为了给人们提供清洁和安全的室内空气，空气净化器行业的技术人员正在进行各种研究开发、创新设计，以此满足用户的需求，该市场前景广阔，开发潜力巨大，随着时间的推移，今后的空气净化器技术将更加完善，并有新的突破。
一、空气净化器过滤原理简介
空气净化器是指能够吸附、分解或转化各种空气污染物，有效提高空气清洁度的设备，目前以清除室内空气污染的家用和商用空气净化器为主。空气污染造成的人类身心健康问题日趋严重，室内空气污染中的装修污染已成为居民生活的重要污染源，大量使用美化装饰材料所释放的挥发性气体、甲醛、二甲苯等，同时混合其他细菌病毒，严重危害居者的健康。现在，具有去除室内空气污染物功能的空气净化器成为人们家用电器的新成员。
根据过滤原理——过滤材料利用分子运动规则进行有效的过滤作用，共有三类（见图1）：①惯性碰撞吸附是指在气流运动方向变化后，颗粒由于惯性作用做直线运动而碰撞到滤材上而产生的吸附。②扩散吸附是指在由于布朗运动，颗粒从气流中扩散到纤维表面，在静电作用下吸附到纤维上。扩散吸附只在气体过滤时能起重要作用。③直接吸附是指当颗粒直径大于过滤介质的通道孔径时，不能通过而被拦截。直接吸附作用是表示孔径分布的最基本的一个特征，孔径越小，直接吸附的效率越高，去除颗粒的效率越高。
二、空气净化技术
图2是常见的空气过滤器基本结构分解示意图，其由机箱外壳、进风口及通道、滤网组件（初效过滤层、高效HEPA组件过滤层、活性炭吸附层）、风机、出风口及通道组成，其核心为滤网组件即空气过滤芯（器），起到过滤净化空气的作用。根据其基本结构，可知其影响空气过滤器性能的因素主要有：滤料性能、被过滤气流性质、气流速度和过滤器结构。
在如图3所示的空气净化过程中，进风口进入的有毒有害气体，首*行层预过滤（即初过滤阶段），该阶段的滤材一般为海绵滤网、PP尼龙过滤网，抗菌过滤棉，亦有海绵与活性炭的复合型材料等，譬如，其中的PP尼龙过滤网，材料为尼龙网，滤材以PP纤维纺织成型制成一体，外框为铝合金，或者用镀锌框，用铁丝支撑。尼龙网则用衬框绷紧后装入框，尼龙网的层数可根据用户的要求而定。其特性是除尘效果好，耐酸碱性，耐腐蚀性佳，阻力小，重量轻，能防潮，寿命长等优点，预过滤网能够清除大颗粒灰尘悬浮物，花粉、大颗粒霉菌，宠物毛发等。抗菌过滤棉能够去除灰尘、霉菌细菌等微生物，若是复合材料，例如含活性炭，则已经开始初步去除异味，甲醛等有害气体了。
其次，进入第二层（高效过滤层），其为HEPA组件（High efficiency particulate air Filter），空气过滤净化以纤维滤料为主，其原理是空气经过纤维材料制成的空气过滤器时，空气中的颗粒物被纤维滤材截留，即如图1所示的过滤原理，使颗粒物与空气实现分离，从而完成空气的进一步净化过滤。根据我国的分类标准GB12218-89，GB/T14295-93，GB13554-92，可将空气过滤等级大致分为三级：初级过滤（粒子粒径≥5um）、中级过滤（1um≤粒子粒径＜5um）、高效过滤（粒子粒径≤0.5um），高效过滤层主要用于捕集0.5um以下的颗粒灰尘及各种悬浮物，滤材为超细玻璃纤维纸等，此层的HEPA组件其优点是空气可以通过，但空气中的很细小的微粒无法通过，对直径只有0.3um（人体头发直径的1/200）以上的微粒过滤效率达到99.7%以上，是细菌、极细灰尘颗粒，烟雾等污染物的有效过滤媒介。
上述的玻璃纤维纸作为高效过滤媒质，不论其粒径大小，其过滤特点是捕捉固体颗粒，所以，该净化技术为固体污染物净化，而对于活性炭这种特殊的材料，活性炭吸附技术是空气净化中的气态污染物净化技术，活性炭是利用木炭、竹炭等作为原料，通过物理化学方法对原料进行加工处理而成的一种性能优良的吸附剂，其表面积越大，吸附能力就越强。
最后，杀菌棉以及活性炭过滤网，能够再次有效杀菌、除臭、除异味，对预过滤层的空气中遗漏的微生物、病毒菌等进行再过滤，最终输出优质空气，供室内居者呼吸使用。
三、空气过滤器性能检测方法
由图3的空气净化过程示意图可知，空气净化器能够实现高效净化功能的关键部件是高效空气过滤器（HEPA过滤器），换言之，空气过滤器性能的好坏直接影响着空气净化器净化功能的优劣。目前高效空气过滤器过滤效率检测方法有：D.O.P法、油雾法、最易穿透粒径法MPPS等。
3.1 D.O.P法
DOP法检测过滤器过滤效率时，需要人工制造所需尘源粒径（0.3um），采用一种名为邻苯二甲酸二辛酯（DOP-DiOctyl-Phthalate），其为无色透明液体，将该液体在严格控制的条件下加热汽化，再用冷空气与之混合，使之凝结产生与灰尘粒径大小相同的液滴（0.3um），用于实验检测用气溶胶，是目前国际上较普遍的一种检测方法。
3.2油雾法
作为一种检测手段，油雾法检测空气过滤器性能，同样也需要测试时的尘源，以此保证尘源的粒径大小，在此基础上，并在规定的检测条件下，将经过充分混合均匀的油雾气溶胶通过被测过滤器，测量过滤器前后的油雾浓度，由此来计算油雾过滤率和透过率。3.3 MMPPS法
最易穿透粒径法（The Most PenetratingParticle Size）MPPS，其基本原理是用特制的喷嘴将D.O.P、DEHS等液体弯压喷雾，形成0.01-1um的多分散气溶胶，作为实验用尘源，利用激光粒子计数器或凝聚核计数器测量过滤器上下游的粒子浓度，从而决定其效率。
四、空气净化技术发展趋势
随着工业经济的快速发展，人类在实现高度发达的物质文明的同时，自身却处在重重矛盾之中，环境问题日趋严重，其中，空气污染肆虐，如工业废气，汽车尾气，燃煤产生的粉尘，室内新型装修材料的使用，因缺乏监管及环保检测，在贪图美观的背后，是这些化学材料的滥用，室内环境污染问题日益突出，人们已经进入室内空气污染时期，但与此同时，人类自身健康意识也在增强，如何使家居环境改善，能够呼吸洁净空气，健康生活，是世界各国面临的共同问题。
采用空气净化技术制造的各种空气净化器，如雨后春笋般产生。早期的空气净化器功能单一，结构简单，难以满足需求，目前设计的空气净化器，其发展趋势是技术复合型，集各种功能于一身，且在原有净化技术的基础上，开发研制新型滤材，如光触媒，其主要成分是TiO2，具有消毒功能，对各种常见的致病菌有较好的杀菌作用。所以，各种空气净化技术融合在一起是今后的发展方向。
五、便携式空气净化器系统整体设计
近年来国内雾霾现象日益严重，国内多地受雾霾持续困扰，室内外空气中的微粒、细菌、病毒和其他有害物质对人体健康构成危害，特别是对长期工作或生活在恶劣环境下的人。本文设计出一种多功能便捷式空气净化器，在检测空气质量的同时还可以利用过滤层及负离子发生器改善人体吸入空气的质量，通过物联网芯片将实时的空气质量传送给服务器进行分析。本设计可根据环境选取风量调速模式，具有能耗低，维护简单和可随身携带等优点。
本设计基于STM32单片机，由负离子发生器、微风扇、空气过滤装置等系统组成。微风扇使空气流动，流动的空气经过装在风口的负离子发生器，将空气不断电离，产生大量负离子，形成负离子气流，依次通过机内的粗滤棉、活性炭滤芯、PM2.5试纸后将各种污染物过滤或吸附，达到清洁净化空气的目的。
在雾霾环境下，传感器感知周围空气，通过液晶显示屏显示当前未净化空气的PM2.5值、温度值和湿度值。通过风扇的作用，空气先流过负离子发生器，将空气中带电的大颗粒吸附到铁丝过滤网上，通过粗滤棉进行层过滤，活性炭网进行第二层过滤，PM2.5滤纸过滤小微粒，再通过负离子发生器净化空气，使人体可以呼吸到洁净空气。此外，本系统搭配不同类型出风口也可作为车载净化器使用。
5.1空气净化器系统硬件组成
系统主控模块：本设计选用STM32单片机作为数据处理模块，其对数据的处理速度快，能实时采样PM2.5传感器、温湿度传感器检测的数据，精确计算出粉尘浓度、温湿度，把实时数据传输给OLED显示屏，具有性价比高，功耗低等特点。
PM2.5检测模块：本设计采用夏普PM2.5粉灰尘传感器GP2Y1010AU0F检测模块，利用光学空气质量传感器感应空气中的尘埃粒子。内部的红外线发光二极管和光电晶体管，使其能够探测到空气中尘埃反射光，通过检测经过空气中灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量。该传感器输出为模拟电压，其值与粉尘浓度成正比，通过STM32单片机的采样数据，运用卡尔曼滤波算法精确计算出粉尘浓度，测量PM2.5的含量。
风扇模块：风扇作为净化器空气流动的动力来源，风量的大小决定净化速度的快慢。本设计采用DC12V微型风扇，通过STM32单片机控制PWM调速，改变周期占空比大小来控制风扇端电压，进而控制风扇的转速。
温湿度检测模块：本设计采用数字温湿度传感器DHT22模块。DHT22数字温湿度传感器是一款含有校准数字信号输出的温湿度复合传感器，具有的可靠性与稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件。此模块和STM32单片机单线制串行通信，简易快捷，通过STM32单片机实时校准程序，使温度、湿度数据更加精确。
负离子发生器模块：通过负离子发生器的脉冲振荡电路，将低电压通过高压模块升压为直流负高压，经过碳素纤维不断产生负直流高电晕，高速的发射出大量的电子，立刻会被空气中的氧分子捕捉，从而形成负离子。本设计利用负离子发生器使空气中的甲醛、苯等有害气体发生反应，将其分解为二氧化碳和水，达到除尘、灭菌、净化空气的目的。
电源模块：本设计选用DC12V、5000mA容量锂电池为系统供电。该电源为外部各个传感器模块和单片机模块提供稳定的电压和电流，纹波小。此外，当系统电量不足时，能通过OLED显示屏进行低电量显示，提示使用者及时充电。
cc2530芯片：通信模块选择美国TI公司的CC2530F256，其含有一个标准的增强型8051 CPU，256KB可编程闪存，8-KBRAM和*的RF收发器，结合ZigBee协议栈，可实现强大和完整的无线通信。本设计将STM32单片机与CC2530芯片设置相同的波特率，进行串口通信，将PM2.5及温湿度数据传送到相邻的服务器。
5.2空气净化器系统测试
将各个模块进行连接，首先测试各个模块运行，观察其状态变化，系统状态值可以在OLED屏幕和示波器上观察波形显示。最后将各个模块组装测试。
风扇模块监测：通过改变每个周期中占空比的大小来控制风扇两端电压的大小，进而控制风扇的转速。本设计中占空比设定为0.25、0.5、0.75、1四个等级，通过示波器检测STM32单片机输出占空比。
PM2.5模块监测：对PM2.5检测模块进行测试，当室内无烟时液晶显示屏显示PM2.5值为40，室内有烟时液晶显示屏显示PM2.5值为250，表明该模块检测灵敏度高。
温湿度模块监测：正常温室15.5℃时，相对湿度为64.4%，当给温湿度传感器周围添加热源后，温度上升为18.7℃，当给温湿度传感器周围放置加湿器后，相对湿度上升到88.8%，表明温湿度传感器性能良好。
OLED显示器模块监测：OLED模块与STM32单片机通过IIC实现数据的传输，PM2.5传感器、温湿度传感器检测的数据发送到STM32单片机进行数据的处理与分析，把处理后的数据发送给OLED显示屏，显示经过净化器净化前后的PM2.5数值和空气的温度、湿度。
总结
通过测试，该便携式空气净化器可以有效地净化人体吸入空气，并地减少室内外空气中悬浮的细菌和有害气体，同时利用物联网技术，可以实时将户外空气指数上传至服务器，进行区域互联，为行人提供一个安全舒适的室外呼吸环境。
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