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“智感风尘”--新一代工业通风防尘开创者

申报人：唐伟程 申报日期：2025-01-10

基本情况

2025年批次
“智感风尘”--新一代工业通风防尘开创者 学生申报
创新训练项目
工学
电子信息类
学生自主选题
一年期
在工业生产环境中，如矿山、冶炼厂及制造车间，空气中的粉尘浓度过高不仅会对设备运行造成损害，还会严重威胁工作人员的健康。为此，本项目开发了一种基于物联网技术的智能通风防尘装置，通过高精度粉尘传感器监测空气质量，结合自适应风量调节算法，系统与智能手机端相连接，通过APP实现数据的可视化展示，用户可以实时查看粉尘浓度数值、系统状态以及环境变化趋势，实现节能高效的工业防尘需求。
1.参与两项2024年自治区级大学生创新训练项目
2.中国国际大学生创新大赛（2024）“数广集团杯”广西赛区选拔赛银奖
3.2024年“大唐杯”全国大学生新一代信息通信技术大赛国家级二等奖 
2024.6，主持《高精度温度控制模块技术开发》项目，编号：H20240130。
2024.5，参与项目《智影管家系统软件开发服务协议》，编号：H20240085。
2019.2参与厅局级项目《基于 MEC 的车载通信物理层安全技术研究》编号2019-2-7。
2018参与省部级项目《面向LTE-V2X车载协作通信资源分配关键技术研究》编号2018GXNSFBA281057。 
本项目指导教师的研究方向为嵌入式系统及应用、信号检测与信息处理研究，能够对项目提供相应的理论和技术指导，确保项目的顺利实施。
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
唐伟程 物理与电子信息工程学院 电子信息工程（应用） 2022 统筹全局
吕玉钱 机械与控制工程学院 自动化 2022 模型建立
高子恒 物理与电子信息工程学院 通信工程 2022 资料整合
何鹏程 物理与电子信息工程学院 电子信息工程（应用） 2022 数据分析
李柱健 机械与控制工程学院 自动化 2022 技术参考

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
申双琴 物理与电子信息工程学院 否

立项依据

    在现代工业生产中，空气质量是确保员工健康与提高生产效率的关键因素之一。而工业车间内产生的粉尘、烟雾等污染物不仅影响工作环境，还可能对生产设备造成损害，甚至引发安全隐患。因此，选择合适的除尘排尘通风机成为众多企业的共同需求。通风除尘系统可以有效去除室内的有害气体、异味和细颗粒物等污染物，改善室内空气质量。适当的通风除尘系统可以调节室内的湿度和温度，提供舒适的室内环境，增加人们的工作和生活舒适度。
    本研究的主要目的是设计并实现一个基于物联网技术的智能通风防尘系统，旨在通过自动化、智能化手段实现对工业环境中粉尘浓度的精准监测和风量的动态调节，以改善工人工作环境，保障生产安全，提升空气质量控制效率。 
1.通风性能测试
①风速测定：常使用热球风速仪或叶轮风速仪，在通风系统的不同位置，如风道、风口等测量风速，以了解空气流动速度，判断通风效果。例如，在工厂车间测量通风口风速，评估通风是否能有效带走污染物。
②风量计算：通过测量风速和通风管道或风口的横截面积，利用公式风量=风速×截面积计算风量，确定通风系统的通风能力。
③通风阻力测定：借助皮托管和微压计测量通风系统不同位置的静压、动压和全压，进而计算通风阻力。如在矿井通风系统中测量各巷道的压力，明确通风阻力分布。
2.粉尘浓度测定
通过高精度的粉尘传感器实时监测工作环境中的粉尘浓度，确保对空气质量的动态反馈，并及时发现粉尘超标情况。
3.系统效果评估
①粉尘去除效率：在通风系统的进风口和出风口通过测量粉尘浓度，根据公式去除效率=(1 - 出风口浓度/进风口浓度)×100%计算，评价系统对粉尘的控制能力。
②通风系统稳定性：通过连续监测风速、风量、粉尘浓度等指标的变化，观察通风防尘系统在不同工况下的运行状态，确保其能持续稳定运行。
4. 数据可视化与远程监控
通过物联网技术将传感器数据传输至智能手机应用端，实现对粉尘浓度、风量调节情况及其他环境参数的实时显示与监控，便于操作人员远程控制和及时响应。
5. 智能风量调节
结合实时粉尘浓度数据，通过先进的控制算法（如PID控制算法）对风机进行自适应调节，自动调整风量，以保持粉尘浓度在安全范围内，同时避免不必要的能耗。 
1. 国外研究现状和发展动态
①物联网与大数据分析应用
在国际上，欧美等发达国家在工业粉尘防控方面起步较早，相关技术逐渐趋向智能化与自动化。例如，通用电气公司提出的"工业互联网“概念，推动物联网在工业环境中的应用，尤其是在智能化生产线管理和环境监测领域。国外已实现高精度、高敏感的结合，例如射线型粉尘传感器和风速传感器，配合LoRa、NB-I0T等低功耗广域网络技术，确保设备能够在多种工业环境中稳定运行。
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                            图1 排风系统原理图
②智能监测控制技术与自适应风量调节
此外，国外一些先进的工业园区已应用物联网（IoT）技术，将粉尘浓度数据上传至云端进行存储和分析，借助人工智能（AI）技术进行智能预测，进一步提高了通风防尘系统的精确性和响应速度。例如，瑞士的Schneider Electric和日本的Panasonic等公司推出了基于IoT的智能通风解决方案，能够在实时监控粉尘浓度的基础上自动调节风速、风向，从而减少了能耗并提高了生产安全性。基于大数据和AI分析，如IBM的"Maximg”平台，通过分析设备运行数据提前发现故障模式，大幅度降低企业维护成本。
2.国内研究现状与发展动态
国内在粉尘防控方面的研究起步稍晚，但近年来随着国家对环境保护和劳动安全的重视，相关技术逐步发展。
①政策支持与技术推动
国家通过《中国制造2025》和“双碳”目标等政策鼓励企业开展智能化转型，物联网技术成为促进工业环境绿艳化发展的重要工具。国内一些高校和科研机构，如中南大学研究人员开发了基于无线传感器网络的智能监测系统，通过多种传感器监测环境中的粉尘浓度、温湿度等参数，并通过PLC系统控制通风设备，实现粉尘浓度的动态调节。
②物联网平台发展进步快
国内企业(如华为和阿里云)提供了成熟的工业物联网平台，支持设备联接数据分析和可视化，这些平台为工业场景提供了强大的数据处理、设备连接、数据分析、存储和可视化能力，成为智能通风防尘系统的重要技术支撑。
③环境监测设备本土化进程
国内已实现粉尘传感器和温湿度传感器等核心部件的自主研发，设备性能和成本上有了显著提升，适合国内工业环境应用需求。 
1.创新点
基于物联网的全方位实时监测与控制：本项目将物联网技术与粉尘监测系统紧密结合，采用激光粉尘传感器（如Honeywell HPM或SHARP GP2Y系列）实时监测工业环境中的粉尘浓度、风速等关键参数。实时上传至云端并通过APP或Web端进行展示。用户可以通过移动端或PC端实时查看粉尘浓度、风量调节、设备运行状态等信息，方便快捷地进行远程监控和管理。
动态风量智能调控算法：基于实时监测数据，结合机器学习算法，根据实时监测到的粉尘浓度、温湿度等多维数据动态调整通风设备的工作状态，并根据环境变化优化风量，减少能源消耗同时达到粉尘浓度控制的最佳效果。
智能安全报警与预警机制：构建基于AI的安全报警系统，通过分析粉尘浓度及设备状态数据，提前预警异常情况，并触发声光报警和远程通知，快速响应潜在危险。
2.项目特色
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            图2 项目室内仿真模拟图
“智感风尘”平台的一体化设计：项目实现了环境监测、智能通风、数据可视化和安全管理的深度融合，形成了一体化平台。通过粉尘传感器、温湿度传感器、风机控制器等硬件设备的集成，结合物联网平台的边缘计算与云端协同技术，使得从数据采集、传输、分析到反馈的全流程无缝衔接。用户可以在一个统一的界面上完成对粉尘浓度监测、通风设备控制、报警记录查询等操作，显著提升了管理的便捷性与效率。
强兼容性与灵活扩展性：平台支持多种通信协议，包括Wi-Fi、LoRa、Zigbee、4G/5G等，可适配不同类型的工业环境和设备。同时，系统具备高扩展性，支持接入新的传感器类型或与第三方工业控制系统对接，以满足用户多样化的需求，无论是大规模的工厂布局还是小型的生产车间，系统都能够快速部署并稳定运行。
成本可控与市场适配性强：本项目采用高度国产化的设备与技术，如自主研发的粉尘传感器、智能风机控制器等，显著降低了整体系统成本。在保证性能可靠的前提下，综合性价比优于国外同类产品。项目部署成本低、运维简单，能够快速适应市场需求并大规模推广应用。
 

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图3 项目中通风除尘部分几何模型
1.技术路线
本项目采用基于硬件开发、算法设计和工业场景建模相结合的技术路线。首先，通过调研工业环境粉尘浓度监测与控制需求，构建系统整体框架，包括粉尘浓度监测模块、智能风量调节模块及数据传输显示模块。核心硬件选用高精度激光粉尘传感器与STM32微控制器，结合变频风机实现粉尘浓度实时监测与动态风量控制。系统算法采用模糊逻辑结合PID控制，以优化风量调节响应速度，同时引入支持向量机（SVM）对粉尘浓度变化趋势进行预测，提升系统预判能力与运行效率。
为确保系统适应工业场景的复杂环境，建立基于计算流体动力学（CFD）的仿真模型，模拟粉尘扩散与通风效果，优化风机布局与运行策略。开发手机端APP，实现粉尘浓度的实时监控、数据可视化与历史查询功能，利用BLE和Wi-Fi模块实现数据无线传输与远程管理。系统通过实验室测试验证性能后，部署于模拟工厂场景，进一步优化系统稳定性与可靠性，并最终完成在真实工业场景中的验证与应用。通过该技术路线，本项目将打造一套智能、高效、节能的工业通风防尘解决方案。
2.拟解决问题
（1）工业粉尘浓度过高对健康和环境的威胁：当前，许多工业生产环境中，粉尘浓度往往超出安全标准，导致工人健康受损、环境污染加剧。现有的通风防尘系统往往依赖人工操作，调节不精确，不能有效应对粉尘浓度变化的动态需求。
（2）传统通风系统无法实现精准的风量调节：传统的通风系统在大多数情况下只能进行手动调节，风量无法根据粉尘浓度的实时变化动态调整，导致能源浪费或风量不足，无法有效控制粉尘浓度。
（3）缺乏智能化预警和故障诊断功能：现有通风防尘系统多缺乏智能化预警和故障诊断能力，无法实时预测系统的运行状态，导致设备故障或粉尘浓度超标时未能及时做出反应，存在较大的安全隐患。
（4）信息化、自动化程度低，管理难度大：许多传统工业通风系统缺乏信息化管理平台，无法进行数据采集、监控与分析，且无法进行远程管理，操作人员需要在现场进行手动调整，导致响应速度慢、管理效率低。 
3.预期成果
1.申请国家实用新型专利1项
2.撰写和发表较高水平的论文1篇 
1. 第一阶段(2024.12-2025.06)
1. 2024年12月。商讨并确认研究课题的主要方向，收集各个成员的建议。完成编写大学生创新创业计划项目书。
2. 2025年12月-3月。对项目的走向和安排进行简要讨论，各个成员根据分工对自己的任务进行初期的准备工作，最后汇总进行整合。
3. 2025年3月-6月。项目开发基础期，基本建立基于计算流体动力学（CFD）的仿真模型，模拟粉尘扩散与通风效果，优化风机布局与运行策略。系统开发的相关技术选型确定，核心硬件基本采购完毕，进行学习开发。
2. 第二阶段(2025.06-2025.12)
1.2025年6月-9月。项目开发中期，构建系统整体框架，包括粉尘浓度监测模块、智能风量调节模块及数据传输显示模块，能够驱动单片机实时显示数据。同时系统软件的开发要同步进行，以便于之后的整合工作，同时整理撰写实用新型专利相关材料。
2.2025年9月-12月。项目开发后期，设计开发用户界面如APP等，能够显示各类数据等，同时对系统的各项功能进行完整的多次测试，发现并修复所有已知问题。同步撰写高水平论文，在时间允许的情况下对系统的功能进行适当的添加或移除，完成作品。
3.2025年12月。提交最终作品，附加系统使用说明与各项研究及使用报告文件。 
项目负责人及成员曾在蓝桥杯、“大唐杯”等5G通信类、电子类比赛中荣获多项国家级和区级奖项，同时专业分布包含电信、通信、自动化，整体具有较为扎实的硬件编程基础和动手能力，能够担任项目系统的设计与开发工作。项目指导老师在检测技术与嵌入式系统方向具有丰富的指导经验，能够为本项目提供坚实支撑。
已具备的条件：
（1）已经对嵌入式相关技术、硬件电路设计、传感器算法等方面进行了研究和了解，具备了一定的技术知识和研究基础。
（2）项目开发所需的硬件器件已经确定，如传感器Honeywell HPM系列，单片机STM32系列（ARM Cortex-M 系列）等
尚缺少的条件及解决方法：
（1）流体仿真模型建立：团队成员尚未熟悉项目中所需模拟流体动力学（CFD）的仿真模型，模拟实际效果。解决方法包括学习相关的软件使用和模型建立技能。
（2）实验环境和场地：缺少进行系统测试和实验可能需要特定的实验环境和场地，如具有一定大小和布局的室内空间。解决方法包括借用学校实验室。
（3）资金支持：项目的实施需要一定的资金支持，用于购买设备、购买材料等。解决方法包括向学校申请科研项目资助。 

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 无 6300.00 3700.00
1. 业务费 3000.00 支持项目的运行和发展，包括计算、分析、测试、能源动力、会议、差旅、文献检索和论文出版等方面的费用。 800.00 2200.00
（1）计算、分析、测试费 800.00 用于购买软件工具、计算资源以及实验材料，以支持系统设计和性能测试。 200.00 600.00
（2）能源动力费 500.00 涵盖实验室设备的运行成本，如电力费用。 200.00 300.00
（3）会议、差旅费 700.00 用于参加相关行业会议、学术研讨会或差旅成本，以便与同行交流、获取新知识和展示成果。 100.00 600.00
（4）文献检索费 400.00 用于购买专业文献或订阅学术期刊，以获取最新的研究成果和技术资料。 300.00 100.00
（5）论文出版费 600.00 预留一部分经费用于将研究成果撰写成论文并支付相关出版费用。 0.00 600.00
2. 仪器设备购置费 4500.00 购买必要的仪器设备，如各类管道、风机、除尘器等以支持实验和模拟场景的搭建。 3500.00 1000.00
3. 实验装置试制费 1500.00 用于设计、制作和调试实验装置，包括原型制作成本、零部件购买费用以及实验平台搭建所需费用 1200.00 300.00
4. 材料费 1000.00 购买实验所需的材料和器件，如元器件、电路板、单片机等，以支持实验的进行和场景的搭建。 800.00 200.00
结束

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