CN206755405U - 智能窗式空气过滤器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了智能窗式空气过滤器，包括过滤器本体，过滤器本体上设置电源模块、用于空气过滤及净化的换气机、信号采集模块、信号处理模块、单片机、网络连接模块、报警模块和人机交互模块，人机交互模块包括LCD显示模块、触摸屏和按键，信号采集模块通过信号处理模块连接单片机输入端，单片机输出端与换气机、报警模块和LCD显示模块相连，单片机通过网络连接模块无线连接客户端实现远程通信。本实用新型提供的智能窗式空气过滤器，能够同时检测空气的温度、湿度、VOC浓度、PM2.5值和CO2浓度并进行无线数据传输，实现远程监控，提高人机交互水平，兼具报警功能，一机多用，减少布线，易于维护，应用前景广阔。
Description
技术领域
本实用新型属于空气过滤器技术领域，具体涉及智能窗式空气过滤器。
背景技术
随着经济社会的快速发展，人们的物质和精神生活的质量也在日益提高，但随之而来的是对当前空气质量的担忧及对人类生命健康的关注，尤其是近年来全国各地频现雾霾天气。
为了自身身体健康和吸入更加质优的空气，越来越多的人们选择使用空气过滤器对一定空间内的空气进行过滤和净化，当室内需要通风换气但因室外噪声严重不便于直接开窗换气时，更需要对室外空气过滤后再送入室内。当前的空气过滤器仍处于非智能发展阶段，体积庞大，占据空间大，在安装时需要破坏墙体方可将通风管道装在天花板内，减小了楼层空间，安装难度较大且无法实现人机交互，智能化水平低，实用性差。
实用新型内容
为解决现有空气过滤器存在的安装难度大、体积大、实用性差和智能化水平低的问题，本实用新型提供一种智能窗式空气过滤器。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
智能窗式空气过滤器，包括过滤器本体，过滤器本体上设置电源模块和用于空气过滤及净化的换气机，过滤器本体上还设置信号采集模块、信号处理模块、单片机、网络连接模块、报警模块和人机交互模块，人机交互模块包括LCD显示模块、触摸屏和按键，单片机输入端与触摸屏和按键相连并接收触摸屏和按键传送的键码信息，信号采集模块通过信号处理模块连接单片机输入端，单片机输出端与换气机、报警模块和LCD显示模块相连，单片机通过网络连接模块无线连接客户端进行远程通信，电源模块分别与换气机、单片机、信号采集模块、网络连接模块、报警模块和人机交互模块相连并为各模块供电。
进一步的，所述信号采集模块包括温湿度传感器模块、VOC检测模块、PM2.5检测模块、CO2检测模块和图像采集模块。
进一步的，所述温湿度传感器模块采用DHT11温湿度传感器，包括电阻式感湿元件、NTC测温元件和OTP内存器，VOC检测模块采用AS-MLV传感器，PM2.5检测模块采用DSM501A传感器，CO2检测模块采用MISIR传感器，图像采集模块采用若干组内置OV7670/OV7171 图像传感器的C2640-1摄像头，图像采集模块与单片机的PA4、PA6、PA8、PB6-PB9、PC6、PC7、PD5、PD6、PE0-PE4 I/O 口相连。
进一步的，所述信号处理模块包括沿信号输入方向依次设置的增益放大器、电平偏移电路、低通滤波器和ADC转换器，ADC转换器与单片机的PE6 I/O口相连。
进一步的，所述增益放大器为双极性差分高增益运算放大器OP297，所述ADC转换器为AD7685转换器。
进一步的，所述单片机采用基于ARM内核的32位STM32F407单片机，内置与客户端无线连接的以太网控制模块、FLASH存储器、实时时钟RTC和接口模块。
进一步的，所述以太网控制模块采用DP83848C集成以太网控制芯片，所述FLASH存储器采用W25Q16存储器，单片机通过FSMC接口读写触摸屏和键盘键入FLASH存储器内的数据信息，所述接口模块包括JTAG调试接口、USB接口和网卡，JTAG调试接口与单片机的PA13和PA14接口相连，通过JTAG接口进行程序烧录和在线调试，USB接口与单片机的PD14和PD15接口相连，通过单片机的SPI接口控制其内的CH376芯片实现对外USB设备的读写，客户端通过网卡连接以太网控制模块进行无线通信。
进一步的，所述网络连接模块包括ZigBee无线通信模块、Wi-Fi模块和蓝牙模块，所述ZigBee无线通信模块采用RFD芯片，所述Wi-Fi模块采用BCM43364芯片并与单片机的SPI接口相连，所述蓝牙模块采用CSR41814芯片。
进一步的，所述LCD显示模块采用分辨率为128×128、3/4线SPI接口TFT彩色液晶显示屏，LCD显示模块的SPI接口与单片机的PE10-15 I/O口相连，所述触摸屏采用ARM9芯片并通过USRAT2串口与LCD显示模块相连。
进一步的，所述客户端包括手机、平板电脑、台式电脑和手提电脑，所述报警模块为蜂鸣器。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
本实用新型公开了智能窗式空气过滤器，包括过滤器本体，过滤器本体上设置电源模块和用于空气过滤及净化的换气机，过滤器本体上还设置信号采集模块、信号处理模块、单片机、网络连接模块、报警模块和人机交互模块，人机交互模块包括LCD显示模块、触摸屏和按键，单片机输入端与触摸屏和按键相连并接收触摸屏和按键传送的键码信息，信号采集模块通过信号处理模块连接单片机输入端，单片机输出端与换气机、报警模块和LCD显示模块相连，单片机通过网络连接模块无线连接客户端进行远程通信，电源模块分别与换气机、单片机、信号采集模块、网络连接模块、报警模块和人机交互模块相连并为各模块供电。本实用新型提供的智能窗式空气过滤器，能够同时检测空气的温度、湿度、VOC浓度、PM2.5值和CO2浓度并采用以太网、Wi-Fi或蓝牙等多种无线通讯方式与客户端进行无线数据传输，实现远程监控，提高人机交互水平，兼具报警功能，一机多用，减少布线，成本低，易于维护，应用前景广阔。
附图说明
图1是本实用新型的硬件总体框图；
图2是本实用新型信号处理模块的结构框图；
图3是本实用新型网络连接模块的结构框图；
图4是本实用新型LCD显示模块的结构框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作更进一步的说明。
如图1-4所示，智能窗式空气过滤器，包括过滤器本体，过滤器本体上设置用于空气过滤和净化的换气机、信号采集模块、信号处理模块、单片机、网络连接模块、报警模块、人机交互模块和电源模块，过滤器本体上还包括与换气机相适配的排风口、通风口和通风管道等附件，信号采集模块包括温湿度传感器模块、VOC检测模块、PM2.5检测模块、CO2检测模块和图像采集模块，人机交互模块包括LCD显示模块、触摸屏和按键，单片机输入端与触摸屏和按键相连，用于实时接收触摸屏和按键传送的键码信息，温湿度传感器模块、VOC检测模块、PM2.5检测模块、CO2检测模块和图像采集模块均通过信号处理模块连接单片机输入端，单片机输出端与换气机、报警模块和LCD显示模块相连，单片机还通过网络连接模块无线连接客户端进行数据传输，通过客户端实现远程监控，电源模块分别与换气机、单片机、信号采集模块、网络连接模块、报警模块和人机交互模块相连并为各模块供电，客户端包括手机、平板电脑、台式电脑和手提电脑，报警模块为蜂鸣器。
以单片机为核心控制主体，单片机实时接收信号处理模块传送的数据信息并对其进行处理，判断当前空气环境质量的优劣进而控制换气机和报警模块的启闭，单片机采用基于ARM内核的32位STM32F407单片机，具有高逻辑运算性能、低功耗和低成本的嵌入式应用特点，运行可靠性和稳定性高，单片机包括以太网控制模块、FLASH存储器、实时时钟RTC和接口模块，接口模块包括JTAG调试接口、USB接口和网卡，单片机采用CAN总线通讯实现其与信号处理模块输出端及与报警模块和人机交互模块输入端的高效衔接，实时收集信号采集模块输出的电信号，实现其参数动态配置和监控其动态特性曲线，提高测量准确性和精度，单片机采用16位宽的I/O数据接口分别与LCD显示模块和报警模块的SPI接口相连，通过LCD显示模块进行实时数据显示并通过网络连接模块与客户端进行无线通信，单片机还可通过以太网控制模块连接客户端，通过网卡连接以太网控制模块并利用以太网无线连接客户端，实现远程数据传输，以太网控制模块采用DP83848C集成以太网控制芯片，执行IEEE802.3-2002标准，采用以太网进行数据传输，单片机通过以太网控制模块实现以太网收发数据，FLASH存储器采用W25Q16存储器，单片机通过FSMC接口匹配FLASH存储器，通过触摸屏和按键向单片机内的FLASH存储器输入键码信息，用于预设温湿度、VOC、PM2.5和CO2浓度的阀值，单片机不断调用和读写固化于FLASH存储器的预设数据信息并将其与信号处理模块传送的数字信号进行比对，判断当前空气质量，进而控制换气机和报警模块的启闭，实时时钟RTC作为BCD定时器，用于提供日历时钟、两个可编程闹钟中断和一个具有中断功能的周期性可编程唤醒标志，接口模块包括JTAG调试接口、USB接口和网卡，JTAG调试接口与单片机的PA13和PA14接口相连，通过JTAG接口进行程序烧录和在线调试，USB接口与单片机的PD14和PD14接口相连，通过单片机SPI接口控制其内的CH376芯片实现对外USB设备的读写，完成数据存储。
温湿度传感器模块采用DHT11温湿度传感器，DHT11温湿度传感器为具有校准数字信号输出的温度和湿度复合型的传感器，DHT11温湿度传感器包括电阻式感湿元件和NTC测温元件，采用数字模块采集技术和温湿度传感技术进行温湿度检测，具有体积小、功耗低、传输距离远、灵敏度高和抗干扰能力强等优点，确保空气过滤器具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性，DHT11温湿度传感器在校验室中进行过极为精确的校准，校准系数储存于其内的OTP内存器中，在进行温湿度检测的过程中，DHT11温湿度传感器不断调用固化于OTP内存器中的校准系数并与所测得的温度量和湿度量进行比对分析，从而得到所测量环境的实际温湿度电信号。
VOC检测模块为AS-MLV传感器，用于将实时检测到的被测环境中的VOC浓度数据传送至单片机进行处理，其对室内重点监测的挥发性有机物具有较高的灵敏度，导电特性依赖于气体浓度，AS-MLV传感器芯片采用硅技术制造，包括内置于厚度为1微米的超薄化学气相沉积氮化硅薄膜内的加热电极和内置数字电极，高度重复性的二氧化锡敏感层积于内置数字电极的上方，能耗低，实用性高。
PM2.5检测模块采用DSM501A传感器，用于将实时检测到的被测空气环境中的PM2.5颗粒物浓度数据传送至单片机进行处理，PM2.5检测模块采用粒子计数原理，可灵敏检测直径1微米以上的粒子，内置加热器，可实现自动吸入空气进行检测。
CO2检测模块采用MISIR传感器，用于将实时检测到的被测空气环境中的CO2浓度数据传送至单片机进行处理，功耗低，性能稳定，CO2检测模块包括固态光源和探测器，使用3.3 V供电和UART数字输出，精度为±3%，具有自动标定功能，可通过市购获得。
图像采集模块采用若干组C2640-1摄像头，内置核心主体OV7670/OV7171 图像传感器，体积小且工作电压低，适合于嵌入式应用，OV7670/OV7171 图像传感器的灵敏度高，适合在光照环境差的情况下使用，图像采集模块与单片机的PA4、PA6、PA8、PB6-PB9、PC6、PC7、PD5、PD6、PE0-PE4 I/O 口相连接，用于将其拍摄的视频图像传送至单片机。
图2是信号处理模块的工作原理框图，信号处理模块包括沿信号输入方向依次设置的增益放大器、电平偏移电路、低通滤波器和12位精度的ADC转换器，ADC转换器与单片机的PE6 I/O口相连，信号处理模块接收信号采集模块输出的电信号并依次经过增益放大器的增益放大、电平偏移电路的电平偏移、低通滤波器的滤波和ADC转换器的模数转换作用生成对应的数字信号再输出至单片机。
增益放大器为双极性差分高增益运算放大器OP297，有稳定的开环增益，减少信号采集模块传入信号的传输损耗，电平偏移电路用于进行电压偏移，实现其采集的信号电压范围满足信号处理模块的电压要求，单位增益二阶巴特沃斯低通滤波器可以滤除信号采集模块输出信号中的高频干扰信号，保证信号的真实性，ADC转换器为AD7685转换器，用于模数转换生成单片机可处理的数字信号。
图3是网络连接模块的结构框图，网络连接模块包括ZigBee无线通信模块、Wi-Fi模块和蓝牙模块，ZigBee无线通信模块采用RFD芯片，Wi-Fi模块采用BCM43364芯片并与单片机的SPI接口相连，蓝牙模块采用CSR41814芯片，单片机与客户端之间通过网络连接模块相连并采用ZigBee无线网络、Wi-Fi或蓝牙无线通讯方式进行无线数据通信，单片机还可通过内置的以太网控制模块无线连接客户端，减少连线，降低布线困难问题，智能化水平高。
图4是LCD显示模块的结构框图，LCD显示模块采用大小为1.44寸、分辨率为128×128、3/4线SPI接口TFT彩色液晶显示屏，背光LED驱动电压为15 mA/3.2 V，响应时间为0.1ms，通过单片机输出端的PE10-PE15 I/O口连接LCD显示模块的SPI接口，触摸屏采用ARM9芯片并通过USRAT2串口与TFT彩色液晶显示屏相连和通信，实现数据交互。
本实用新型的工作原理：
将过滤器本体安装于适当位置，通过电源模块为各模块供电，温湿度传感器模块、VOC检测模块、PM2.5检测模块、CO2检测模块和图像采集模块开始运行，分别将采集的所处空气环境中的温湿度数据、VOC浓度、PM2.5颗粒物浓度和CO2浓度数据电信号传送至信号处理模块进行处理，依次通过增益放大器的增益放大、电平偏移电路的电平偏移、低通滤波器的滤波和ADC转换器的模数转换生成对应的数字信号，单片机接收数字信号并通过LCD显示模块进行实时显示，单片机还通过网络连接模块和以太网控制模块将数字信号无线传输至客户端，便于用户随时远程监控，用户还可直接通过触摸屏和按键向单片机内的FLASH存储器输入键码信息，用于预设温湿度、VOC、PM2.5和CO2浓度的阀值，单片机不断调用固化于FLASH存储器的数据信息并将其与数字信号进行比对分析，判断当前空气质量，当数字信号超出阀值，单片机控制报警模块发声报警用以提醒用户当前空气质量不合格并启动换气机进行空气过滤和净化，如此循环往复，信号采集模块不断对待测空气进行数据采集并通过信号处理模块将对应的数字信号传送至单片机进行实时比对分析，直至单片机接收的数字信号低于阀值，报警模块和过滤器本体上的换气机停止运行。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.智能窗式空气过滤器，包括过滤器本体，所述过滤器本体上设置电源模块和用于空气过滤及净化的换气机，其特征在于，所述过滤器本体上还设置信号采集模块、信号处理模块、单片机、网络连接模块、报警模块和人机交互模块，人机交互模块包括LCD显示模块、触摸屏和按键，单片机输入端与触摸屏和按键相连并接收触摸屏和按键传送的键码信息，信号采集模块通过信号处理模块连接单片机输入端，单片机输出端与换气机、报警模块和LCD显示模块相连，单片机通过网络连接模块无线连接客户端进行远程通信，电源模块分别与换气机、单片机、信号采集模块、网络连接模块、报警模块和人机交互模块相连并为各模块供电。
2.根据权利要求1所述的智能窗式空气过滤器，其特征在于，所述信号采集模块包括温湿度传感器模块、VOC检测模块、PM2.5检测模块、CO2检测模块和图像采集模块。
3.根据权利要求2所述的智能窗式空气过滤器，其特征在于，所述温湿度传感器模块采用DHT11温湿度传感器，包括电阻式感湿元件、NTC测温元件和OTP内存器，VOC检测模块采用AS-MLV传感器，PM2.5检测模块采用DSM501A传感器，CO2检测模块采用MISIR传感器，图像采集模块采用若干组内置OV7670/OV7171 图像传感器的C2640-1摄像头，图像采集模块与单片机的PA4、PA6、PA8、PB6-PB9、PC6、PC7、PD5、PD6、PE0-PE4 I/O 口相连。
4.根据权利要求1所述的智能窗式空气过滤器，其特征在于，所述信号处理模块包括沿信号输入方向依次设置的增益放大器、电平偏移电路、低通滤波器和ADC转换器，ADC转换器与单片机的PE6 I/O口相连。
5.根据权利要求4所述的智能窗式空气过滤器，其特征在于，所述增益放大器为双极性差分高增益运算放大器OP297，所述ADC转换器为AD7685转换器。
6.根据权利要求1所述的智能窗式空气过滤器，其特征在于，所述单片机采用基于ARM内核的32位STM32F407单片机，内置与客户端无线连接的以太网控制模块、FLASH存储器、实时时钟RTC和接口模块。
7.根据权利要求6所述的智能窗式空气过滤器，其特征在于，所述以太网控制模块采用DP83848C集成以太网控制芯片，所述FLASH存储器采用W25Q16存储器，单片机通过FSMC接口读写FLASH存储器，所述接口模块包括JTAG调试接口、USB接口和网卡，JTAG调试接口与单片机的PA13和PA14接口相连，通过JTAG接口进行程序烧录和在线调试，USB接口与单片机的PD14和PD15接口相连，通过单片机的SPI接口控制其内的CH376芯片实现对外USB设备的读写。
8.根据权利要求1所述的智能窗式空气过滤器，其特征在于，所述网络连接模块包括ZigBee无线通信模块、Wi-Fi模块和蓝牙模块，所述ZigBee无线通信模块采用RFD芯片，所述Wi-Fi模块采用BCM43364芯片并与单片机的SPI接口相连，所述蓝牙模块采用CSR41814芯片。
9.根据权利要求1所述的智能窗式空气过滤器，其特征在于，所述LCD显示模块采用分辨率为128×128、3/4线SPI接口TFT彩色液晶显示屏，LCD显示模块的SPI接口与单片机的PE10-15 I/O口相连，触摸屏采用ARM9芯片并通过USRAT2串口与LCD显示模块相连。
10.根据权利要求1所述的智能窗式空气过滤器，其特征在于，所述客户端包括手机、平板电脑、台式电脑和手提电脑，所述报警模块为蜂鸣器。
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20171215 Termination date: 20190515 |