基于物联网的医用空气净化系统

基于物联网的医用空气净化系统

苏傲李玉丽樊则琛俞桦辉

吉林建筑大学 吉林 长春130118

摘要：随着全球工业化的发展，空气污染越发严重，这不仅会对人的身体健康产生伤害，还会间接影响人的精神健康。为解决室内空气污染问题，本文设计了一款基于STM32和Wi-Fi模块的医用空气净化系统。该系统主要由STM32微控系统，Wi-Fi无线通讯网络，多种空气质量检测传感器模块，可智能调节的空气净化模块组成，开发微信小程序实现远程监控。

关键词：STM32  Wi-Fi  远程监控

引言

空气传播是病毒传播的主要途径之一，尤其是在病患密集的医疗场所，空气的质量监测和净化尤为重要。空气净化系统可以对空气进行循环消毒净化，已成为众多研究者所关注的热点。新型空气净化系统是采用高压静电和过滤双重净化原理对空气进行消毒净化的一种新设备，克服了传统消毒方法的不足，应用前景较为广阔。本文研究以人机交互、高效净化空气和智能化监控为切入点，设计一种基于物联网的空气净化系统，使得人们能够直观实时地得到室内环境的品质，并且达到改善空气质量为患者和医护人员提供更为良好的室内环境的目的。

1系统设计

1.1系统硬件设计

该项目主要由空气质量净化传感器系统模块、MCU控制系统模块、显示系统模块、空气净化系统模块、电源模块、蓝牙模块、手机软件APP等模块组成。

1.2空气净化模块电路设计

空气净化模块包括消毒剂喷洒装置，滤网，活性炭，紫外线灯等部件。其中消毒剂喷洒器，紫外线灯与主控芯片的电路是相连接，喷洒器内设置了驱动板，可以通过幅值为10V的脉冲宽度调制信号来实现喷洒器功率大小的调节，以控制消毒剂的喷洒量。

紫外线灯的工作电压为直流12V，使用继电器或场效应管等元件进行12V紫外线灯的开关控制。选择合适的GPIO引脚连接到继电器或场效应管，用于控制紫外线灯的开关。在设计中考虑使用光耦隔离等措施，确保STM32与高压部分（12V紫外线灯）之间的安全隔离。将STM32控制部分与紫外线灯整合到整个系统中，进行整体功能测试与性能优化。加入反向电压保护和过电流保护电路，防止电路受到损坏或者用户受到伤害，原理如图1所示。

图1紫外线灯驱动电路图原理

1.3空气质量检测模块电路设计

医用空气净化器的空气质量检测包括CH2O、TVOC、CO2、CO等有害气体的浓度检测,PM2.5、PM10等可吸入悬浮颗粒物的浓度检测以及室内温湿度的检测。空气质量检测模块包括测量CH2O浓度和TVOC浓度的ZE08-CH20传感器模块、测量CO2浓度的MH-Z19B传感器模块、测量CO浓度的TPM-200A-CO传感器模块、测量PM2.5和PM10浓度的PR-PM115S颗粒物传感器模块以及测量温湿度的DHT12温湿度传感器模块。所有这些传感器模块通过排线与主控板连接，实现完整的空气质量检测功能。整个模块应与室内空气充分接触，而主控板应放置在空气净化器内部。利用STM32内置的ADC模块，对传感器输出的模拟信号进行转换，然后根据需要进行数据处理和存储。

1.4 Wi-Fi模块设计

WIFI模块又名串口WIFI模块，属于物联网传输层，功能是将串口或TTL电平转为符合WIFI无线网络通信标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11b.g.n协议以及TCP/IP协议。传统的硬件设备嵌入WIFI模块可以直接利用WIFI联入互联网。ESP8266是一款超低功耗的模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和互联网的应用设计，可将用户的物理设备连接到WIFI无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。

2系统软件设计

医用空气净化器接通电源之后，主控芯片程序开始运行，根据参数开始初始化系统。空气净化器上电即处于初始状态，导风叶片打开，风机转速处于低档状态，紫外线灯开启，定时功能关闭。并且程序循环，主控芯片会将空气质量检测模块传入的数据进行处理，并且对空气净化模块中的电子原件状态进行一定的调节，按照不同的格式分别发送给蓝牙模块和Wi-Fi模块。用STM32内置的ADC模块，通过GPIO口连接PM2.5传感器和温湿度传感器，采集空气质量、温度和湿度数据。编写ADC初始化代码，配置采样频率和分辨率，并编写中断服务程序来处理ADC转换完成事件。在中断服务程序中，对采集到的模拟数据进行滤波、校准和补偿，得到准确的数字化数据。空气净化设备控制算法，根据采集到的空气质量数据，自动调节空气净化设备的工作状态，使用PWM输出控制喷洒器电机的运行功率。通过计算功率大小和喷洒量之间的关系以此控制消毒液的喷洒量。连接一个128x64 OLED显示屏到STM32的I2C接口，显示空气质量数据、温湿度等信息。通过两个按键（如上下按键）来实现用户交互，用户可以通过按键切换菜单或参数设置。

通过一个ESP8266 WiFi模块，实现与局域网内的手机或电脑的通信功能，将空气质量数据上传到云端。使用MQTT或HTTP协议，将数据上传到服务器，并实现远程控制空气净化设备的功能。实现数据校验机制，对传感器数据进行有效性检查，防止错误数据影响系统稳定性。

3结语

本课题充分利用嵌入技术，无线网络技术和传感器技术，基于STM32和Wi-Fi设计一套医用的空气净化系统，通过对各种空气数据采集分析，然后对空气净化系统的硬件进行调试，实现了同步实时采集空气质量数据并上传CH20、TVOC、CO2、CO等有害气体的浓度检测,PM2.5、PM10等可吸入悬浮颗粒物的浓度检测以及室内温湿度的检测结果。

空气净化器对空气质量传感器采集的空气净化器对空气质量传感器采集的信息进行分析后会自动的调节各空器装置的运行状态，以及消毒液的喷洒量和时间间隔。以达到自动对区域内空气很好的空气净化消毒。并且用户能够通过手机上的微信小程序，和电脑终端远程对空气净化系统的运行状态进行调节。

参考文献

[1]郝以鹏，入门篇 用立创EDA快速完成电路设计[J].无线电，2019(1)：70-72.

[2]单作刚.室内空气污染物检测分析[J].检验检疫学刊，2019,29(05)：65-66.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会.冷阴极紫外线杀菌灯：

[4]单作刚.室内空气污染物检测分析[J].检验检疫学刊，2019,29(05)：65-66.

[5]曹春水，黄亮.一氧化碳中毒[J].中国实用乡村医生杂志,2008,15(10)：24-25.

[6]杨一聪.低功耗蓝牙BLE协议[J].企业技术开发（学术版），2019(4）.

[7]汤佳露，冯吴洋，丁荐元，等.基于物联网技术的室内环境可监测控制系统研究与实现[J].科技创新与应用，2019(32):14-16.

[8]陈鸿海，孙学良，赵鹤鸣，等.高增益蓝牙天线的设计与应用[J].仪器仪表学报，2021，42(2):197-206.

作者简介

苏傲 吉林建筑大学2021级本科学生 所学专业：电气工程及其自动化

李玉丽（1973-），女，高级实验师，硕士，主要从事电气工程教学工作。

本论文依托于吉林建筑大学大学生创新创业训练计划（项目编号：S202310191071）