一种室内空气质量智能调节系统

摘 要：为了改善目前日益严峻的室内空气环境质量，通过智能控制新风与空调联动为突破口，结合红外探测技术、室内环境监测技术、物联网技术、空气净化技术等集成一套室内空气质量智能控制系统。系统集中收集室内空气各指标参数，通过智能云端控制策略自动远程控制空调、新风、空气净化模块的启停和换挡，系统在优化室内空气环境质量的同时大大提高了空调和新风的运行效率，具有提高室内舒适度与节能双重作用。

基金支持：重庆市应用开发计划项目（cstc2013yykfA0082）

1.引言

现代建筑为了提高房屋的保温性能与安全性，密封化程度越来越高门窗可开启面积越来越小室外自然风无法进入室内，造成室内的空气不流通、热量积聚和细菌滋生；加之装饰材料、家具、家用电器、清洁剂等不断释放的挥发性有机物VOC，室内空气污染程度常常比室外空气污染严重2～3倍，在某些情况下，甚至可达100多倍。在室内可检测出约300多种污染物。越来越严峻的室内空气环境质量严重影响了人体健康。相关调查数据显示人体68%的疾病都与室内空气污染有关。传统关窗开空调的做法解决了室内温湿度失衡的问题，但仍不能有效降低室内空气的污染物浓度、细菌浓度和CO2浓度。为了解决上述问题通常人们采用在空调使用过程中打开门窗，实现通风。这一普遍采用的空调采暖季节通风方式不仅极大的增加空调的负荷，加重能源的损耗，而且在很多场合难以应用，例如：当室外噪声严重时，开窗通风换气会引来噪声污染；当室外风沙、灰尘较大时，开窗会破坏原本清洁的室内环境；晚上或者人少的时候，开窗会带来一些安全隐患。

2. 开发室内空气质量智能调节系统

2.1 系统组成

系统包括软件和硬件两部分。硬件部分由人员活动探测器、空气品质传感器、无线控制模块组成。软件部分为空气质量云端管理平台，平台可运行在用户的手机或PC上，整套系统的软硬件通过用户的家庭局域网连接起来，系统各部件间通过网络进行实时信息交换。

2.2 部件的功能说明

人员活动探测器负责探测房间的人员进出和滞留情况，其工作原理是由于人在探测器覆盖区域内移动引起接收到的红外辐射变化而产生感应信号，空气品质传感器负责探测室内的通风换气情况与污染物浓度，无线控制模块负责实施对终端设备调控命令，空气质量云端管理平台负责接收处理传感器传递来的数据并对无线控制模块下达调控命令。

2.3 系统工作原理

系统通过布置于各房间的人员活动探测器探测房间的人员活动情况，当检测到人员进入并滞留后，云端管理平台启动对空气品质传感器数据的分析服务，平台根据用户预先设定理想参数范围对接收到空气指标参数进行评估，根据评估结果匹配相应的控制策略，控制策略转化为数字信号后传输至空调、新风、空气净化器的无线控制端，由无线控制端控制控制三者的联动启停，从而达到了智能控制的目的。

2.4 硬件设计

（1）人员活动探测器

传感器部分：在入户过道顺次安装两个传感器A、B，每当有人顺序通过AB或BA时，通过光敏二极管及配套元件将光信号转化为电信号传给整个电路，使电路开始工作。

触发其部分：利用JK触发器，将人通过入户过道的电信号转化为CP脉冲，从而驱动进入人员计数器、出去人员计数器及逗留人员计数器等其他部分工作。

计数器部分：将计数器分为两部分，一个是同步加法计数器74LS160N，对进入及出去人员分别进行统计。一个是可逆计数器74LS192D，将进出人员信号分别输入到计数器中，通过计算得出逗留人员数目。

（2）无线控制模块

基于无线网络的控制模块结构如图所示，整个网络由无线网络节点群、网关和监控中端构成。通过网关与各无线网络节点通信，进行数据采集、显示，也可根据需要对网络节点进行参数设置和控制等。网关完成RS-232接口到无线接口之间的转换。无线网络节点主要完成中段设备运行参数的采集，根据监控主机的指令通过红外遥控方式控制终端设备的运行，并通过无线网络完成与监控主机的通信

2.5 软件设计

由于系统本身数据转发多、传输数据量大、数据传输数率低的特点；又由于IEEE802.15.4本身支持多跳和端到端的通信方式提供设备级无线连接，为保证网络通信畅通和低能量消耗，提高节点的生存能力，因此本系统采用基于IEEE802.15.4的通信协议体系结构在本系统应用中，PHY层为最底层，由射频收发器及底层的控制模块组成，主要功能信道能量检测（ED），信道接受数据包的链路质量检测指示（LQI），空闲信道评估（CCA）；MAC层为第二层，采用载波监听多址冲突退避（CSMA-CA）机制，支持网络关联和取消关联操作以及时槽保障（GTS）机制，用来确保周期性和非周期性数据转发。SSCS（特点服务汇聚子层）提供确实的数据传输和LLC（逻辑链路子层）管理数据链路通信；网络层主要为系统多跳通信提供可靠的路由通信链路。

3.结语

系统根据收集到室内空气指标参数，量化的配置了控制调节方案，有效地减少了空调与新风的运行能耗，通过智能控制空调与新风的运行参数，确保其工作在人体所需的健康环境之中，有利于人体的健康。在优化室内空气环境质量的同时大大提高了空调和新风的运行效率，具有科学降低能耗和进化室内空气的双重意义。