家庭窗戶自動開關管理系統設計

張昊澤

(北京市大峪中學,北京 102300)

隨著現如今城市生活節奏的加快,多數人面臨居家時間減少的問題,而當人們外出工作時,家中窗戶的打開與關閉往往成為一個難題。當遇到室內外空氣質量的變化、狂風或暴雨等天氣的變化時,如若不能及時開關窗戶,將帶來室內環境污染、風雨侵襲等問題,尤其是在廚房煤氣灶使用不得當時,更會引發煤氣中毒等嚴重后果。自動化技術的發展為解決上述問題提供了思路與方向。在自動化家具的研發與使用愈發成熟的今天,設計一種可以及時自動開關窗戶的家庭窗戶自動開關管理系統,便可以大大減少不必要的人力投入、環境污染和財務損失等,具有較強的現實意義。

1 方案選擇

單片機系統是日常生活中常用的微型控制系統,它具有構造簡單,體積小,故障率低等特點。單片機系統通常由運算器、執行器、寄存器等組成,它可以配合各種傳感器通過收集環境信息從而執行相應的程序指令,廣泛應用于航空航天、工業生產、自動化設備等。

1.1 系統方案選擇

本設計采用STM32系列單片機作為微控制單元搭建自動化控制系統。系統組成包括各種傳感器、專用配套放大器、STM32系列單片機以及窗戶開關執行機構等。系統的主要運行過程可以簡單表述為：相應的被測物理量經過數據采集系統傳輸到微控制器,微控制器再根據既定的程序控制窗戶開關執行機構的動作。

圖1 數據采集系統組成

圖2 執行機構示意圖

如圖1所示,數據采集系統主要實現從傳感器和其它待測設備的物理信號數據被單元中微控制器自動采集信息的過程。本系統所采用的單片機數據采集系統可以利用不同種類的溫度、濕度、氣流、空氣質量、一氧化碳氣體濃度等傳感器對相應物理信號進行采集;其次通過專用配套放大器將信號處理放大;然后利用A／D轉換器將放大后的模擬量轉換成數字量傳輸給微控制器;最后微控制器將會對相應的數據信息進行處理計算從而控制執行機構進行運作。

1.2 執行機構設計

控制窗戶開關的執行機構設計包括電機設計與機械臂設計。如圖2所示,電機與單片機系統連接,單片機可以通過分析當前環境狀況控制電機的轉動,電機的轉動將驅動關節軸的轉動,驅使機械臂伸長與收縮。機械臂由兩根金屬桿所構成,它們通過一個關節軸進行連接,分別固定在窗戶的邊框上與窗框上,當電機向一個方向轉動時,驅動關節軸轉動,從而帶動窗戶打開;同理,當電機向另一方向轉動時,驅動關節軸反方向轉動,從而帶動窗戶的關閉。

需要特別注意的是,當窗戶處于自動控制狀態時,出于各種不同的原因(如：使用者的主觀需求),需要手動控制窗戶的開關,然而在市面上現有的自動開關窗設計中,大多數設計只能進行自動控制,不能夠人為控制窗戶的開關,這將會給使用者帶來較差的使用體驗。本系統在窗戶自動控制開關時,充分考慮使用者的需求,窗戶不僅僅由自動控制系統所控制,還可以進行人為控制窗戶開關的操作,窗戶處于自動控制時可以被手動干預,并且執行機構的安裝不會干擾到手動控制。

2 系統硬件設計

2.1 系統組成

本控制管理系統主要由單片機系統、相匹配的放大器、溫度測試傳感器、濕度測試傳感器、氣流測試傳感器、空氣質量測試傳感器、一氧化碳氣體濃度監測傳感器等組成。其系統結構框圖如圖3所示。

圖3 系統組成框圖

表1 濕度敏感型控制方案中不同環境量對應窗戶動作狀態和優先級

2.2 各部分組成

在本設計中涉及到多種不同類型的傳感器、單片機控制系統、鍵盤、顯示模塊、人機交互模塊等系統硬件,不同的系統硬件之間需相互協調,才能達到精準度高,效率高,實際意義顯著的目的。

2.2.1 傳感器選擇

在一個具體的測試系統中,需優先考慮所選的傳感器,傳感器的選擇需要考慮以下具體問題,如：傳感器的量程;傳感器的測試溫度;傳感器的類型等。需要針對不同用途的傳感器確定所需要的類型。

溫度傳感器選用熱敏電阻溫度傳感器,其靈敏度較高、體積小、使用方便。濕度傳感器選用濕敏電阻濕度傳感器,其準確度較高。氣流(風壓)傳感器選用微差壓傳感器其受動壓影響小,可用來對潮濕、渾濁的氣體進行測量。空氣質量(污染)傳感器選用常見的空氣質量檢測凈化裝置,既可檢測空氣中所存在的多種空氣質量污染物,同時還可以監測可吸入顆粒物(PM10、PM2.5等)的濃度,其靈敏度較高,穩定性較強。一氧化碳氣體濃度監測傳感器選用檢測與警報器一體的傳感器,確保其精度高、測量準確,并能夠在檢測到一氧化碳氣體時發出警報,以警報聲為信號傳遞室內一氧化碳氣體濃度超標、構成人身安全的信息。

不同種類的傳感器同時運作,將所測得的數據通過電路傳遞至單片機控制系統實現數據采集系統的高效利用。

2.2.2 微控制器(單片機)

單片機微控制器是本系統設計的核心,是將傳感器所測得的數據進行處理并向執行機構、顯示模塊、人機交互模塊傳達命令的核心裝置。STM32系列單片機是常使用的微控制器,本設計采用基本型STM32系列單片機,其性能較高、成本較低、功耗較低,可有效地將采集到的數據進行處理,并控制整個系統的運行。

2.2.3 其他部分

顯示模塊使用LCD顯示屏,可以將單片機系統接收處理所得到的溫度、濕度、空氣質量等數據信息進行顯示,此外還可以進行系統工作狀態正常與否的顯示。

人機交互模塊可以通過藍牙、無線網的方式將系統的工作狀態與窗戶所處于的動作狀態向其它電子設備進行遠程信息傳遞,同時外部終端也可以遠程對系統進行控制。

3 軟件設計

3.1 窗戶自動開關控制情況分析

本設計主要針對室外溫度、室外濕度、室外風力、室內外空氣質量以及室內一氧化碳氣體濃度為所測量的模擬量實現窗戶的自動開關,并可與手動調控相結合,共同控制窗戶的開與關。窗戶的自動控制系統在接收到來自不同傳感器的不同信號時,呈現出不同的打開或關閉的狀態。

圖4 濕度敏感型控制方案程序設計流程圖

由于本設計所檢測到的環境量較多,不同使用者對于不同環境條件下窗戶的開關狀態的需求不同,因此可能對于環境數據處理的先后順序也會有不同的需求。針對這樣的情況,本系統為更好地滿足用戶的使用需求,預先擬定了3種不同的控制方案,分別為溫度敏感型、濕度敏感型和空氣質量敏感型。此外,還預留了一種用戶自定義操作狀態,用戶可以根據自身使用需求對各環境量的系統響應優先級進行自定義。

下面以濕度敏感型控制方案為例進行詳細的介紹：

表1為濕度敏感型控制方案中不同環境量對應窗戶動作狀態和優先級。一氧化碳氣體是燃氣不完全燃燒時產生的有毒氣體,當檢測到一氧化碳氣體時應當立即開窗,以人身安全為最優先事項。雨雪天氣時,室外的空氣濕度相對較高,中雨時空氣濕度可達到80%,如果不能及時關窗將有可能發生雨雪進入室內并造成室內環境的污染以及財物損失的情況,因此也應優先考慮。風力過強時,空氣中的揚塵容易被吹進室內,造成環境污染,并且當風速達到10.8至13.8m/s時,風級將達到6級風,可能吹倒室內的陳設,造成財物損失,對于室內環境影響較大,所以風力的檢測優先考慮。保證室內溫度的適宜同樣是人們對于房屋內環境評價最重要的參考指標之一,室內環境的最適宜溫度大約處在18攝氏度到25攝氏度之間,但是考慮到不同的季節,室外溫度的變化范圍不同,所以本系統針對溫度檢測設置了相應的最高溫度與最低溫度界限。空氣質量的檢測必要性相對較弱,可以適當延緩考慮。

3.2 系統自動控制部分程序設計

仍然以濕度敏感型控制方案為例,在此按照表1所給出的優先級仍以一氧化碳氣體濃度為第一優先級,濕度為第二優先級為例進行系統程序設計。圖4為濕度敏感型控制方案程序設計流程圖。

系統初始化完畢后,首先處理一氧化碳氣體濃度檢測傳感器所傳回的數據,當檢測到室內一氧化碳氣體超標時自動開窗,否則繼續處理濕度傳感器所傳回數據,當檢測到室外濕度超過80%時自動關窗,否則繼續處理空氣流速傳感器傳回的數據,當室外空氣流速達到10.8m/s時自動關窗,否則繼續處理溫度傳感器傳回的數據,當室外溫度低于18攝氏度或高于25攝氏度時自動關窗,否則繼續處理空氣質量傳感器傳回的數據,當檢測到室內空氣質量高于室外空氣質量時自動關窗,否則自動開窗,每次執行開窗或關窗的命令后,會發送信號到電子設備并在10分鐘后循環上述檢測執行過程。

3.3 手動操作與自動控制之間的沖突與解決

圖5 中斷處理子程序流程圖

在窗戶的使用過程中,自動控制系統可以大大增加窗戶對于環境變化的應激性,減少人力投入與室內環境污染,但是在實際操控過程中,涉及到人為控制窗戶的關閉,在不同情況下,人們會出于不同原因做出與自動控制相反的指令操作,這也就構成了在窗戶實用的過程中自動控制與手動控制的沖突。

面對自動與手動控制的沖突,市面上現有的設計大多數沒有相應的處理措施,這也就導致了在真正使用過程中,人不能根據自己的需求控制窗戶的開關,大大降低了產品的靈活性,給客戶帶來了較差的使用體驗,為此本設計針對手動操作與自動控制的矛盾進行了進一步的設計與處理。

為了能夠實現在系統設計中窗戶既可以通過自動控制自動調控窗戶的打開或關閉,也可以通過手動操作調控窗戶的打開或關閉,本系統采用了兩種操作模式：

第一種為自動開關模式,可以根據室外溫度、室外濕度、室外風力、室內外空氣質量以及室內一氧化碳氣體自動控制窗戶的開與閉,在自動控制模式下,存在兩個按鍵分別為按鍵“自動開”和“自動關”,當按下按鍵“自動開”時,系統將執行自動控制系統,當按下按鍵“自動關”時,系統將停止執行自動控制系統。

第二種為自動控制與手動操作并行模式,便于人們的操作以及對于突發狀況等因素的處理。當處于自動控制模式時將根據所測得的數據進行處理,對于不同的環境狀況做出相適合的命令,控制窗戶的打開與關閉;當客戶需要進行手動控制時,存在兩個按鍵“手動關”和“手動開”當按下按鍵“手動關”時,窗戶將被關閉,當按下按鍵“手動開”時,窗戶將被打開,手動控制信號會在自動程序執行時形成中斷信號,程序在此會進入中斷處理子程序,在一段時間后系統將返回繼續執行自動控制的主程序。系統中斷自動控制后恢復的時間可由客戶自主設定。

圖5以10分鐘后恢復自動控制系統為例進行手動控制與自動控制相協調的進一步說明。例如,當按下按鍵“自動開”時,自動控制系統根據環境信息調控窗戶為開啟狀態,在此時按下按鍵“手動關”,窗戶將自動關閉,并停止自動控制系統的執行,并在10分鐘后繼續執行自動控制,根據當前的環境狀況做出相應的命令。

圖6 系統控制面板

上述四個按鍵,位于系統控制面板鍵盤處,方便客戶使用,如圖6。

4 總結與展望

本文針對日常生活中窗戶不能自動打開與關閉會造成的室內環境污染與財物損失的問題進行了分析,利用了多種功能的傳感器進行數據采集,配合S TM 32單片機系統進行控制,設計了一種家庭窗戶自動開關系統,實現了在各種不同情況下對于窗戶自動開關的調控,同時采取了自動控制與手動操作相結合的設計,解決了自動控制與手動操作之間的矛盾。本系統設計小巧靈便、結構簡單、可監控性強、實用性高,在自動化家具的使用不斷擴大的今天,具有較好的應用前景。由于本人知識水平和時間所限,文中仍有很多問題未能很好解決,還需進一步完善。

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