В 2017 году национальная лаборатория Министерства энергетики США в Беркли опубликовали научную работу [1], в которой рассматривалось влияние концентрации углекислого газа в воздухе на продуктивность учёбы школьников. В ходе исследования создавались условия с разным уровнем CO ₂ и вентиляции, после чего школьники проходили тесты. В результате была выявлена прямая зависимость уровня когнитивных способностей обучающихся от концентрации углекислого газа в помещении. Кроме того, в общественных местах, в замкнутых непроветренных помещениях в воздухе содержится много возбудителей различных заболеваний. Следовательно, работа и учёба в проветренном помещении более результативная и безопасная.

Нормальные значения концентрации углекислого газа в учебном помещении лежат в диапазоне 400–600 ppm (частиц на миллион) [2]. Поддержанию такого качества воздуха будет способствовать система SUP-4.

Цель работы :

Создание автоматической системы проветривания SUP-4, которая будет поддерживать оптимальный микроклимат в помещении, путём мониторинга значений температуры и влажности воздуха, а также концентрации углекислого газа.

Задачи работы :

1. Провести онлайн опрос для оценки актуальности проблемы и востребованности системы.
2. Изучить среду Arduino IDE и научиться считывать данные с датчиков Arduino о качестве воздуха и обрабатывать полученную информацию.
3. Создать программу управления механизмом открытия-закрытия клапанов проветривания, лопастей нагнетателя воздуха и системы орошения воздуха на базе Arduino Uno.
4. Собрать прототип системы и протестировать его.

Анализ существующих в мире аналогов

Основные конкуренты системе SUP-4 — бризеры. Они осуществляют подачу уличного воздуха в помещение, очищая его и равняя его температуру с температурой внутри. Но их цена не позволяет использовать их в школе в каждом кабинете. Бризеры справляются с урегулированием уровня CO ₂ в помещении. Но лишь немногие подобные системы способны регулировать влажность воздуха, которая считается оптимальной в диапазоне 40–60 % [3].

Важным показателем, влияющим на когнитивные способности человека, является температура воздуха в помещении. Идеальным показателем температуры для продуктивной умственной деятельности является промежуток 21–24 °C [4]. Частота проветривания также играет важную роль. Лучше всего проветривать помещение после каждого урока, во время перемены.

Методика выполнения работы

Для подтверждения актуальности и востребованности проекта, мы провели онлайн-опрос на тему «Проветривание» через платформу Яндекс Формы. Всего в опросе приняли участие 32 человека. По результатам опроса, 75 % от числа опрошенных чтобы «освежиться» предпочитают запускать в комнату свежий воздух с улицы (проветрить комнату), а не использовать кондиционер. 93,8 % от числа опрошенных чувствуют себя утомленно в плохо проветренном помещении. Абсолютное большинство опрошенных проветривают свою комнату или рабочее место два и более раз в день и перед сном/ночью. 100 % опрашиваемых хотели бы видеть нашу систему умного проветривания SUP-4 в своём учебном заведении или на рабочем месте.

При выборе компонентов для системы SUP-4 мы обращали внимание на следующие их качества:

– Низкая погрешность измерений датчиков:

– Доступная цена компонента;

– Относительная простота в установке и программировании компонента.

В качестве управляющего модуля системы был выбран Arduino UNO. Выбор обусловлен ценой (для прототипа) и простотой взаимодействия. Упрощённая схема управляющего модуля прототипа на базе Arduino UNO представлена ниже. (см. Рисунок 1)

Рис. 1. Наглядная упрощённая схема управляющего модуля

Программирование Arduino UNO выполнялось в среде Arduino IDE на языке C++ [5].

В сборке прототипа использовались:

Arduino UNO, монтажная плата Arduino UNO, датчик температуры и влажности, датчик углекислого газа, ЖК дисплей 16x2, микросервопривод 2шт., фильтр типа HEPA13, угольный фильтр ФК5, ультразвуковой увлажнитель воздуха, электронный двигатель., катушка ABS пластика, оргстекло, аккумулятор 7,2V 3000 mAh 2шт, кнопки Arduino 3шт., ПВХ труба диаметром 100мм, набор провода и креплений, резисторы на 220Ω и 1kΩ по 5шт., транзисторы 2шт.

Для создания вентилятора, сетки, клапанов и колпачков для кнопок была использована технология 3D печати. Трёхмерные модели в формате.stl были созданы в программах Blender и КОМПАС-3D. Печать проводилась из ABS пластика на 3D принтере серии 3DQ. Корпус управляющего модуля был создан путем вырезания его деталей из оргстекла (акрила) на установке лазерной гравировки хТооl F1 Ultra и последующей их сборки.

Общие виды прототипа в сборе представлены ниже (см. Рисунок 2, Рисунок 3).

Рис. 2. Прототип SUP-4. Компоненты слева направо: увлажнитель; воздуховод с клапанами (зелёные), фильтрами и вентилятором; модуль управления

Рис. 3. Фрагмент системы фильтрации воздуха в прототипе — сетка, препятствующая проникновению крупного мусора в систему SUP-4

Основные элементы управления в прототипе — три кнопки, находящиеся под дисплеем (см. Рисунок 4):

Рис. 4. Модуль управления и компоненты слева направо: сверху — датчик углекислого и угарного газов MQ-135, ЖК дисплей, три кнопки управления; снизу — датчик температуры/влажности DHT-11, руководство по эксплуатации

Система может находиться в одном из четырёх режимов. Режимы и полная инструкция представлены ниже (см. Рисунок 5):

Рис. 5. Руководство по эксплуатации SUP-4

Обзор результата работы

Система производит постоянный мониторинг температуры, влажности воздуха и концентрации углекислого газа в нём. В программу системы вписаны диапазоны нормальных значений для данных характеристик воздуха (согласно исследованиям [1] [2] [3] [4]). При выходе какого-либо показателя качества воздуха за пределы данного диапазона, SUP-4 получает сигнал от соответствующего датчика и, в зависимости от данного показателя качества воздуха, предпринимает следующие действия: клапаны открываются, нагнетатель воздуха начинает работу; начинает работу увлажнитель; экстренно прекращает работу нагнетатель, клапаны закрываются (при обнаружении возгорания). Как только все показатели возвращаются в пределы диапазона нормальных значений, SUP-4 деактивирует все процессы.

Прототип успешно прошёл тестирование по следующим пунктам:

1. Ввод расписания проветривания через кнопки и LCD дисплей, просмотр всех расписаний, очистка этого списка;
2. Работа по расписанию;
3. Работа по сигналу (при обнаружении превышения порога значений);
4. Экстренное закрытие клапанов и остановка нагнетателя воздуха при обнаружении возгорания.

При длительности проветривания 2 часа в день и длительности увлажнения 1 час в день, затраты электроэнергии для системы следующие (см. Таблица 1):

Таблица 1

Примерная стоимость годового содержания системы

Всего: 10,56 кВт·ч/год. По одноставочному тарифу, дифференцированному по трем зонам суток для Москвы (согласно Приказу № ДПР-ТР-407/25 от 24.12.2025, это 10,40 руб. за 1 кВт·ч в Пиковой зоне), за год система поглощает электроэнергии на 109,82 ₽. Стоит учитывать, что затраты на электроэнергию и цены — примерные и могут варьироваться в зависимости от сценария использования, региона проживания и тарифа пользователя.

Выводы

Нами была проведена аналитическая работа для понимания актуальности проблемы плохо проветриваемых помещений в учебных и прочих заведениях. Мы изучили среду программирования Arduino IDE. Разработали и собрали рабочий прототип системы умного проветривания «SUP-4», которая автоматически контролирует качество воздуха в помещении исходя из показателей температуры, влажности и концентрации углекислого газа.

Было проведено успешное тестирование прототипа в условиях, приближенных к реальным, подтвердившее работоспособность системы.

Перспективы дальнейшего развития проекта предполагают:

• Включение в систему SUP-4 функции охлаждения или нагрева поступающего воздуха по необходимости;

– Создание мобильного приложения/Telegram бота для удалённого управления SUP-4;

– Интеграция системы орошения в трубопроводную систему здания и отказ от аккумуляторного питания в пользу подключения к электросети помещения.

Литература:

1. Фиск, У. Дж. Проблема вентиляции в школах: обзор литературы / У. Дж. Фиск. — Текст: электронный // Indoor Air. — 2017. — № 27 (6). — С. 1039–1051. — DOI: 10.1111/ina.12403.
2. Мансуров, Р. Ш. Влияние концентрации углекислого газа на организм человека / Р. Ш. Мансуров, М. А. Гурин, Е. В. Рубель. — Текст: электронный // Universum: технические науки: электронный научный журнал. — 2017. — № 8 (41). — URL: 7universum.com (дата обращения: 15.10.2025).
3. Влажность воздуха и её влияние на организм человека: почему это важно для здоровья. — Текст: электронный // AIRWET: сайт производителя систем увлажнения. — 2017. — URL: https://airwet.ru (дата обращения: 15.10.2025).
4. Сеппанен, О. Влияние температуры на выполнение задач в офисной среде / О. Сеппанен, У. Дж. Фиск, К. Лей-Гомес. — Текст: электронный // Lawrence Berkeley National Laboratory. — 2006. — С. 5–8. — ID: LBNL-60946.
5. Бачинин, А. Основы программирования микроконтроллеров / А. Бачинин, В. Панкратов, В. Накоряков; ООО «Амперка». — Москва: Амперка, 2013. — Текст: непосредственный.