微生物对污染物的净化能力,解决传统空气净化器净化空气过程中产生其他有害物质,以及净化器净化费用过高且净化过程过于繁琐的问题。利用土壤湿度传感器检测植物生活环境中的土壤湿度、外围硬件让植物实现自我管理,区别传统净化器仅专注于室内净化的诟病。

2.2 硬件系统架构

对于Fresh Air硬件结构,以STM32为核心,由雾霾检测模块、空气温湿度检测模块、土壤湿度检测模块、甲醛气体检测模块进行对室内的检测,从而传输数据。STM32核心处理分析数据传达指令到排风扇和抽水泵从而进行工作,最终室内数据将会在手机端和OLED显示,具体硬件系统架构图如图1所示。

图1 Fresh Air硬件结构图

空气气流从其栽培的植物叶片表面引入土壤中,由植物的根部和土壤中的微生物进行净化,祛除空气中的氨、苯、二甲苯、三氯乙烯和甲醛等化合物和可吸入颗粒物,最终从风扇中吹出带有田园泥土气息的新鲜空气,室内空气数据将会由OLED显示屏呈现出来,具体空气流操作如图2所示。

图2 Fresh Air工作流程图

3 软件架构和开发环境

本系统主要应用STM32f1单片机与ZigBee无线通信技术,涉及单片机嵌入式开发和手机端的应用程序开发。用到的开发工具有CCS和Android Studio等软件,涉及C语言和Java语言[5]。

3.1 单片机嵌入式开发

系统首先通过传感器采集数据,在经过处理器处理后对相应执行器进行操控,并由手机显示相应数据。具体程序工作原理如图3所示。

图3 程序工作原理图

3.2 手机端应用程序开发

目前,随着手机移动终端的普及和快速发展,手机App对电子设备的控制越来越常见,也越来越成熟。谷歌公司的Android和苹果公司的IOS已成为手机应用平台的主流,而Android以其巨大的市场占有率在用户使用中尤为重要。于是手机端采用谷歌公司的Android应用程序开发手机APP[6]。

Android是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统,由谷歌公司和开放手机联盟领导及开发。谷歌公司与84家硬件制造商、软件开发商及电信营运商组建开放手机联盟,共同研发、改良了Android系统。2013年的第4季度,Android平台手机的全球市场份额已经达到 78.1%,全世界采用这款系统的设备数量达到10 亿台。

如图4所示,Android开发语言使用Java,在开发过程中要熟悉用户界面与交互的基本开发方法,了解创建的界面空间、布局、菜单、界面事件和手势应用的使用方法。利用Android开发的手机App必须能够利用wifi与空气净化器交流数据,用户可以利用手机App远程控制净化器的工作状态。

图4 Android开发界面截图

4 设计结果分析

植物空气净化器的净化实验是将净化器放置在密封透明的空气罩中,通过人工制造污染模拟污浊的空气,利用净化器进行净化如图5所示。实验过程利用手机计时,空气罩内的初始PM2.5含量为104 mg/m3,土壤湿度为54.93%,设定PM2.5标准值为42 mg3,土壤湿度标准为30%,如图6所示空气质量大于设定值,排风扇运行;土壤湿度大于设定值,不进行浇灌。经过5分钟净化,PM2.5的含量降至37 mg3,土壤湿度为53.25%,此时排风扇停止运行如图7所示。系统同时检测空气温湿度,并将数据实时显示在手机上如图8和图9所示。

图5 实验过程

图6 实验初始状态

图7 实验结束状态

5 结论

本文针对室内空气的净化,采用ZigBee技术、智能控制和物联网等技术,采用植物和土壤微生物净化空气,利用排风扇增加空气流动,提高净化速度,在传统净化器的基础上,改变其只是一台呆板的死机器,具有一定的欣赏价值,并且同时可以与手机App连接,将空气的质量反馈给用户,提醒用户做出相应的应对措施,具有简单、净化有效期长、不消耗能源和对室内的污染物基本无净化特异性的优点。