智能型光伏百葉窗防盜報警裝置的設計與實現

吳帆 王志寶 施成

摘? 要： 針對目前的建筑遮陽研究狀況及市場需求，設計了一種智能型光伏百葉窗防盜報警裝置，既有智能遮陽功能、又能光伏發(fā)電并且具有防盜短信報警能力。本裝置由光伏板與遮陽葉片組成陣列，可根據外界環(huán)境氣候及一年四季太陽運行的變化而自動調整葉片角度，取得符合設計要求的遮陽效率及發(fā)電量。通過無線模塊把室內的溫度、濕度、光照度傳送至手機界面上，實時監(jiān)測室內環(huán)境情況，并可以一鍵開啟光伏百葉窗，單片機通過外接光敏電阻采集室外光強變化，也可根據雨滴傳感器采集的天氣情況，為葉片運行提供輸入信號。系統聯動的智能家庭防盜裝置可以檢測家中是否有人未經許可進入，如果發(fā)生異常情況則通過GSM模塊及時將提醒短信發(fā)送給用戶。本裝置通過實驗模擬驗證了系統設計的可行性。

關鍵詞： 光伏;智能遮陽;防盜

中圖分類號： TU17? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.006

【Abstract】： In view of the current research status and market demand of building sun shading， a kind of intelligent PV blinds anti-theft alarm device has been designed， which not only has intelligent sun shading function， but also can generate photovoltaic power， and has the ability of security short message alarm. This device consists of photovoltaic panel and sunshade blade array， which can automatically adjust the blade angle according to the environment climate and the change of the solar running of the four seasons of the year， and obtain the sun shading efficiency and the power generation quantity that meet the design requirements. Through the wireless module， the indoor temperature， humidity and light illumination are transmitted to the mobile phone interface， and the indoor environment is monitored in real time， and the photovoltaic shutters can be opened at one key. The single chip microcomputer collects the outdoor light intensity through the external photosensitive resistance， and can also provide the input letter for the blade operation according to the sky gas situation collected by the raindrop sensor. Number. The intelligent family burglar device of the system can detect whether there is an unauthorized entry in the home. If there is an abnormal situation， a reminder message is sent to the user in time through the GSM module. The feasibility of the system design is verified by experimental simulation.

【Key words】： Photovoltaic; Intelligent sunshade; Anti-theft

0? 引言

光伏發(fā)電與建筑相結合（BIPV）是光伏發(fā)電大規(guī)模推廣應用的重要發(fā)展方向，而與建筑遮陽相結合是其主要實現形式之一，對于節(jié)約建筑能耗、改善室內環(huán)境及以可再生能源替代傳統石化能源等具有重要意義[1]。對建筑遮陽的研究大多從建筑學的角度來進行，缺乏全面的、系統的具備工程指導意義的研究。一般僅以傳統的單片遮陽板為研究對象進行理論分析，對以百葉窗形式為代表的現代遮陽技術的理論分析及具體的系統設計、制造、安裝研究很少，特別是對代表遮陽發(fā)展趨勢的智能控制遮陽系統的研究更是少見，與現代建筑遮陽的發(fā)展要求有一定的差距。

針對目前的建筑遮陽研究狀況及市場需求，設計了一種智能型光伏百葉窗防盜報警裝置，既有智能遮陽功能、又能光伏發(fā)電并且具有防盜短信報警能力。本裝置由光伏板與遮陽葉片組成陣列，可根據外界環(huán)境氣候及一年四季太陽運行的變化而自動調整葉片角度，取得符合設計要求的遮陽效率及發(fā)電量。所有葉片均由單片機集中統一控制，同時每列葉片又可單獨接受手動或遙控控制。通過無線模塊把室內的溫度、濕度、光照度傳送至手機界面上，實時監(jiān)測室內環(huán)境情況，并可以一鍵開啟光伏百葉窗，單片機通過外接光敏電阻采集室外光強變化，也可根據雨滴傳感器采集的天氣情況，為葉片運行提供輸入信號。葉片由步進電機驅動，通過調節(jié)運行時間來控制葉片角度。光伏陣列所產生的電能可為電機執(zhí)行機構提供電力，并可組成獨立供電系統為其他設備供電，條件允許時可直接并入電網，同時系統聯動的智能家庭防盜裝置可以檢測家中是否有人未經許可進入，如果發(fā)生異常情況則通過GSM模塊及時將提醒短信發(fā)送給用戶[2-4]。本裝置通過實驗模擬驗證系統設計的可行性。

1? 設計方案

本裝置設計主要解決支撐結構及遮陽板（葉片）設計;電機及傳動機構設計;光伏遮陽控制系統設計;光伏發(fā)電系統設計;防盜報警系統設計等設計問題。

1.1? 光伏控制系統原理

光伏發(fā)電板是貼在百葉窗扇葉的表面的，通過在窗外設置兩個光敏電阻，比較它們接受的光照強度來確定哪個方向的光照比較強。隨后通過步進電機去調節(jié)百葉窗的傾角，使得光伏板始終接收到最大的光照強度，提高發(fā)電效率。其控制系統框圖如圖1所示。

1.2? 智能光伏百葉窗模塊

當使用自動模式時，該裝置不僅可以自動追蹤太陽光，而且可以在適當的情況下進行自動開閉。如果在打開百葉窗時，外面下雨了，這時候百葉窗就會自動感知，幫用戶自動關閉百葉窗，同時還可以在設置界面中設定最小光照強度，當兩個光敏電阻都檢測到光照強度低于設定值時也會自動幫用戶關閉百葉窗[5]。當使用手動模式時，百葉窗不再追蹤太陽光，需要通過系統中的“模式切換”按鈕先切換進手動模式，然后通過“上”“下”按鈕去調整葉片打開角度，使得用戶能夠根據自己的喜好調成最需要的角度。如圖2所示光伏百葉窗控制系統框圖。

1.3? 基于GSM防盜報警模塊

當家里無人時，可把防盜報警模塊設置為外出防盜狀態(tài)，當有人闖入時，熱釋電紅外傳感器開始工作，設置在監(jiān)測點上的紅外探頭將人體輻射的紅外光譜變換成電信號，經過信號處理電路對電信號進行濾波、放大、比較、輸出高電平作為告警信息送給單片機，經單片機處理運算后驅動執(zhí)行短信報警電路使GSM模塊，向用戶發(fā)送短信息實現遠程防盜報警功能[6-8]。基于GSM短信模塊的家庭防盜報警系統組成如圖3所示。

2? 控制系統

雖然百葉窗在千家百戶中都得到廣泛的應用，但是大多數的百葉窗都是固定在一個角度，不能夠根據實際情況進行調整，因此使用的場景十分有限，

所以研究出一個智能的百葉窗系統是很有必要的。在日常生活中，開關窗戶主要就是為了遮擋風雨。如果百葉窗能夠自動幫助用戶開閉窗戶就能真正地做到了智能。而且建筑物的立面接受太陽光照的時間是特別長的，如果能夠再引入光伏發(fā)電系統就更能夠迎合環(huán)保的要求，真正的做到節(jié)能又智能。

2.1? 主控制系統和外圍電路設計

智能百葉窗主控制系統是以STC89C52單片機為核心的，其最小系統的復位電路由電容，電阻和按鈕組成。首先將編輯好的hex燒錄到單片機的內部，然后接通單片機電源，單片機產生復位信號，完成啟動，單片機就進入初始工作狀態(tài)，按照設定執(zhí)行程序。當電路中出現干擾，死機等狀況時，可以按下復位按鈕，這樣就可以使程序從頭開始執(zhí)行。

2.2? 光線傳感電路設計

通過在設置界面設定光線的閾值，當光線低于閾值時，百葉窗就會自動關閉。同時，兩個光線傳感器感應光線的強弱，通過ADC 0832數模轉換器讀取數據，發(fā)送給核心單片機進行比較，單片機判斷出光線最強的方向，隨后控制步進電機調整百葉窗葉片的角度，使得光伏板的發(fā)電效率達到最高。

2.3? 雨水傳感電路設計

雨水傳感電路通過雨滴傳感器感知有無雨滴下落，如果沒有雨滴下落，雨滴傳感器DO輸出為高電平，如果有雨滴下落，DO輸出為低電平。當雨水干燥后，又恢復到高電平狀態(tài)。將DO口連接到單片機的引腳上，可以通過檢測引腳上電平的高低來確定是否有雨滴下落，若有雨滴下落關閉百葉窗，防止雨水打進屋內，若雨水停止后，再自動重新開啟百葉窗。

2.4? 顯示電路設計

為了實現人機友好的思想，方便用戶根據不同情況調節(jié)百葉窗。采用了LCD1602液晶顯示屏，在首頁上可以顯示出裝置所處的模式，時鐘以及光照強度。模式顯示可以方便用戶查看當前所處模式狀態(tài)，防止模式的混亂。時鐘顯示可以方便用戶即時查看時間，依據時間來設定百葉窗的開啟;光照強度顯示方便用戶了解當前光照強度，方便用戶根據光照強度設定百葉窗的開啟。在設置頁面上有時間設置和光照閾值設置選項。時間設置選項可以方便用戶調節(jié)時間，類似鐘表的時間設置。光照閾值設置選項能夠讓用戶根據自己的喜好，設定百葉窗自動關閉的閾值。

2.5? 步進電機電路設計

實現百葉窗葉片翻轉角度變化的執(zhí)行器件是步進電機，通過步進電機的正轉和反轉來實現葉片角度的改變。將步進電機與驅動芯片相連，驅動芯片又與單片機相連，接通電源后，STC89C52根據寫入的指令開始執(zhí)行，設置好什么情況下電機正轉，電機就會正轉;什么情況下電機反轉就會反轉。步進電機連接到單片機，通過給特定的I/O口拉低電平來實現步進電機的轉動。

2.6? 無線模塊設計

本項目中采用的是HLK-M35無線模塊，是海凌科電子新推出的低成本嵌入式UART-WIFI（串口-無線網）模塊。本產品是基于通用串行接口的符合網絡標準的嵌入式模塊，內置TCP/IP協議棧，能夠實現用戶串口-無線網（WIFI）之間的轉換。通過HLK-M35模塊，傳統的串口設備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過Internet 網絡傳輸自己的數據[9-10]。

2.7? 人體感應模塊電路設計

利用被動式熱釋電型紅外傳感器檢測人體輻射的紅外線，當檢測到紅外信號變化時，將其轉化為微弱的電信號，經放大電路、比較電路送至門限開關，打開門限閥門送至單片機，單片機判斷是否報警，如果滿足報警條件，就會發(fā)出控制信號，控制GSM短信模塊給用戶發(fā)短信息，實現防盜報警[11-13]。

2.8? GSM模塊電路設計

SIM900A模塊主要通過數據信號線TXD和

RXD串口與單片機進行連接，從而單片機實現對SIM900A模塊的控制。RXD數據接收信號線用于接收來自單片機的數據，TXD數據發(fā)送信號線用于向單片機發(fā)送數據[14-15]。如圖4所示GSM防盜報警裝置原理圖。

3? 智能型光伏百葉窗實物平臺搭建

3.1? 電機及傳動機構設計

本系統主要由電池板支架，轉動軸，底座，步進電機和傳動條構成，如圖5所示。機械裝置由步進電機進行驅動，可以使百葉窗葉片在垂直方向進

行90°的轉動。控制部分主要由STC89C52單片機系統構成。系統機械結構大致為在其中一塊葉片的末端安裝步進電機，然后通過傳動條將動力傳送給其他的葉片，進而所有的百葉窗葉片都能夠同時進行轉動。同時，光敏電阻被分別固定在葉片的上下兩側來檢測光線強弱。

3.2? 支撐結構及遮陽板（葉片）設計

遮陽系統安裝于室外，按水平方向布置，水平形式能夠有效地遮擋太陽高度角較小、從窗側向斜射下來的直射陽光。系統支撐結構在其中一塊光伏葉片的末端安裝步進電機，然后通過傳動條將動力傳送給其他的光伏葉片，進而所有的光伏百葉窗葉片都能夠同時進行轉動。

3.3? 光電轉換電路工作原理

光電互補電路工作原理是由光電互補裝置接收太陽光，將光信號轉換成電信號，根據所采集到的信號，由單片機分析得最終控制的步進電動旋轉與轉向來達到光伏板，使其始終是垂直于入射光線，從而達到利用光伏板的最高效率。光照強度檢測電路當光線遠離光伏板時上邊光敏電阻，則會給單片機信號使其控制驅動芯片驅動水平步進電機正轉使光伏板跟隨光線上轉。光照檢測下邊光敏電阻，遠

離光伏板時則實時傳輸給單片機信號使其控制驅動芯片驅動水平步進電機反轉使電池板跟隨光線下轉。

4? 系統軟件設計

4.1? 主程序設計

主程序設計流程圖如圖6所示。

4.2? 時鐘模塊子程序

此設計就是在用戶設定好的時間后可以使單片機接到一個中斷信號，進而發(fā)出對照的指令就可以控制百葉窗的開啟或者關閉。其流程圖如圖7所示：

4.3? 光伏模塊子程序

光伏模塊子程序其流程圖如圖8所示：

5? 操作方法

日常生活中使用智能型光伏百葉窗的流程圖如圖9所示。

（1）早上起床后用戶先按下“電源”按鈕接通百葉窗電源，然后通過按下“模式切換”按鈕切換成手動模式，手動控制百葉窗的開閉，進行適當的室內通風。

（2）外出前用戶可以再次按下“模式切換”按鈕，調節(jié)成自動模式，讓百葉窗根據光照強度自動追蹤太陽光，達到最大的發(fā)光效率。如果在外出期間下雨，智能百葉窗能夠自動檢測雨水，將百葉窗關閉。在此期間，防盜報警模塊將開啟，自動監(jiān)測是否有人闖入。

（3）下班后可以再次按下“模式切換”按鈕調節(jié)回手動模式，根據用戶的需求再進行適量的通風。

這時，防盜報警模塊也將關閉，防止因戶主的活動而產生誤判。

（4）晚上睡覺前可以先調整好需要的葉片角度，然后按下“電源”按鈕關閉百葉窗，使百葉窗固定在特定的角度，以保證室內適量的通風，并遮擋室外的城市光污染。

6? 仿真與調試

本設計部分仿真效果如圖10所示，共實現四個功能：手動控制，光敏控制，雨滴控制和定時控制

四種。用S1鍵表示雨滴傳感器，當按下S1鍵是表示雨滴傳感器上有水，這時百葉窗就會自動關閉，當傳感器上雨滴已干，這時百葉窗就會自動打開。S2鍵是自動手動模式的切換鍵，手動模式時，S4鍵表示反轉，S5鍵表示正轉。按S1鍵切換到自動模式時，光敏控制，當光線大于或小于某設定值時，百葉窗就會自動關閉;最后一個是定時模式，按設置好自動開關的時間，當到了所設置好的時間，百葉窗就會自動開關。

7? 結語

智能型光伏百葉窗防盜報警裝置的設計利用光伏技術和智能控制技術的結合，利用機械裝置不斷改變光伏板的角度，使太陽光不論時間如何變化，光伏板都能夠保持正向面對太陽，從而提高對太陽能的利用率，同時光伏板發(fā)出的電能可以并入國家電網，這樣能夠享受國家的新能源優(yōu)惠政策，而且不用幾年就可以收回購買裝置的成本。本裝置還可以與防盜設備進行組合聯動，通過加入無線模塊，通過手機端的APP進行遠程操控，這樣用戶只需要動動手指就可以實現模式的切換以及百葉窗角度的調整，因此應用前景很廣。

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