一种基于物联网的室内空气智能监测与控制系统的制作方法

本发明涉及室内空气质量监测与净化控制，具体涉及一种基于物联网的室内空气智能监测与控制系统，尤其涉及一种能够实现空气质量传感器在线自校准、并能够对空气净化滤网的剩余寿命进行动态预测且对二次污染进行主动阻断的智能监测与控制系统。

背景技术：

1、物联网环境监测系统架构属于本领域的公知技术，其一般通过传感器采集环境参数，经无线通信模块上传至云平台，并通过手机应用程序或网页管理端向用户展示监测数据，与此相应，基于组合分离装置的空气净化原理同样属于公知技术，即气流依次通过初效滤网、高效滤网、活性炭吸附层等多级过滤介质，实现颗粒物及气态污染物的分级去除，此外，电化学传感器、光散射传感器、金属氧化物气体传感器等常见空气质量检测元件的基本工作原理，亦为本领域技术人员所熟知，上述内容共同构成理解本发明技术方案的基础。

2、与本发明较为接近的现有技术方案为一种物联网室内空气质量监测与净化联动系统，该方案在净化装置的进风口设置气体传感器阵列，实时采集颗粒物、甲醛、总挥发性有机化合物等污染物浓度数据，并将采集到的数据经通信模块上传至云端服务器或本地网关，云端或本地控制器根据预先设定的浓度阈值，通过规则判断的方式调节净化装置的风机转速档位，实现污染物浓度较高时增大风量、污染物浓度较低时降低风量的联动控制，净化装置内部还设置有滤网寿命提示模块，该模块基于滤网出厂标定的静态累计净化量数值与设备累计运行时间，按照固定的时间或风量累计公式计算并提示滤网的剩余寿命百分比，就装置结构而言，该现有技术方案的净化装置壳体内部沿气流方向依次设置进风口、初效滤网、高效滤网、活性炭吸附层、风机与出风口，进风口处设置单一浓度传感器阵列，风机转速由控制主板根据传感器读数与阈值的比较结果进行调节，控制主板通过通信模块与云平台进行数据交互。

3、上述现有技术方案存在两方面缺陷，第一方面，由于该方案仅在进风口单端设置传感器，未建立传感器读数与净化装置自身物理净化能力之间的交叉验证机制，当传感器因粉尘附着、化学腐蚀或温湿度剧烈变化而发生基线漂移或多种气体传感器之间产生交叉干扰时，系统无法自主识别该项异常，导致监测数据长期失真，进而造成平台误报率升高、用户信任度下降，同时该方案依赖人工定期送检或更换传感器进行标定，运维成本较高且响应不及时，第二方面，由于该方案采用基于实验室静态工况标定得到的累计净化量数值以及固定时间或风量累计公式来估算滤网寿命，未考虑实际使用环境中温度与湿度变化对滤网真实吸附饱和状态的动态影响，导致滤网寿命预测结果与实际饱和状态之间存在明显偏差，当滤网已接近或达到饱和状态且室内环境处于高温高湿工况时，已吸附于滤网中的甲醛、总挥发性有机化合物等污染物会发生解吸附现象并经出风口重新释放至室内，而该现有技术方案缺乏对上述解吸附临界点的实时预测能力，也未设置相应的物理阻断机制，最终使净化装置在用户不易察觉的情况下反而成为室内空气的污染来源。

4、综上，现有的物联网室内空气监测与净化系统在传感器长期运行可靠性以及滤网寿命动态评估与二次污染主动阻断方面均存在不足，有必要提供一种新的技术方案予以改进。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题包括以下两个方面：其一，现有物联网室内空气质量监测系统中的传感器阵列在长期运行过程中容易发生基线漂移，且多种污染物共存时传感器之间存在交叉干扰，导致监测数据失真、误报率升高，而现有技术缺乏一种无需人工现场介入即可实现在线自动校准的方案，其二，现有空气净化装置主要依据实验室静态累计净化量数值倒推滤网寿命，未结合实际使用环境中温湿度的动态变化对滤网吸附饱和状态的真实影响进行评估，导致滤网在接近饱和且遭遇高温高湿环境时发生解吸附并造成室内空气二次污染，而现有技术缺乏一种能够结合实时环境参数预测饱和临界点并主动阻断二次污染的方案。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于物联网的室内空气智能监测与控制系统，该系统包括净化装置本体、传感器阵列以及边缘计算节点。

3、所述净化装置本体包括装置壳体、进风口、出风口，以及沿气流方向依次设置于装置壳体内的初效滤网、高效滤网、活性炭吸附层与用于驱动气流的风机，所述初效滤网、高效滤网及活性炭吸附层构成主风道，装置壳体内还设置有与所述主风道并联的旁路风道，所述旁路风道设置有旁路电动阀门，用于控制旁路风道的启闭状态。

4、所述传感器阵列包括设置于所述进风口处的进风口传感器阵列、设置于所述出风口处的出风口传感器阵列，以及分别设置于所述初效滤网、高效滤网及活性炭吸附层前后以获取压差数据的压差传感器。

5、所述边缘计算节点部署于所述净化装置本体内部，包括传感器自校准模块与滤网剩余寿命预测及二次污染阻断模块，所述传感器自校准模块根据所述净化装置的额定风速、风机当前实测风速、与滤网结构相关的经验系数以及压差影响系数，计算净化装置在当前工况下的理论净化效率，根据所述进风口传感器阵列实测的污染物浓度与所述理论净化效率，计算得到出风口的期望浓度，将所述出风口传感器阵列实测的污染物浓度与所述期望浓度进行比较，当二者的偏差率超过预设阈值时，判定传感器可能发生基线漂移或交叉干扰，并根据所述期望浓度与所述出风口传感器阵列实测浓度的比值计算得到补偿系数，将所述补偿系数应用于所述出风口传感器阵列的原始读数，得到校准后的浓度数据。

6、所述滤网剩余寿命预测及二次污染阻断模块根据实时采集的环境温度、环境湿度以及所述进风口传感器阵列实测的污染物浓度，通过对时间的数值积分计算得到滤网当前的吸附饱和度，提取最近时间窗口内的饱和度历史序列，拟合得到饱和度变化速率，根据预先标定的解吸附饱和度阈值、所述滤网当前的吸附饱和度以及所述饱和度变化速率，计算得到距离解吸附临界点的剩余时间，当所述剩余时间小于预设的安全时间阈值时，控制所述旁路电动阀门开启，以改变主风道与旁路风道之间的气流分配比例，降低通过活性炭吸附层的有效风速，从而在解吸附现象实际发生之前主动阻断二次污染。

7、本发明所能达到的有益效果包括：

8、1.突破行业内普遍依赖人工定期送检标定传感器的惯常做法（技术偏见），本申请利用净化装置自身固有理论净化效率模型与出风口实测值的交叉验证关系，实现完全免人工的在线自校准；

9、2.破了传统方案中仅依据静态累计净化量数值和固定时间估算滤网寿命的方式，结合实时环境参数动态预测滤网饱和状态及解吸附临界点，并在临界点到来之前控制旁路电动阀门主动调整装置内部气流分配，能够在物理层面阻断二次污染的发生，提升系统在实际复杂工况下的运行可靠性。

1.一种基于物联网的室内空气智能监测与控制系统，其特征在于，包括净化装置本体、传感器阵列以及边缘计算节点；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器自校准模块还用于将所述补偿系数的原始观测值输入卡尔曼滤波器，依次执行先验预测、卡尔曼增益计算及后验更新运算，得到平滑后的稳定校准系数，并将所述稳定校准系数应用于所述出风口传感器阵列的读数。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述装置壳体内还设置有边缘控制主板，所述边缘控制主板通过信号线分别与所述进风口传感器阵列、所述出风口传感器阵列、所述压差传感器、所述风机、所述旁路电动阀门连接，用于采集传感器数据并下发控制指令。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述进风口传感器阵列包括颗粒物传感器、甲醛传感器以及挥发性有机化合物传感器，所述出风口传感器阵列的结构与所述进风口传感器阵列的结构相同。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述滤网剩余寿命预测及二次污染阻断模块根据当前时刻的温度与标定基准温度的差值、当前时刻的湿度与标定基准湿度的差值，计算温湿度对滤网吸附速率的影响系数，将所述影响系数与所述进风口传感器阵列实测浓度的时间积分结果相乘并累加，得到所述滤网当前的吸附饱和度。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述滤网剩余寿命预测及二次污染阻断模块还用于将所述剩余时间与预设的安全时间阈值、预警时间阈值进行比较，将当前风险状态划分为安全等级、预警等级、临界等级三个等级，当所述风险状态为所述预警等级时，控制所述旁路电动阀门以第一开度开启，当所述风险状态为所述临界等级时，控制所述旁路电动阀门以第二开度开启，所述第二开度大于所述第一开度。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述滤网剩余寿命预测及二次污染阻断模块还用于监测所述出风口传感器阵列实测的污染物浓度是否恢复至预设的安全浓度范围内，当未恢复至所述安全浓度范围内时，增大所述旁路电动阀门的开度。

8.一种室内空气传感器在线自校准方法，应用于权利要求1至7中任一项所述的系统，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当所述偏差率未超过所述预设阈值时，判定传感器工作正常，返回获取所述进风口传感器阵列实测浓度的步骤，继续周期性监测。