智能窗控制系統(tǒng)設(shè)計

侯盈竹

丹東市第二中學(xué)，遼寧丹東 118000

隨著科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，生活水平的不斷提高，人們對安全、舒適、健康的生活需求變得日益迫切。而近年來，智能家居概念已經(jīng)逐漸深入到國民的生活之中，且不斷地影響著人們的思維[1]。因智能家具控制系統(tǒng)布線簡單、功能靈活，擴(kuò)展容易而被人們廣泛接受和應(yīng)用。智能窗戶就是再這樣的環(huán)境下應(yīng)運而生的，具有廣闊的市場空間和應(yīng)用前景[2]。

智能窗是智能家居的一種，它結(jié)構(gòu)簡單，控制方便[3，4]。主要由機(jī)械傳動和智能控制兩大部分組成。應(yīng)用軟玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃，運用智能檢測系統(tǒng)檢測甲烷等有毒氣體，保障居家安全；運用藍(lán)牙模塊，保持手機(jī)與窗之間的通信，查詢屋內(nèi)溫濕度，控制窗戶的開關(guān)。該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 總體方案框架 （見圖1）

圖1 系統(tǒng)框圖

由于智能窗需要通過傳感器采集數(shù)據(jù)并實現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，再加上需要考慮成本、功耗及現(xiàn)實應(yīng)用等問題。整個智能控制系統(tǒng)由各種傳感器構(gòu)成的檢測單元、以微處理器為核心的中央處理單元、包括有線通訊和無線通訊的通訊單元三部分組成。系統(tǒng)中的采集終端需要采集溫濕度、可燃?xì)怏w、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，同時支持有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，能夠嵌入一個嵌入式Web服務(wù)器及相應(yīng)的協(xié)議，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)等任務(wù)，因此對數(shù)據(jù)處理能力和存儲量屬于中低端的需求。綜合考慮51內(nèi)核8位單片機(jī)、ARM系列的微處理器和Cortex-M 系列微處理器，Cortex-M3的性價比最高，設(shè)計中選用Cortex-M3系列的STM32F103VET6。

常用的無線通信方式有藍(lán)牙、ZigBee、WiFi等，綜合考慮幾種無線傳輸方式，由于無線傳輸主要用于市內(nèi)，傳輸距離短，而且傳輸速度不需要很快，因此可以考慮采用藍(lán)牙和WIFI的傳輸方式。為支持 Internet 網(wǎng)絡(luò)，采用模塊化、代碼少，便于移植到到資源有限的嵌入式硬件平臺上的TCP/IP 協(xié)議棧。

檢測單元主要通過MQ-2氣體傳感器檢測液化氣、丙烷、氫氣，DHT11濕度傳感器檢測溫濕度、風(fēng)速傳感器檢測風(fēng)速。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器的選擇

2.1.1 MQ-2氣體傳感器

MQ-2氣敏元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層，測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大，使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測很理想，使用壽命長。

2.1.2 DHT11濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度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(jī)相連接。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，供電電壓為 3～5.5V。DHT11溫濕度傳感器體積超小、功耗極低，信號傳輸距離可達(dá)20m以上。

2.1.3 風(fēng)速傳感器

選用的 LAM-H4 壓力傳感器采用應(yīng)變電橋原理，將作用在表面的微小壓力轉(zhuǎn)化為差分電壓，輸出的信號經(jīng)放大后再輸入微處理器處理，經(jīng)換算即可表示風(fēng)力等級。傳感器精度可保證測量風(fēng)速精度為0.1 m/s[3]。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

采用 42BYG250B 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)械部分的驅(qū)動裝置，經(jīng)減速后帶動葉片轉(zhuǎn)動，選擇 L298N 作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動芯片。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

中央處理單元將命令分級，最高級別為報警命令，當(dāng)室內(nèi)有危險氣體時，會強行開窗；二級命令為手機(jī)命令，手機(jī)可以遙控窗戶的開關(guān)；三級命令為自動命令，檢測屋內(nèi)溫度濕度酌情開關(guān)窗。通信單元通過藍(lán)牙模塊保持手機(jī)與窗之間的通信，可查詢屋內(nèi)溫濕度。程序流程圖見圖2，手機(jī)控制頁面截圖見圖3。

圖2 程序流程圖

圖3 手機(jī)控制頁面截圖

4 整機(jī)機(jī)構(gòu)及工作原理

如圖4所示，整個機(jī)構(gòu)由電源3供電，控制器位于控制盒14內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)10的繞線軸11與鋼絲連接，并通過兩組滑輪13與軟玻璃9相連，通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動鋼絲旋轉(zhuǎn)，從而帶動軟玻璃卷曲或伸直，完成窗戶的開關(guān)。當(dāng)檢測單元檢測到有毒氣體、溫濕度變化時，通訊單元接收反饋結(jié)果，發(fā)出關(guān)窗指令，步進(jìn)電機(jī)即時工作，通過兩組滾輪改變鋼絲方向，鋼絲與軟玻璃連接，軟玻璃受到向下的力，緩緩向下運動，限位開關(guān)15與軟玻璃最下方接觸后發(fā)出信號，步進(jìn)電機(jī)停止工作，關(guān)閉窗戶成功。當(dāng)需要打開窗戶時，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，軟玻璃受到彈簧1扭轉(zhuǎn)的力向上運動，窗戶完全打開后，玻璃受到彈簧彈力的作用保持靜止。

圖4 整體機(jī)構(gòu)簡圖

5 結(jié)語

整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。設(shè)計中應(yīng)用軟玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃，使控制起來更為方便；同時能檢測甲烷等有毒氣體，保障居家安全；應(yīng)用手機(jī)藍(lán)牙，不用手動開關(guān)窗，方便、快捷。使設(shè)計具有智能化、人性化、網(wǎng)絡(luò)化，時尚、方便、安全等特點，可有效提升人們的生活品質(zhì)。

[1] 王仲文，馬原，段瑞珍，等. 智能窗CAN總線控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2013，18（4）：20-24.

[2] 孫賓，王茂森，戴勁松，等. 基于CAN總線的家用門窗自動開關(guān)控制系統(tǒng)[J]. 四川兵工學(xué)報，2011，32（3）：82-84.

[3] 李碩，賈子慶，張明瑋. 基于多傳感器的智能窗系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程，2011，4：6-9.

[4] 宰文嬌，汪華章. 基于步進(jìn)電機(jī)的智能窗戶控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微特電機(jī)，2015，43（6）：83-86.

[5] 李勝多，張還，佟春明. 基于PLC的多功能智能窗的設(shè)計[J]. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，27（1）：84-88.

[6] 程緒長. 基于MSP430的智能窗控制系統(tǒng)的研究[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2015，21：70-72.