CN106444395A - 一种基于智能发光家居用品室内pm2.5实时检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明专利属于空气质量检测技术领域，具体涉及的是一种基于智能发光抱枕的室内PM2.5实时检测控制系统，该系统主要包括传感器模块，PM2.5主控制模块，智能显示模块(智能发光抱枕)。系统首先结合信息技术与纺织面料设计技术，将普通纺织纤维材料和光纤材料混合编织成智能发光织物并制成抱枕，实现手感柔软，色彩丰富的智能显示。其次，应用嵌入式系统设计技术，控制LED灯及光纤材料的发光特性，使抱枕动态呈现不同的发光状态，以反映PM2.5测量模块所测得的室内空气质量状况。最后，应用ZigBee无线通信技术联结传感器模块、PM2.5主控制器模块和智能显示模块，实现用户，发光抱枕和家居环境质量的智能互动。
Description
技术领域
本发明涉及空气质量检测技术以及智能家居这两大领域，具体涉及的是一种基于智能发光由织物制成的家居用品（例如抱枕）的室内PM2.5实时检测控制系统。
背景技术
室外空气质量往往可以通过肉眼观察或查询空气质量报告来了解，但室内的空气质量却很难通过肉眼判断，因此很多人误以为室内空气污染比室外少，导致室内很多污染源未能引起足够重视，比如厨房油烟，打扫卫生时地毯、地板上的细微颗粒等。上海市环境产业保护协会实验结果显示，在厨房煎完3个鸡蛋后，厨房内的PM2.5平均浓度立刻达到315微克/立方米。
PM2.5指的是直径比较小的颗粒物，具有以下特点：粒径较小，表面积较大，活性很强，容易附带有毒、有害的物质，并且可以长时间地停留在空气中，因此它们对大气环境质量以及人体健康都有着很严重的影响。报告显示，由于现代人70%～90%的时间处于室内，人体健康与室内空气质量息息相关，室内PM2.5污染对人的影响更显著，人均室内暴露量和潜在剂量为室外的4倍，PM2.5吸入量室内占八成。一旦所以直径小于2.5微米的颗粒进入人体后，会堵塞人体的微循环，并直接堵塞肺，造成肺活量的减少，肺硬化。如果长期处于受污染的空气中，易患支气管炎、哮喘等呼吸系统疾病，甚至导致肺癌，还会影响心血管系统、降低心脏供血能力等。所以建立一种室内PM2.5检测系统，提醒用户时刻关注自己家里的空气质量问题势在必行。
发明内容
本发明的目的是：实现对室内空气质量的检测及预警。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于智能发光家居用品的室内PM2.5实时检测系统，其特征在于，包括：
传感器模块，用于检测目标区域的PM2.5颗粒物浓度；
PM2.5主控制器模块，用于实时获取传感器模块的PM2.5颗粒物浓度数据，并根据PM2.5颗粒物浓度数据判断当前的空气质量；
由普通纺织纤维材料和光纤材料混合编织成的智能发光织物所制成的家居用品，在该家居用品内设有发光单元及从控制电路单元，从控制电路单元根据主控制器模块给出的不同的空气质量数据控制发光单元发出不同颜色变化的光，光照亮家居用品中所含的光纤材料后使得家居用品呈现对应的颜色变化，使用者根据不同的颜色变化判断当前的空气质量。
优选地，将所述目标区域划分为不同的子区域，在每个子区域内均放置至少一个所述传感器模块及至少一个所述家居用品，所有传感器模块及所有家居用品均与所述主控制器模块建立数据通信。
优选地，所述传感器模块与所述PM2.5主控制器模块间，及所述PM2.5主控制器模块与所述家居用品的从控制电路单元间通过无线网络实现数据交互。
优选地，所述无线网络应用ZigBee无线通信技术实现。
优选地，所述PM2.5主控制器模块包括主控制器及室内空气净化装置，主控制器根据空气质量来控制室内空气净化装置，以降低目标区域的PM2.5颗粒物浓度。
优选地，所述从控制电路单元包括从控制器、耦合器、无线通信单元、电源单元；所述发光单元采用高亮度的LED灯；
从控制器分别与高亮度的LED灯、无线通信单元相连接，耦合器连接织物中的光纤材料和高强度的LED灯，由电源单元为从控制器、无线通信单元、LED灯提供工作电压，从控制器通过无线通信单元获取空气质量数据来控制LED灯的颜色变化以及动态节奏，进而LED灯照亮交织在织物中的光纤材料后，家居用品也呈现对应的颜色和动态节奏的变化。
优选地，正常开启时，所述家居用品发光抱枕呈现红、绿、蓝三种颜色并以正常速度轮回交替；当空气质量为优时，所述家居用品呈现柔和的蓝光和绿光缓慢地轮回交替；当空气质量为良时，所述家居用品呈现明亮的黄光和绿光正常地轮回交替；当空气质量为污染时，所述家居用品呈现强烈的红光和黄光快速地轮回交替。
本发明专利的突出效果在于：
1、本发明专利设计应用ZigBee无线通信技术联结PM2.5主控制器模块、传感器模块、智能显示模块（智能发光抱枕），实现各模块随处安放，移动便捷，方便用户在不同位置观察室内任意位置的PM2.5数值和空气质量状况，实现系统的灵活性。
2、本发明专利设计应用嵌入式系统技术，编程设计高强度LED灯的动态显示，使抱枕发光状态反映室内环境的空气质量。利用智能发光织物中光纤发光状态可控的特性，以家居环境中常见的抱枕为载体，控制LED灯及光纤材料的发光特性，进而使抱枕动态地呈现不同的发光状态（颜色，亮度和变化频率），以此反映当前环境的PM2.5浓度值和空气质量，实现了普通抱枕智能化，达到抱枕与家居环境质量智能互动的目的。
3、本发明专利设计结合信息技术和纺织面料设计技术，设计了基于智能发光织物的显示模块（即发光抱枕）。该智能发光织物将普通纺织纤维材料和光纤材料混合编织，由此制成的智能显示模块色彩绚丽，颜色变化丰富。与普通的LED屏幕或单纯用光纤材料做成的显示器相比，手感柔软，触感舒适，是一种与人友好的“显示界面”。
附图说明
图1、基于智能发光抱枕的室内PM2.5实时检测系统结构图；
图2、传感器模块结构图；
图3、灰尘传感器工作原理图；
图4、PM2.5主控制器模块结构图；
图5、智能显示模块（智能发光抱枕）模块结构图；
图6、 PM2.5主控制器工作流程图。
具体实施方式
下面参照附图说明和具体实施示例，对本发明专利所述的基于智能发光抱枕的室内PM2.5检测控制系统作进一步的说明：
参照附图1，基于智能发光抱枕的室内PM2.5实时检测控制系统，主要包括传感器模块、PM2.5主控制器模块、智能显示模块（智能发光抱枕）这三大部分，传感器模块分布在家中不同的房间内，实时检测室内空气中的PM2.5颗粒物含量，通过ZigBee无线通信模块将检测到数据传送给PM2.5主控制器模块，主控制模块处理完数据后通过ZigBee无线通信模块将数据传送给智能显示模块，智能显示模块主要是指内嵌集成电路的智能发光抱枕，系统正常开启时，发光抱枕呈现红，绿，蓝三种颜色并以正常速度轮回交替；空气质量为优时，发光抱枕呈现柔和的蓝光和绿光缓慢地轮回交替；空气质量为良时，发光抱枕呈现明亮的黄光和绿光正常地轮回交替；空气质量为污染时，发光抱枕呈现强烈的红光和黄光快速地轮回交替，提醒用户及时采取净化室内空气的措施，例如打开窗户通风、暂时离开房间等，并且PM2.5主控制模块也会自动启动空气净化器装置。
参照附图2，展示的是传感器模块的结构图，主要包括灰尘传感器、从控制器、ZigBee无线通信、电源单元，从控制器分别与灰尘传感器、电源单元、ZigBee无线通信连接，从控制器获取灰尘传感器采集的PM2.5浓度数据通过ZigBee无线通信技术传送给PM2.5主控制器模块。
参照附图3，展示的是灰尘传感器的工作原理图，图中1为灰尘颗粒，2为光敏元件，3为光线传输口，4为发光二极管。主要是利用光敏原理来检测出空气中特别细小的颗粒，例如香烟颗粒、尘埃等，传感器有一组发射与接收红外线的二极管，当通风口没有细小颗粒物的存在的时候，经过放大电路输出的脉冲的高度是不变的，当通风口处存在细小颗粒物，光敏元器件之间正常的红外线就会受到干扰，输出脉冲就会有所变化，从而可以通过该传感器的输出脉冲高度来判断传感器检测到颗粒物浓度。
参照附图4，展示的是PM2.5主控制器模块的结构图，主要包括主控制器、电源单元、继电器、ZigBee无线通信、室内空气净化装置。主控制器分别与电源单元、继电器、ZigBee无线通信连接，继电器与室内空气净化装置连接，主控制器通过ZigBee无线通信技术接收传感器模块通过传来的数据，经计算后将数据通过ZigBee无线通信传送给智能显示模块。同时一旦处理完的数据PM2.5浓度值超标，主控制器自动控制开启室内空气净化装置。
参照附图5，展示的是智能显示模块（智能发光抱枕）的结构图，智能显示模块是指由普通纺织纤维材料和光纤材料混合编织成的智能发光织物所制成抱枕，其内部嵌有集成电路。主要包括从控制器、高亮度的LED灯、ZigBee无线通信、电源单元、耦合器。从控制器分别和高亮度的LED灯、ZigBee无线通信、电源单元连接，耦合器连接织物中的光纤和高强度的LED灯，从控制器通过无线通信获取PM2.5浓度数据来控制LED灯的颜色变化以及动态节奏，进而LED灯照亮交织在织物中的光纤后，抱枕也会呈现对应的颜色和动态节奏的变化。高亮度的LED灯内部是由红、绿、蓝三种颜色的灯珠组成，采用脉冲宽度调制（PWM）方式控制三种颜色灯珠的输入平均电压，通过给红、绿、蓝三种颜色的灯珠分配不同比例的电压会使这三种灯珠发出的颜色亮度不同，三色混合可使LED灯呈现各种颜色的光，比如：淡绿光、深绿色、淡蓝色、深蓝色等。通过控制每种颜色的发光时间频率，使LED灯光颜色呈现动态交替变化的效果。
PM2.5主控制器模块实现对传感器模块检测数据的接收、经计算处理数据后执行空气净化器的开关决策操作以及实时将数据传送给智能显示模块显示，主控制器与传感器模块和智能显示模块采用ZigBee无线通信技术通讯，而与空气净化器通过简单的串口进行开关通讯。PM2.5主控制器工作流程如图5所示，其步骤如下：
（1）主控制器经上电初始化后，初始化主控上连接的ZigBee通讯协调器；
（2）协调器初始化ZigBee网络并且自行判断组网是否成功，等待ZigBee通讯子节点的接入；
（3）协调器检测PM2.5传感器模块节点是否加入网络；
（4）协调器检测智能显示模块节点是否加入网络；
（5）当检测到PM2.5传感器模块节点和智能显示模块节点都加入网络，整个网络才算成功搭建，否则循环等待节点加入；
（6）周期性实时地接收PM2.5传感器发送的数据，通过ZigBee无线通信传送给智能显示模块（智能发光抱枕）显示。并判断当前PM2.5浓度是否超标；
（7）主控制器判断当前PM2.5浓度是否超标，一旦检测到PM2.5浓度超标时，自动启动空气净化装置。
传感器模块节点工作流程图如图6所示，其步骤如下：
（1）传感器模块节点上电初始化；
（2）传感器模块节点根据初始设置自动搜索到对应的ZigBee网段，并请求加入该网段；
（3）判断传感器模块节点是否入网成功，如果入网失败则重新进行入网申请；
（4）节点成功加入ZigBee网段后，该节点的传感器模块将实时检测的PM2.5浓度值通过ZigBee无线通讯周期性实时地发送给主控制器的ZigBee协调器；
（5）判断数据发送成功与否，若数据发送失败则返回继续数据重传。
智能显示模块节点工作步骤如下：
（1）智能显示模块节点上电初始化后；
（2）智能显示模块节点会根据初始设置自动搜索到对应的ZigBee网段，并请求加入该网段；
（3）判断节点是否入网成功，如果入网失败则重新进行入网申请；
（4）节点成功加入ZigBee网段后，智能显示模块节点周期性实时地接收来自主控制器的数据；
（5）智能抱枕节点经计算处理数据后，控制高强度LED灯的颜色以及动态节奏，直观新颖地反映室内空气质量情况。
Claims (7)
1.一种基于智能发光家居用品的室内PM2.5实时检测系统，其特征在于，包括：
传感器模块，用于检测目标区域的PM2.5颗粒物浓度；
PM2.5主控制器模块，用于实时获取传感器模块的PM2.5颗粒物浓度数据，并根据PM2.5颗粒物浓度数据判断当前的空气质量；
由普通纺织纤维材料和光纤材料混合编织成的智能发光织物所制成的家居用品，在该家居用品内设有发光单元及从控制电路单元，从控制电路单元根据主控制器模块给出的不同的空气质量数据控制发光单元发出不同颜色变化的光，光照亮家居用品中所含的光纤材料后使得家居用品呈现对应的颜色变化，使用者根据不同的颜色变化判断当前的空气质量。
2.如权利要求1所述的一种基于智能发光家居用品的室内PM2.5实时检测系统，其特征在于，将所述目标区域划分为不同的子区域，在每个子区域内均放置至少一个所述传感器模块及至少一个所述家居用品，所有传感器模块及所有家居用品均与所述主控制器模块建立数据通信。
3.如权利要求1所述的一种基于智能发光家居用品的室内PM2.5实时检测系统，其特征在于，所述传感器模块与所述PM2.5主控制器模块间，及所述PM2.5主控制器模块与所述家居用品的从控制电路单元间通过无线网络实现数据交互。
4.如权利要求3所述的一种基于智能发光家居用品的室内PM2.5实时检测系统，其特征在于，所述无线网络应用ZigBee无线通信技术实现。
5.如权利要求1所述的一种基于智能发光家居用品的室内PM2.5实时检测系统，其特征在于，所述PM2.5主控制器模块包括主控制器及室内空气净化装置，主控制器根据空气质量来控制室内空气净化装置，以降低目标区域的PM2.5颗粒物浓度。
6.如权利要求1所述的一种基于智能发光家居用品的室内PM2.5实时检测系统，其特征在于，所述从控制电路单元包括从控制器、耦合器、无线通信单元、电源单元；所述发光单元采用高亮度的LED灯；
从控制器分别与高亮度的LED灯、无线通信单元相连接，耦合器连接织物中的光纤材料和高强度的LED灯，由电源单元为从控制器、无线通信单元、LED灯提供工作电压，从控制器通过无线通信单元获取空气质量数据来控制LED灯的颜色变化以及动态节奏，进而LED灯照亮交织在织物中的光纤材料后，家居用品也呈现对应的颜色和动态节奏的变化。
7.如权利要求1所述的一种基于智能发光家居用品的室内PM2.5实时检测系统，其特征在于，正常开启时，所述家居用品发光抱枕呈现红、绿、蓝三种颜色并以正常速度轮回交替；当空气质量为优时，所述家居用品呈现柔和的蓝光和绿光缓慢地轮回交替；当空气质量为良时，所述家居用品呈现明亮的黄光和绿光正常地轮回交替；当空气质量为污染时，所述家居用品呈现强烈的红光和黄光快速地轮回交替。
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