CN219202163U - 一种教室环境质量监测控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种教室环境质量监测控制系统，包括主控制器和与主控制器电连接的温度传感器模块、湿度传感器模块、PM2.5传感器模块、二氧化碳传感器模块、电源模块、显示模块、开关模块、无线通信模块，开关模块与新风系统、空调系统、空气净化器、加湿系统电连接，无线通信模块与远程监控终端无线通信连接。本实用新型通过传感器监测影响学生学习和健康的4个关键室内空气质量参数：温度、湿度、二氧化碳和PM2.5，并设置环境参数的优、良、差标准，分别采用绿色、黄色、红色在LCD显示屏上无声报警，同时，在某些指标不达标，通过控制对应的执行系统工作进行改善，保证教室的环境处于绿色区域内，适合学生高效率学习。

Description

一种教室环境质量监测控制系统

技术领域

本实用新型及环境监测技术领域，具体为一种教室环境质量监测控制系统。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，生活和工作节奏逐渐加快，人们越来越重视自己的健康。室内作为人们生活的主要场所，占据了人生80％的时间，因此，室内环境的质量将直接影响人们的身心健康。同样，教室作为我们小学生的主要学习场所，其环境质量的好坏，直接影响着我们的身体健康和学习生活。据调查发现，室内的温湿度、二氧化碳浓度等对我们的学习效率影响较大，温度过高、湿度较低容易引起我们躁动，二氧化碳浓度过高容易引起我们昏昏沉沉，无法集中精力听讲、学习；PM2.5浓度作为可吸入颗粒物直接影响我们的身体健康。与此同时，在“健康中国”战略实施的背景下，2021年我国发布的《健康建筑评价标准》对绿色健康建筑室内环境质量给出了具体评价指标，包括空气品质、声环境、光环境、热湿环境等。

然而，市面上关于室内环境监测的产品还存在以下问题：

(1)市面上并没有针对教室环境进行监测的产品，绝大多数都是针对居住环境，并且监测的环境参数主要包括温湿度、一氧化碳、甲醛、TVOC等参量。这些参数不适用于教室环境(如教室里没有燃气，不会产生一氧化碳)。

(2)市面上的产品绝大多数产品功能复杂，大部分是通过无线传输给电脑或者手机查看，都需要接入到物联网系统中使用，并且采用蜂鸣器报警。这无法直接用于教室，如果采用蜂鸣器报警的话，会打扰同学们上课或者上自习。

(3)市面上的产品均未根据环境参数的测量值进行分析，且对于环境参数差的情况没有相应自动改善措施。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种教室环境质量监测控制系统，可以监测教室温度、湿度、二氧化碳和PM2.5的环境参数，并可以自动改善环境。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施例提供如下技术方案：一种教室环境质量监测控制系统，包括主控制器和与主控制器电连接的温度传感器模块、湿度传感器模块、PM2.5传感器模块、二氧化碳传感器模块、电源模块、显示模块、开关模块、无线通信模块，所述开关模块与新风系统、空调系统、空气净化器、加湿系统电连接，所述无线通信模块与远程监控终端无线通信连接。

进一步的，所述主控制器为STM32单片机。

进一步的，所述温度传感器模块、湿度传感器模块为高度集成的SHT20传感器模块。

进一步的，所述PM2.5传感器模块采用PMS7003传感器。

进一步的，所述二氧化碳传感器模块采用Telaire 6703系列模块。

进一步的，所述电源模块采用两级电源转换电路，其中第一级为交流220V转换为两路直流电压12V、5V，第二级为直流5V电源转化为3.3V。

进一步的，所述显示模块采用5.0寸1600万色彩深度的IPS全视角液晶屏。

进一步的，所述开关模块为继电器、交流接触器或者电控开关。

进一步的，所述无线通信模块为4G/5G无线通信模块。

进一步的，所述远程监控终端为智能手机或者服务器。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：

本实用新型通过传感器监测影响学生学习和健康的4个关键室内空气质量参数：温度、湿度、二氧化碳和PM2.5，并设置环境参数的优、良、差标准，分别采用绿色、黄色、红色在LCD显示屏上无声报警，同时，在某些指标不达标，通过控制对应的执行系统工作进行改善，保证教室的环境处于绿色区域内，适合学生高效率学习。

附图说明

图1为本实用新型的教室环境质量监测控制系统原理框图；

图2为本实用新型的AC/DC电源模块电路原理图；

图3为本实用新型的DC/DC电源模块电路原理图；

图4为本实用新型的PM2.5模块电路原理图；

图5为本实用新型的温湿度传感器电路原理图；

图6为本实用新型的二氧化碳传感器模块电路原理图；

图7为本实用新型的显示模块电路原理图。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，一种教室环境质量监测控制系统，包括主控制器1和与主控制器1电连接的温度传感器模块2、湿度传感器模块3、PM2.5传感器模块4、二氧化碳传感器模块5、电源模块6、显示模块7、开关模块8、无线通信模块9，开关模块8与新风系统10、空调系统11、空气净化器12、加湿系统13电连接，无线通信模块9与远程监控终端14无线通信连接。

主控制器1为STM32单片机。本实施例中具体采用ST公司基于Cortex-M3的STM32F103ZET6。微控制器通过USART1与PM2.5浓度检测模块通信，读取模块采集的PM2.5数据；通过I2C1与温湿度采集模块进行通信，读取模块采集的温度和湿度信息；通过USART3与CO2浓度测量模块通信，实现二氧化碳数据的采集。通过SPI1+GPIO与LCD显示屏的通信，实现对LCD显示屏的配置与数据显示。

温度传感器模块2、湿度传感器模块3为高度集成的SHT20传感器模块。它是Sensirion公司的新一代湿度和温度传感器，嵌入了适于回流焊的双列扁平无引脚DFN封装，底面3x3mm，高度1.1mm。传感器输出经过标定的数字信号，供电电压为2.1～3.6V，推荐电压为3.0V。温湿度传感器模块的硬件连接原理图如图5所示。

PM2.5传感器模块4采用PMS7003传感器。它是一款基于激光散射原理的数字式通用颗粒物浓度传感器，可连续采集并计算单位体积内空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数，即颗粒物浓度分布，进而换算成为质量浓度，并以通用数字接口形式输出。PM2.5模块的硬件连接原理图如图4所示。

二氧化碳传感器模块5采用Telaire 6703系列模块。它是采用了非分散红外法、镀金光学法与扩散取样法的新一代CO2传感器，测量范围是0～5000ppm，准确度为400～5000ppm±75ppm或读数的10％。供电电压为4.5～5.5V。二氧化碳传感器模块的硬件连接原理图如图6所示。

电源模块6采用两级电源转换电路，其中第一级为交流220V转换为两路直流电压12V、5V，第二级为直流5V电源转化为3.3V。电源模块是整个系统正常工作的关键部分，系统的稳定性和性能非常依赖电源模块的设计。由于小助手直接安装到220V电源插座上，因此，需要将220V先转成12V和5V的直流电源，又由于系统对电源的性能要求高并且要求体积小、重量轻，因此，电源模块共分为两个部分。

1)AC/DC电源模块

根据供电需求以及实际应用的环境因素，选用了金升阳科技有限公司出品的工业级AC/DC隔离电源模块，可以提高系统的安全性及可靠度，提高EMC的特性并保护二次侧。该方案同时能很好的满足低压电路的需求。电源模块由220V转换为两路电压分别为12V和5V的电源。AC/DC电源模块的电路原理图如图2所示。

2)DC/DC电源模块

考虑到微控制器需要3.3V供电。因此，在系统设计中，需要将AC/DC电源模块输出的5V电源转化为3.3V，按照微控制器的电流需求，选择了型号为SPX1117M3-3.3的LDO芯片，将电源转换成3.3V，从而为微控制器提供稳定的3.3V电压。5V转换成3.3V电源的电路原理图如图3所示。

显示模块7采用5.0寸1600万色彩深度的IPS全视角液晶屏。方便不同角度查看显示信息，分辨率为854x480，支持多种接口8/16/18/24位MCU接口及16/18/24位RGB接口，并且自带超过1MB的高速显存，方便微控制器驱动。LCD显示屏的硬件连接原理图如图7所示。

开关模块8为继电器、交流接触器或者电控开关。用于控制新风系统10、空调系统11、空气净化器12、加湿系统13的工作。当通过传感器检测到某项指标需要改善，则主控制器通过控制新风系统10、空调系统11、空气净化器12、加湿系统13对应的电控开关开启。新风系统10、空调系统11、空气净化器12、加湿系统13均为现有技术常见的系统设备，型号不做具体限制，这里不再赘述。

无线通信模块9为4G/5G无线通信模块，远程监控终端14为智能手机或者服务器。主控制器通过无线通信模块9与远程监控终端14进行通信，用于传输传感检测参数和控制数据。

综上，本实用新型通过温度传感器模块2、湿度传感器模块3、PM2.5传感器模块4、二氧化碳传感器模块5检测教室内的温湿度、PM2.5含量、二氧化碳含量。然后，分别判断温湿度、PM2.5和二氧化碳分别处于哪个数据区间；最后，按照不同区间的颜色分别在显示屏模块上进行显示，当某项参数处于红色区域时，表示室内相应环境指标较差，比如二氧化碳浓度高，二氧化碳显示区为红色。同时，系统自动控制相应执行系统工作改善环境指标。比如二氧化碳浓度高，控制新风系统工作；PM2.5含量高，控制空气净化器工作；温度则通过空调控制。通过上述的检测和反馈，以及执行系统对于指标的改善，保证教室的环境处于绿色区域内，适合学生高效率学习。

以上所述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所述原理的前提下，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)

1.一种教室环境质量监测控制系统，其特征在于，包括主控制器(1)和与主控制器(1)电连接的温度传感器模块(2)、湿度传感器模块(3)、PM2.5传感器模块(4)、二氧化碳传感器模块(5)、电源模块(6)、显示模块(7)、开关模块(8)、无线通信模块(9)，所述开关模块(8)与新风系统(10)、空调系统(11)、空气净化器(12)、加湿系统(13)电连接，所述无线通信模块(9)与远程监控终端(14)无线通信连接。

2.根据权利要求1所述的教室环境质量监测控制系统，其特征在于，所述主控制器(1)为STM32单片机。

3.根据权利要求1所述的教室环境质量监测控制系统，其特征在于，所述温度传感器模块(2)、湿度传感器模块(3)为高度集成的SHT20传感器模块。

4.根据权利要求1所述的教室环境质量监测控制系统，其特征在于，所述PM2.5传感器模块(4)采用PMS7003传感器。

5.根据权利要求1所述的教室环境质量监测控制系统，其特征在于，所述二氧化碳传感器模块(5)采用Telaire 6703系列模块。

6.根据权利要求1所述的教室环境质量监测控制系统，其特征在于，所述电源模块(6)采用两级电源转换电路，其中第一级为交流220V转换为两路直流电压12V、5V，第二级为直流5V电源转化为3.3V。

7.根据权利要求1所述的教室环境质量监测控制系统，其特征在于，所述显示模块(7)采用5.0寸1600万色彩深度的IPS全视角液晶屏。

8.根据权利要求1所述的教室环境质量监测控制系统，其特征在于，所述开关模块(8)为继电器、交流接触器或者电控开关。

9.根据权利要求1所述的教室环境质量监测控制系统，其特征在于，所述无线通信模块(9)为4G/5G无线通信模块。

10.根据权利要求1所述的教室环境质量监测控制系统，其特征在于，所述远程监控终端(14)为智能手机或者服务器。

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