基于多傳感器的智能窗系統設計

李 碩，賈子慶，張明瑋

（1.哈爾濱工業大學 控制科學與工程系，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業大學 電信學院，黑龍江 哈爾濱 150001；3.哈爾濱工業大學 機電學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

當今世界建筑正朝著智能化方向發展，這種發展趨勢也正是人類社會的文明程度在一定歷史時期的體現。但普通窗戶在起風下雨時不能自動關閉，不能自動調整開合程度以適應風、雨、光等環境變化，給我們帶來了諸多不便，安裝智能窗已是大勢所趨。本文討論了一種智能窗系統設計方案。

該智能窗由多個傳感器收集風力大小、空氣濕度、光照強度等信號，經處理后傳入單片機。單片機對信號進行運算，再輸出脈沖信號調整步進電機。智能窗可根據環境變化及使用者的意愿調整扇葉張角，控制室內環境參數，且具有一定的自適應能力。

1 系統總體設計

智能窗由電子系統、相應程序和機械部分組成。電子系統包括傳感器、處理器、顯示屏、步進電機及其他輔助電路。機械部分可根據使用場合的不同而進行設計。

在電子控制系統中，傳感器起著重要的作用，它關系到控制的精度，合理選擇傳感器是系統成功的關鍵[1]。此外，由于各種干擾存在，除了選用性能優良的傳感器外，還需進行軟件上適當的濾波算法，以保證數據的可靠性。傳感部分是由多個傳感器收集環境各項參數的，為了快速準確的采集數據，在接收傳感器采樣時要合理的設置巡檢優先級，這可以通過程序實現。出于實用性，人機交互和節能也是關鍵問題，因此，系統還配有便于用戶使用的遙控和顯示設施。所有的參數都可以通過遙控設置、改變，保存，運行過程中用戶也可以通過遙控改變開窗狀態。顯示屏可將系統運行狀態，測量的數據實時顯示。電子系統框圖如圖1所示。

設計的扇窗利用步進電機調節葉片張角。扇窗結構主要包括：窗框、多個葉片構成的可轉動葉片組、一個用以調整該葉片組開和角度的拉繩。其結構圖如圖2所示。

圖1 系統框圖Fig.1 Block diagram of system

圖2 智能窗結構圖Fig.2 Structure diagram of the intelligent windows

2 電子系統設計

2.1 傳感與輸入部分

2.1.1 風速傳感器

考慮到系統應具有體積小，成本低的特點，氣象測量中使用的風杯式傳感器無法滿足要求，因此將風速信號轉化成壓力信號進行測量。選用的LAM－H4壓力傳感器采用應變電橋原理[2－3]，將作用在表面的微小壓力轉化為差分電壓。輸出的信號經放大后再輸入單片機處理，經換算即可表示風力等級。傳感器精度等級 0.05%R.O，輸出靈敏度 0.6±20%mV/V，保證了測量風速精度為0.1 m/s.

2.1.2 濕度傳感器

濕度傳感器用于檢測空氣中的相對濕度，例如，當相對濕度大于90%，可認為有雨，智能窗將自動關閉。選用AH11濕度模塊作為濕度傳感器。模塊的供電為+5 V直流電壓，相對濕度通過電壓輸出進行計算。本模塊濕度檢測精度±5%RH，且已帶溫度補償，長期穩定性好，滿足系統要求。

2.1.3 光強傳感器

為便于用戶根據光強不同決定開窗狀態，設置了光強傳感器。利用光敏電阻GL5528自行設計了光強傳感器。光敏電阻是利用半導體光電效應制成的一種阻值隨入射光強變化而改變的電阻器，入射光變強，電阻減小。使用時將光敏電阻與10 kΩ的電阻R構成測量電橋后接至5 V電源，當外界光照變強時，光敏電阻阻值變小，R分壓變大，取R上的電壓差值即可判斷光強變化。這種設計的優點在于電路簡單。

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2.1.4 紅外遙控

遙控設備在本系統內起著至關重要的作用，它是人機交互的通道。系統采用紅外一體化接收頭HS0038將遙控信號的接收、放大、檢波、整形集于一身，并且輸出可以讓單片機識別的TTL信號，這樣大大簡化了接收電路的復雜程度和電路的設計工作。HS0038由黑色環氧樹脂封裝，不受日光、熒光燈等光源干擾，內附磁屏蔽，功耗低，靈敏度高。在用小功率發射管發射信號情況下，其接收距離可達35 m。所使用的遙控器為WD6122型紅外遙控發射電路，最多可外接64個按鍵，并有3組雙重按鍵。

2.1.5 行程開關

為了判斷窗子是否閉合，需要使用行程開關。利用單片機自帶的硬件中斷資源，設計了接觸式的中斷行程開關。當窗體閉合時引發中斷，停止運行，進入節電待機狀態。

2.2 處理與輸出部分

2.2.1 單片機應用

隨著技術的發展，單片機的功能日益多樣化[4－5]。以其具有價格便宜、體積小、技術成熟等特點而被廣泛應用在各種控制場合。本系統使用STC12C5A60S2型單片機，由于其采用增強型8051內核，速度比普通8051快8～12倍，滿足了程序運行對速度的要求。關窗后可切換到掉電模式（可由外部中斷喚醒），以降低功耗。硬件看門狗功能可用于監測程序是否運行正常。特別是芯片內部自帶了8路10位AD轉換功能，能直接將輸入P1口的模擬量電壓轉換成數字量，大大節約了支持多個傳感器的AD硬件成本。端口輸出的數字信號可控制步進電機。

2.2.2 步進電機及驅動

采用42BYG250B兩相混合式步進電機作為機械部分的驅動裝置，經減速后帶動葉片轉動。選擇L298N作為步進電機的驅動芯片。L298N為雙全橋步進電機專用芯片（Dual Full-Bridge Driver）內部包含4信道邏輯驅動電路，兩個HBridge的高電壓、大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平，可驅動46 V，2 A以下的步進電機，且可直接通過電源來調節輸出電壓，由單片機I/O端口來提供時序電壓。

2.2.3 顯示輸出

系統中應用1602液晶顯示屏顯示操作界面，通過不同的菜單選擇，即可顯示設定的控制參數，又可顯示測量值和系統的工作狀態。顯示屏在待機狀態下可以關屏，降低功耗。

2.3 電路設計

圖3 電路原理圖Fig.3 Schematic circuit

圖3為電子系統主要部分的原理圖。在各芯片供電處接有濾波電容，以減少供電不穩給系統帶來的影響。使用兩級差模前置放大器，放大傳感器的微弱信號，這種差模放大的接線方式可有效地減少噪聲干擾。此外，由于電機屬于感性負載，突然斷電會產生較高的反電勢，對電機和驅動芯片造成傷害，故需要在驅動回路接入續流二極管1N4007。單片機P1.0、P1.1、P1.2 設為片內 AD，外接運放輸出端，P3.2、P3.3 口分別接行程開關和紅外模塊，P3.5、P3.6接片外EEPROM的時鐘端和數據端。

3 軟件設計

3.1 程序流程

開機時系統關窗復位，采集一組環境數據，判斷是否達到開窗要求。開窗后，調用歷史控制參數，之后按加權方式分步采集多個傳感器的數據，同時輸出顯示。發現風強，濕度，光強不滿足要求時即可調整至合理狀態。系統運行時始終以中斷方式服從用戶的遙控。程序流程如圖4所示。

3.2 濾波算法

由于室外環境的多變性、復雜性以及電磁干擾等諸多問題的存在，傳感器的信號中經常帶有一定的噪聲。硬件低通濾波器并不能濾掉低頻成分。故在數據的采集和處理中使用滑窗法[6]濾波，有效解決了傳感器數據抖動的問題。

3.3 控制算法

圖4 程序流程圖Fig.4 Flow chart of program

控制算法是體現智能性的核心，合理的控制算法，可使系統具有“記憶性”和“學習性”。由于單片機的硬件資源十分有限，無法執行神經網絡法和Bayes法[7]等大型程序。這里，設計了頻率加權統計的方法。在片外EEPROM中存有控制向量 V=[W，R，L，A]，表示風強、濕度、光強和所對應的扇葉張角。遙控可以發出直接更改控制向量中參數的指令，也可以發出調整扇葉角度的信號。當接收到調整角度的信號時，系統采集記錄當前環境參數，形成指令 P=[kW，kR，kL，kA]。控制向量做出相應調整，使成為新的控制向量。這樣，隨著使用次數的增加，窗子將適應當地環境和用戶的習慣。

4 結束語

整個控制系統是基于多項傳感器采集信號，8位高速單片機運算處理的控制系統。采用經典的軟件濾波、控制算法對信息進行處理，增強魯棒性。電機輸出控制扇葉轉角，屏幕實時顯示測量數據。經實驗測試，風速感應和控制精度優于0.1 m/s，濕度感應精度5%RH，光強感應精度5 lux，扇葉步進最小角度1.8°。這種智能窗實現了：同步顯示當前環境風強、濕度、光強等信息；支持人機對話、可以遠程遙控；具有硬件保護、可以智能調整窗體開合程度等功能。

圖5 樣機照片Fig.5 Picture of the model

這種智能窗在一定程度上減少了外界環境給室內帶來的不便。目前可以用作對環境有一定要求的實驗室的通風窗和高檔建筑用窗。隨著人民生活水平的提高，它將被應用到更廣泛的場合。

[1]Hagleitner C，Hierlemann A，Lange D，et al.Smart singlechip gas sensor microsystem[J].Nature414，2001:293-296.

[2]陳裕泉，葛文勛.現代傳感器原理及應用[M].北京：科學出版社，2007.

[3]何希才.傳感器及其應用電路[M].北京：電子工業出版社，2001.

[4]李云鋼，鄒逢興.單片機原理與應用系統設計[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[5]張毅剛.單片機原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2008.

[6]陳平.現代檢測技術[M].北京：電子工業出版社，2007.

[7]姚錫凡.人工智能技術及應用[M].北京：中國電力出版社，2008.