Роботизированное устройство для очистки и мониторинга качества воздуха в умном доме

В данной статье авторы предлагают возможное решение проблемы загрязнения воздуха в помещении. Особенностью предлагаемого устройства является использование материала с фотокаталитическими свойствами. Данное устройство также выполняет функцию мониторинга воздуха и имеет возможность подключения к системе «Умный дом». Особое внимание отводится описанию сборки и настройки портативного роботизированного устройства.

Ключевые слова: мониторинг воздуха, очистка воздуха, умный дом, фотокаталитические гранулы, РМ _2.5 , РМ ₁₀ .

Хорошо известно, что загрязнение воздуха в крупных городах влияет на здоровье населения [1]. В настоящее время существует такой термин как «домашний смог» [2]. Он означает, что воздух в домах и квартирах может быть загрязнен не менее опасными загрязнителями, чем воздух на улице. Самыми опасными загрязнителями являются мелкодисперсные частицы с аэродинамическим диаметром менее 10 и 2.5 мкм (РМ ₁₀ и РМ _2.5 ,) [3], а также летучие органические соединения (ЛОС) [4], в том числе формальдегид [5]. Состав воздуха влияет на здоровье каждого из членов семьи, особенно, если дом находится в крупном городе или вблизи производственных предприятий. Умные очистители воздуха становятся необходимостью, позволяющей сохранить здоровье и обеспечить комфортные условия для жизни.

Предлагаемое роботизированное устройство для очистки и мониторинга качества воздуха в умном доме представляет собой прототип современной модели фильтра для домашнего использования решающего актуальную задачу по очистке воздуха от наиболее опасных загрязнителей РМ ₁₀ и РМ _2.5 , ЛОС и формальдегида. Устройство функционально, оснащено интеллектуальным управлением, а также дает возможность удалённого доступа из любой точки мира к данным о качестве воздуха в помещении через систему «умный дом».

Название модели и описание принципа работы

Авторами представляется модель «Роботизированное устройство для очистки и мониторинга качества воздуха в умном доме». Устройство может перемещаться по дому, огибая препятствия, которые распознаются с помощью специального датчика. Устройство оснащено вентилятором для нагнетания воздуха и двуслойной фильтровальной системой. Первый слой представляет собой стандартный фильтр HEPA. HEPA — это высокоэффективные фильтры, главная цель которых — удалять из воздуха мелкодисперсные частицы, в том числе PM _2.5 и PM ₁₀ . Класс фильтров HEPA определяется международным и национальным стандартами ЕН 1822–1:2009 и ГОСТ Р ЕН 1822–1–2010. Второй слой расположен сверху фильтра НЕРА. Он изготовлен нами самостоятельно путем нанесения на нетканый материал фотокаталитических гранул. В качестве связующего вещества использовано калийное силикатное стекло. Фотокаталитические гранулы синтезированы лабораторией проблем экологии постиндустриальных агломераций Южно-Уральского государственного университета по методике, описанной в работе [6]. Фотокатализ — это процесс ускорения окисления загрязняющих воздух органических веществ на поверхности катализатора под действием мягкого ультрафиолетового излучения до безвредных компонентов чистого воздуха. Данный процесс окисления загрязняющих веществ безвреден для человека и проходит при комнатной температуре [7]. Фотокатализатор активируется ультрафиолетовым светом диапазона «А» с помощью светодиодного светильника. Известно, что в качестве каталитического вещества применяют нанодиоксид титана (TiO ₂ ), который обладает фотокаталитическими свойствами, необходимыми для быстрого протекания процесса окисления ЛОС, в том числе формальдегида, до углекислого газа и воды. Также на устройстве закреплен датчик, позволяющий получать данные о загрязнение воздуха и отправляющий их по беспроводному соединению на мобильное приложение.

Описание системы управления модели и описание программного кода

Программный код системы управления модели создан при помощи программного обеспечения «LEGO MINDSTORMS Education EV3» в виде графических блоков среды «LabView» (рис. 1). Он позволяет роботизированной установке передвигаться и очищать воздуха в разных локациях жилого помещения, а также реагировать на препятствие по средствам поворотов. Система управления модели может описываться как бесконечный цикл со вложенным в него условным ветвлением, организующим управление моторами модели. Условием для ветвления является то, что значение расстояния от ультразвукового датчика до какого-либо объекта, этим датчиком определяемое, больше, чем 5 сантиметров. Значение 5 сантиметров выбрано из соображений рациональности, основывающихся на габаритах модели и прочих характеристик, от модели независящих.

При истинности вышеприведенного условия ветвления моторы с помощью рулевого управления в направлении 0 с мощностью 50 совершают 1 оборот с остановкой в конце. При ложности вышеприведенного условия ветвления моторы с помощью рулевого управления в направлении 90 с мощностью 50 совершают 1 оборот с остановкой в конце.

Вентилятор, нагнетающий воздух на двухступенчатую систему фильтрования и фотодиодный источник света, активирующий фотокатализатор, работают от автономных источников питания. Передача данных от датчика состояния воздуха по беспроводному соединению осуществляется через роутер, ПО входит в комплект поставки.

Изображение модели с названием основных элементов

На рис. 2–3 представлен внешний вид модель «Роботизированное устройство для очистки и мониторинга качества воздуха в умном доме».

Рис. 2. Вид спереди (а), вид слева (б)

1 — Фотодиодный источник излучения с длинной волны 395 нм, 2 — нетканый материал с гранулами фотокатализатора на основе нанооксида титана, закрепленными силикатом калия в качестве связующего, 3 — HEPA фильтр, 4 — датчик контроля состояния воздуха, передающий по беспроводной связи данные на мобильное приложение, 5 — вентилятор, соединенный проводниками с автономным блоком питания из набора конструктора «Знаток», 6 — автономный блок питания, соединенный с фотодиодным источником излучения припаянным проводом, 7 — ультразвуковой датчик расстояния «Lego Education ЕV3», 8 — Блок управления «Lego Education EV3»

Для создания второго фильтровального слоя на нетканный материал наносилась суспензия, содержащая связующее вещество и фотокаталитические гранулы. Данная операция выполнялась в рамках работы в лаборатории «НОУ» Южно-Уральского государственного университета, фотография материала и процесс нанесения фотокатализатора представлены на рис. 4. Полученный фильтровальный материал способствует окислению ЛОС и формальдегида до углекислого газа и воды.

Рис. 4. Материал с фотокатализатором (а), работа в лаборатории (б)

Выводы

1. Разработанная модель «Роботизированное устройство для очистки и мониторинга качества воздуха в умном доме» представляет собой прототип фильтра для бытового использования. Устройство перемещается по помещению, очищает воздуха от РМ ₁₀ и РМ _2.5 , ЛОС, в том числе формальдегида.
2. Устройство осуществляет мониторинг состояния воздуха и передает данные на мобильное приложение. Перспектива развития и доработки проекта состоит в том, что устройство будет доработано и написан программный код, позволяющий дистанционно останавливать устройство в той локации, где наблюдается наибольшее загрязнение воздуха.
3. Данное устройство может применяться не только в быту, но и в производственных помещениях.

Литература:

1. Канина А. Р. Влияние загрязненного воздуха на здоровье человека // The Scientific Heritage. –2021. — № 78–2.
2. Малышева А. Г., Калинина Н. В., Юдин С. М. Химическое загрязнение воздушной среды жилых помещений как фактор риска здоровью населения // Анализ риска здоровью. — 2022. –№ 3.
3. Загороднов С. Ю., Май И. В., Кокоулина А. А. Мелкодисперсные частицы (PM _2,5 и PM ₁₀ ) в атмосферном воздухе крупного промышленного региона: проблемы мониторинга и нормирования в составе производственных выбросов // Гигиена и санитария. –2019. — № 98(2). –C. 142–147.
4. Мaрковa О. Л., Зaрицкaя Е. В., Кирьяновa М. Н., Иванова Е. В. Определение приоритетных загрязнителей воздушной среды закрытых помещений// Здоровье населения и среда обитания. — 2021. — № 29(9). –C. 62–68
5. Уланова Т. С., Лужецкий К. П., Карнажицкая Т. Д., Старчикова М. О., Пустобаева М. С. // Исследование аэрогенного воздействия формальдегида на здоровье детского населения. Гигиена и санитария. –2022. –№ 101(2). –C. 194–200.
6. MorozovR., Krivtsov I., Avdin V. et al. Microporous composite SiO ₂ -TiO ₂ spheres prepared via the peroxo route: Lead(II) removal in aqueous media // J Non Cryst Solids. –2018. — V. 497. –P. 71–81.
7. Воронов Г. А. Перспективы применения электровзрывного нанопорошка диоксида титана в фотокатализе // Известия Томского политехнического университета. –2009. — № 3. –С. 41–45.