基于單片機控制及傳感器綜合運用的多功能智能窗

張焱++王長城++黃寶樂+居晉華++鄧紅菊

【摘 要】論文介紹了單片機及傳感器綜合運用多功能智能窗的設計和制作。采用STM32單片機作為控制核心，通過對雨水傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器、人體紅外檢測器及推桿電機等的控制，設計制作一種窗戶的智能控制系統。可以通過遙控器控制窗戶的打開和關閉，也可以通過傳感器感知外界環境變量而實現自動的開關窗戶。使用太陽能為整個系統供電。此外，設計中加入了防盜報警系統，通過多次試驗證明該設計性能可靠，實用性較強，可以運用到多種環境中。

【Abstract】This paper introduces the design and fabrication of multi-function intelligent window based on microcomputer control and sensor integrated application. Using STM32 single chip microcomputer as the control core， through controlling the rain sensor， temperature and humidity sensor， light sensor， human infrared detector and putter motor， we design and manufacture a window intelligent control system. It can control the opening and closing of the window through the remote control， and can realize the automatic switching window by sensing the ambient environment variables. It use the solar power as its power supply system. In addition， for safety， the design added a alarm system. After several tests， design performance has been proved reliable， practical and strong， can be applied to a variety of environments.

【關鍵詞】STM32單片機；傳感器；智能窗戶

【Keywords】STM32 single chip microcontroller； sensor； intelligent windows

【中圖分類號】C39 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）03-0090-02

1 引言

科學技術的發展為人們生活的舒適性提供了各種可能。近年來，隨著單片機及物聯網技術的迅速發展，智能家居成為家庭信息化和社會信息化發展的重要組成部分，也從根本上逐漸改變了傳統的家居生活方式。智能家居強調人的主觀能動性，重視人與居住環境的協調，能夠隨心所欲地控制居住環境。

2 總體設計

2.1 系統方案分析及方案框圖

硬件方面采用STM32單片機作為控制器，芯片采用型號為STM32F103ZET6型芯片。通過控制推桿電機、直流電機、溫濕度傳感器、雨水傳感器、煙霧傳感器、光照傳感器、紅外遙控器等實現對窗戶窗簾的智能控制，并且將需要的數據顯示到TFT彩屏上。由于本次設計制作時間較短、難度較大，為保證系統的穩定性采用了購買的開發板和模塊。程序設計開發使用常用的STM32系列開發軟件Keil5[1]。使用2.8寸TFT彩屏顯示有效數據。整個軟件劃分為若干模塊，分別調試，最后集成。綜合考慮此方案可行。

2.2 設計不足及解決方法

傳統的8位51單片機沒有足夠的中斷，處理能力也相對較差，無法驅動多個傳感器。為了達到設計需要，選擇了32位的STM32F103ZET6單片機，但增加了開發成本[3]。在此次設計制作中完全可以使用成本較低、性能較差的STM32F103C8T6型芯片，更為廉價的也可以。在窗戶開關控制的動力方面，我們綜合多個方面考慮使用了推桿電機，但推桿電機價格昂貴，經過測試發現絲桿電機也可以實現同樣的功能，并且成本較低便于拆裝。

3 系統功能分析

3.1 主控芯片STM32F103ZET6介紹

開發板選擇的是STM32F103ZET6作為MCU，該芯片是STM32F1系列里配置最強大的，它擁有的資源包括：64KB SRAM、512KB FLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、2個DMA控制器（共12個通道）、3個SPI、2個IIC、5個串口、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口、1個FSMC接口以及112個通用IO口。該芯片的配置十分強悍，并且還帶外部總線（FSMC）可以用來外擴SRAM和連接LCD等，通過FSMC驅動LCD，可以顯著提高 LCD的刷屏速度。配置完全符合需求，可以實現多傳感器多中斷的綜合控制[2]。

3.2 太陽能供電系統

隨著人類社會的發展，可再生能源已所剩無幾，解決能源問題迫在眉睫。有效的利用清潔可再生能源是社會發展的必經之路。太陽能是最為理想的能源之一，它具有清潔、無污染、可再生、分布廣泛等優點。太陽能發電是利用電池組件將太陽能直接轉變為電能的裝置。使用20W的家用小型太陽能發電系統，配合12V12AH的蓄電池，在正常情況下完全滿足供電需求。

3.3 人體紅外報警系統

自制紅外報警系統。使用人體紅外感應傳感器HC-SR501檢測是否有人通過，人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平。可以根據需要調整檢測范圍的大小。連接蜂鳴器電路，如果有人從窗戶進入會及時報警，保障生命財產安全。

3.4 煙霧報警模塊

可燃氣體和各種有害氣體依然危害著我們的生活。由于煤氣泄漏或者其他氣體泄漏原因在室內死亡的事件依然時有發生。其實只要能盡快開窗通風，這些悲劇都可以避免。MQ-2煙霧傳感器模塊就很好地解決了這些問題。傳感器連接蜂鳴器和推桿電機，當測量濃度大于設定濃度時，單片機IO口輸出低電平，經過電路放大和電平轉換使蜂鳴器報警同時推桿電機將窗戶拉開。通過蜂鳴器報警能叫醒在夜間熟睡的人們做出反應，及時保障了生命安全。

4 結論

智能窗的出現對提升人們的生活品質有著非常重要的意義，傳統的家居正逐步被智能家居所取代。論文提出基于STM32單片機控制及傳感器綜合運用的智能窗戶系統的設計制作方案， 對智能窗控制系統的工作原理、硬件結構和系統設計等進行了詳細說明。主要特點在于功能實用、操作簡單、易于安裝。針對環境出現的變化對窗戶進行控制，使得窗戶變得更加智能和人性化，更好地滿足人們對智能家居生活的需求。今后可在技術水平、可靠性和成本降低方面進一步改進和完善。

【參考文獻】

【1】張洋，嚴漢宇，劉軍.原子教你玩STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

【2】申智源.TFT-LCD技術：結構、原理及制造技術[M].北京：電子工業出版社，2012.

【3】譚浩強.C語言程序設計[M].2版.北京：清華大學出版社，2005.