一種低成本的多功能智能窗控制系統

閻昌國+陳少才+李青

摘 要：以單片機為核心控制器，提出了一種低成本的多功能智能窗控制系統設計新方案。系統通過光敏電阻、紅外檢測、限位開關、風雨傳感器、溫度傳感器及煙霧傳感器等設備對家居內外環境信息進行監控并作出自動開關窗的判定，實現了防強光、防干燥、防潮濕、防風、防雨、防毒、防盜等多個實用功能。仿真結果表明，該方案是正確的、可行的與有效的，具有結構簡單、功能完整、成本低、機電一體化程度高等特點，對智能家居系統開發有較強的工程導向價值。

關鍵詞：單片機；低成本；多功能；智能窗

中圖分類號：TM383 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）07-0025-03

Abstract： A new design scheme of multi-function intelligent window control system with low cost is proposed based on the single-chip microcontroller unit. The system monitors the environment information inside and outside the home by means of photosensitive resistor， infrared detection， limit switch， wind and rain sensor， temperature sensor and smoke sensor， and makes the decision of automatic switch window. The utility model realizes many practical functions， such as strong light protection， dry protection， humidity prevention， wind protection， rain protection， antivirus， theft prevention and so on. The simulation results show that the scheme is correct， feasible and effective， and has the characteristics of simple structure， complete function， low cost and high degree of electromechanical integration. It has strong engineering guidance value for the development of smart home system.

Keywords： microcontroller unit （MCU）； low cost； multifunction； smart window

隨著科學技術的快速發展與人們生活水平的逐步提高，智能家居的概念已深入人心，并正影響著人們的思維，人們在疲于應對工作之余，對安全、舒適、便利與健康的家居生活表現出了日益迫切的需求[1-3]。窗戶作為家居主體的一部分，是居室同外界進行溫度、濕度、光照及空氣交流互換的主要通道，與人們的健康密切相關[4-5]。但日前人們使用的窗戶大多是單純的推拉或平移式手動窗戶，不具備任何智能化功能。如果賦予了窗戶一定的智能功能，如下雨自動關窗、室內有害氣體超標自動開窗、盜賊從窗潛入自動報警等，這將在給人們生活帶來諸多方便的同時又能極大地降低家居意外事故的發生率，可見，這種帶有多功能的智能窗更能滿足人們。在強調人的主觀能動性、協調家居生活同自然界自適應方面有著十分重要的現實意義[6-7]。

為此，本文提出了一個以單片機為核心的智能窗控制系統制作方案，可準確地依據居室生活所處的溫度、濕度、風速、雨況、光照、盜情與毒情等環境信息的變化對窗戶的開啟或關閉狀態作出相應的自動控制。文中給出了該方案的總體架構，詳述了部分主要電路的工作原理，分析了系統多個功能的優先響應順序，最后通過搭建一個實驗仿真系統證實了該方案的正確性、可行性與有效性。

1 系統架構

智能窗是一個機電一體化程度較高的裝置，其控制系統的設計在影響裝置整體性能方面扮演著十分重要的角色。圖1示出了所提方案的控制系統總體架構框圖，該架構的控制核心為一款性價比較高的單片機AT89C52，其具備體積小、成本低、控制簡單等優點。前端多個傳感器對窗戶內外環境進行實時數據采集，通過單片機對該數據作進一步的分析處理，生成相應的信號經驅動電路去作用受控對象步進電機，從而實現窗戶的多功能智能控制。

2 主要電路設計

2.1 防毒檢測電路

MQ-2煙霧傳感器對液化氣、天然氣與煤氣都有較好的靈敏度，有較長的使用壽命與較高的穩定可靠性能，特別適用于家居氣體泄漏監測，其檢測電路如圖2所示。原理為：當前端檢測有可燃氣體時，傳感器輸出有效信號，與第一比較電路（圖中虛線框部分）設定閾值進行比較，當比較結果為大于設定值時，單片機P3.6口將獲得低電平，觸發中斷子程序，執行開窗防毒并報警，同時指示燈LED亮。

2.2 防盜檢測電路

HC-SR501是一種常用的紅外感應傳感器，有功耗小、感應不可重復觸發、可長期工作的優點，其檢測電路如圖3所示。原理為：當前端檢測到有人爬窗時，傳感器輸出有效信號，經由BIS0001構建的信號處理電路后，將使單片機P3.7口獲得低電平，觸發中斷子程序，執行關窗防盜并報警。

2.3 防雨檢測電路

雨滴檢測采用Arduino傳感器，通過搭配第二比較電路（圖中虛線框部分）來識別濕雨天氣，其檢測電路如圖4所示。原理為：當前端感應到有雨滴時，傳感器輸出有效信號，與第二比較電路預設值進行比較，當比較結果大于預設值時，單片機P0.2口獲得低電平，控制關窗防雨，指示燈LED1亮。endprint

3 軟件分析設計

考慮上述電路已代替了部分軟件功能，故軟件的設計變得相對容易，具體流程如圖5所示。為充分體現人性化設計，設置手動開關窗為最高優先級。具體的工作流程為：在開窗動作中，將毒情與高溫設置為第二優先級，當檢測到煤氣泄漏或居室溫度過高時，電機正轉開窗并報警；第三優先級為盜情，最后為強光，當檢測到光照較強，且無盜情發生時，電機正轉開窗；當有盜情發生，光照仍較強時，系統默認關窗。在關窗動作中，將盜情設置為第二優先級，當檢測到有爬窗行為時，電機反轉關窗并報警；第三優先級為毒情與高溫，其次為大風與大雨，當檢測到有大風或大雨，且無毒情或高溫發生時，電機反轉關窗；當有毒情或居室高溫，室外仍有大風或大雨時，系統默認開窗。無論電機正轉還是反轉運行，當窗戶位置檢測電路監測到窗體靠近左或右邊沿時，電機都停止運行。

4 仿真證實

為了驗證上述理論分析的正確性，在Proteus中搭建了一個簡易仿真系統[8]。考慮到仿真軟件中缺乏數據采集前端的各傳感器模塊，故在仿真時做了一些合理的處理，圖6示出了系統的仿真結果。默認值為：光照為0萬LX（勒克斯）；溫度為0℃；濕度為0%；CO濃度為0%。設定閾值為：光照為0.1萬LX；溫度為25℃；濕度為80%；CO濃度為0.01%。由圖可知，系統日前處于毒情盜情并發、溫度濕度超標、光照較強的多種惡劣環境工況下，運行結果為打開窗扇并實施報警。這表明，在除人為手動開關窗外，系統一旦觸發毒情即立馬開窗報警，與上述理論分析一致。

5 結束語

本文利用單片機+多傳感器提出了一個低成本的多功能智能窗控制系統設計方案。該方案能集電、溫、光、聲、機等技術于一體，兼顧了智能化與人性化設計，擴展性較好，結構較為完整，有較強的實用價值，可為智能家居系統研發與設計提供有意義的指導思想。

參考文獻：

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