基于IAP15F2K61S2單片機的多傳感器新型智能窗控制系統

何國淵，廖志飛，楊太任，李霆，王洪濤，2

(1. 五邑大學信息工程學院，廣東江門529020;2. 華南理工大學自動化學院，廣東廣州510641)

當今世界建筑正朝著智能化方向發展，智能家居技術發展更是突飛猛進。窗戶是人們日常生活中接觸最頻繁的生活家居之一［1］。隨著電子技術的發展和人們生活水平的不斷提高，智能窗已經越來越多地被應用到了現代智能化建筑中，為住戶提供一個安全、智能的生活環境［2］。集多傳感器、IAP (In-Application-Programming)［3］、語音警報、無線通信等技術，實現了一種新型智能窗控制系統。

1 系統總體設計方案

該系統具有機電一體化程度高、系統魯棒性強的特點，窗體內、外側分別如圖1 (a)和(b)所示。

該智能窗系統在運行過程中，需要對多傳感器進行實時數據采集，進一步對該數據進行分析，以完成相應的控制功能(如:防雨、防盜、防火、語音報警、無線控制、GSM 遠程警報等功能)。為此，作者基于IAP15F2K61S2 單片機，以DHT11 為溫、濕度傳感器，MQ-2 為煙霧傳感器，HC-SR501 為紅外檢測傳感器，ISD1820P 為語音模塊芯片，GTM900C 為GSM模塊，Arduino 雨水檢測模塊用于雨水檢測，ULN2003 和BTS7960 用于電機驅動。系統結構框架圖如圖2 所示。

圖1 窗體模型

圖2 系統結構框架圖

2 系統硬件設計

系統硬件采用模塊化設計，系統電路如圖3 所示。

圖3 系統電路

2.1 主控芯片

主控芯片選用STC 公司生產的15 系列單片機IAP15F2K61S2，該芯片采用STC-Y5 超高速CPU 內核，在相同頻率下，比STC 早期的IT 系列單片機的速度快20%。此外，該芯片還具有仿真功能，其獨有的IAP (在應用可編程)技術，無需編譯器、無需仿真器就在運行過程中對User Flash 的部分區域進行燒寫，給系統固件程序升級帶來了極大的方便。

2.2 溫濕度傳感器模塊

DHT11 數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器［4］。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC 測溫元件，并與一個高性能8 位單片機相連接。溫濕度傳感器對室內溫、濕度進行實時監測并通過彩屏顯示。系統設置當室內溫度超過50 ℃時(認為發生火災)，電機驅動關窗(以減少空氣流通)，并通過蜂鳴器警報和GSM 發短信至主人。

2.3 SC2262/2272-M4 四路無線遙控套件

編碼芯片SC2262/2272-M4 是深圳騰盛有限公司利用CMOS 工藝制造的低功耗通用編碼/解碼電路，是一對帶地址、數據編碼功能的無線遙控發射接收芯片［5］。為實現對窗扇及窗簾開、關的無線控制，該系統采用一對發送、接收模塊，將無線接收模塊的四位管腳與單片機的I/O 連接，根據發射模塊發送的數據，識別控制指令以實現對窗扇及窗簾的開關控制。

2.4 基于MQ-2 氣體傳感器的煙霧檢測模塊

MQ-2 氣體傳感器是一款可檢測多種可燃性氣體的低成本傳感器，所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫［6］。其原理為:當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，進一步將電導率的變化轉換為該氣體濃度相對應的輸出信號。通過MQ-2 氣體傳感器對煙霧進行檢測，當室內有濃煙時，執行開窗、收風機運轉、語音警報功能(即使窗扇處于打開狀態，有濃煙時同樣會發出語音警報和收風機運轉)，并將煙霧濃度顯示在彩屏上。

2.5 Arduino 雨水檢測模塊

Arduino 雨水檢測模塊工作電壓為3.3 ～5 V，可對室外雨況(大小)進行監測，并輸出相應的模擬信號［7］。傳感器表面采用鍍鎳處理，具有良好的抗氧化性。通過Arduino 雨水檢測模塊對雨水進行檢測。當下雨時，執行關窗與語音警報(即使窗扇處于關閉狀態，在下雨的情況下，同樣會發出語音警報)，并將雨量大小顯示在彩屏上。

2.6 人體紅外感應模塊HC-SR501

通過對市面上紅外感應模塊的比較，選擇了常用的人體紅外感應模塊HC-SR501［8］。此傳感器具有延時時間可調、觸發方式可調、輸出電平與單片機可直接相連等優點，能夠較好地滿足設計需要。該模塊觸發方式采用不可重復觸發方式，即感應輸出高電平，延時一段時間后，自動從高電平轉換成低電平。通過人體紅外感應模塊對人體進行檢測，當感應到窗外有人，執行關窗、語音警報功能(即使窗扇處于關閉狀態，窗外有人時同樣會發出語音警報)，并通過GSM 發短信至主人。

2.7 電機驅動模塊

28BYJ-48 步進電機采用UL N2003 驅動模塊，具有較強的電流驅動能力，步進電機的勵磁方式采用一相勵磁，即每一瞬間步進電機只有一個線圈導通，每送一個勵磁信號，步進電機旋轉1.8°。這種勵磁方式的特點是精確度好、耗電小。而ULN20003 驅動模塊是高耐壓、大電流達林頓陳列產品，具有較強的電流驅動能力。RC-260 直流電機采用BTS7960 驅動模塊，直流電機控制采用單片機的PWM 脈沖寬度調制控制來實現窗簾的拉動。

2.8 ISD1820P 語音模塊

ISD1820P 是美國ISD 公司推出的一款8 ～20 s 語音錄放電路，采用CMOS 技術，內含振蕩器，振蕩電阻可調，話筒前置放大，自動增益控制，防混淆濾波器，揚聲器驅動及FLASH 陳列［9］。該模塊工作在3～5 V 電壓下，是由4 個語音模塊電路組合而成的。

2.9 GSM 模塊

采用華為GTM900C，它是一款兩頻段GSM/GPRS 無線模塊［10］，支持標準的AT 命令及增強AT命令，提供豐富的語音和數據業務等功能，是高速數據傳輸等各種應用的理想解決方案。該系統通過單片機控制此模塊，與用戶的手機實現無線通信。如果室內發生火災或者有盜情發生，在語音系統報警的同時，會自動給不在家的主人發送警報短信［11］。

3 系統程序設計

3.1 系統主控程序

智能窗軟件設計采用C 語言編程，開發環境為Keil C51。軟件設計主要解決的是多傳感器下如何實現相應的控制功能及IAP 功能等問題。程序包括多傳感器控制程序、GSM 模塊控制程序、電機控制程序、SD 卡與單片機通信程序及IAP 功能程序等。系統主控程序流程如圖4 所示。

圖4 系統主控程序流程圖

3.2 IAP 功能程序

該系統實現了SD 卡與單片機之間的通信，并采用IAP 技術對智能窗系統進行軟件升級。目前，基于FLASH 的單片機，一個重要的需求是在開發好成品后，仍具備“在應用中編程”(IAP)軟件升級能力。在設計固件程序時編寫兩個程序區:程序1 區是IAP引導程序區，程序2 區是實現功能程序區。程序1 區的程序可通過與SD 卡的通信，并從SD 卡中讀取程序(預先存入SD 卡里)后對程序2 區的程序進行擦除和改寫，再跳到程序2 區執行程序。當芯片上電后，首先執行程序1 區的程序。操作如下:

(1)檢查是否需要對程序2 區的程序進行更新;

(2)如果不需要更新則轉到步驟(4);

(3)執行更新操作;

(4)跳轉到程序2 區的程序執行。

在線編程目前有兩種實現方法:在系統編程(ISP)和在應用編程(IAP)。ISP 一般是通過單片機專用的串行編程接口對單片機內部的Flash 存儲器進行編程;而IAP 技術是從結構上將Flash 存儲器映射為兩個存儲體，當運行一個存儲體上的用戶程序時，可對另一個存儲體重新編程，之后將控制從一個存儲體轉向另一個。ISP 一般需要很少的外部電路輔助實現，而IAP 的實現更加靈活，通常可利用單片機的串行口接到計算機的RS232 口，通過專門設計的固件程序來編程內部存儲器。

4 結束語

基于IAP15F2K61S2 單片機的多傳感器新型智能窗控制系統，利用多傳感器實時監測室內、外環境信息，實現了自動防雨、防盜、室內濕度檢測、火災報警定時關窗和基于IAP (In-Application-Programming)技術［12］的SD 卡軟件升級等功能。該系統采用模塊化設計，集現代聲、光、機、電等技術于一體，具有機電一體化程度高、系統魯棒性強、成本低、使用方便、便于維護等特點。因此，作為一個新型智能窗控制系統，將對現代智能家居研究具有實際意義，并具備產品化、產業化的優勢與潛力。

［1］趙石磊，李文越，李金剛．基于MC9S08GB60 的智能窗控制系統設計［J］．機電產品開發與創新，2013，26(4):122－123．

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［3］利用STC(IAP)單片機實現自己的ISP 最新指南［M］．2012．

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［5］文光俊，謝甫珍，李建．無線通信射頻電路技術與設計［M］．北京，電子工業出版社，2013．

［6］MQ-2 氣體傳感器技術參數手冊［M］．2010．

［7］Arduino 雨滴雨水模塊技術手冊［M］．2010．

［8］林礪宗，王曉林，楊志明．基于時間觸發嵌入式系統的智能窗控制器［J］．機電一體化，2009，15(11):74－77．

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［10］劉主鏈，宋躍，何志輝．無線模塊與GSM 實現的智能遠程家居控制系統［J］．計算機測量與控制，2011，19(9):2133－2136．

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