基于STM32的智能窗口控制系統設計

王洋 阮瑩

摘 要：本文以STM32單片機為核心，設計了一套智能窗口控制系統。該系統通過對室內外溫度、濕度、光照度，室外雨量、風速，室內人體等環境因素進行實時監測，并根據設定的相關參數標準值，智能進行窗簾與窗戶的開閉。并使用WIFI無線通信，融入手機APP控制，通過手機APP可實現各種信息展示、參數設定、控制指令下發、異常信息提示、歷史數據分析等功能，可實現家居窗口的智能化，為人們提供一個舒適、有樂趣的居住環境。

關鍵詞：STM32;智能家居;智能窗口;控制系統

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

0 引言

隨著現代自動控制技術的不斷發展，人們的生活在不斷地向自動化、信息化、智能化發展，萬物互聯不再是夢想，智能家居是在互聯網技術影響下的萬物互聯的具體體現。智能家居可將各種家用電器通過互聯網進行互聯，并將原本手動操作的裝置進行自動化改造，一起通過互聯網并入到智能物聯網中。

窗口作為室內與室外溝通的橋梁，是調節室內空氣質量、溫度、濕度、光照度等環境要素的重要裝置，因此對其進行自動化、智能化改造，融入互聯網、物聯網中[1]，對提高人們生活便利性、增加生活樂趣、拉動消費增長具有一定的意義。

1 控制系統設計方案

如圖1所示，以單片機為控制核心，通過對溫度、濕度、光照度、人體、雨量、風速等參數的實時監測，實現窗簾、窗戶的智能開閉[2]。并加入WIFI無線通信功能，通過手機即可實現該系統相關參數的設置和相關信息的獲取，使系統更加智能化、個性化，增加人機互動樂趣。

2 控制系統硬件選型

控制系統硬件由單片機、溫濕度傳感器、光照度傳感器、雨量傳感器、風速傳感器、人體傳感器、WIFI無線通信、電機控制與限位等模塊組成[3]。

2.1 單片機選型

該系統采用嵌入式單片機，制成集成電路板，較PLC可大大節省空間，增加控制的靈活性。單片機常用的有基本的51單片機和高性能的ARM系列單片機。51系列通常是8位單片機，價格低廉，但存在集成度較低、A/D等功能需要擴展，晶振頻率<24 MHz、處理速度較慢，芯片保護能力差、易燒毀等缺點。ARM系列是高性能單片機，如STM32系列，32位Cortex-M3內核、集成十多路A/D檢測、晶振頻率通常為72MHz、有多達11個定時器，處理速度快、功能強大。

選用工業應用廣泛的STM32F103ZET6單片機，LQFP封裝100引腳，滿足該控制系統功能需求和處理速度要求，且獲取渠道多、成本較低。

2.2 溫濕度傳感器模塊選型

室內、室外皆需溫度傳感器和濕度傳感器采集對應溫度和濕度信號，如圖2所示，選用集成溫度和濕度檢測功能的DHT22溫濕度傳感器模塊，濕度測量范圍：0%～100% RH，精度±2% TH;溫度測量范圍：-40℃～+80℃，精度±0.5℃。該模塊可采用DC3.3 V供電，單線串行接口，該模塊為3線接口：3.3 V＼GND＼DATA。

2.3 光照度傳感器模塊選型

室內、室外皆需該傳感器，光照度的檢測不需特定方向，因此檢測元件不采用光敏二極管。如圖2所示，選用5 GM55系列光敏電阻組成的光照度傳感器模塊，使用環境溫度：-30℃～+70℃，響應時間20 ms～30 ms。該模塊可采用DC3.3V供電，有1個模擬量輸出接口和1個數字量輸出接口，該模塊為4線接口：3.3 V＼GND＼AOUT＼DOUT，該系統不使用其數字量輸出接口DOUT。

2.4 雨量傳感器模塊選型

室外需要此模塊，如圖2所示，采用由LM393比較器模塊和雨量采集板組成的雨量傳感器模塊，該模塊可采用DC3.3 V供電，有1個模擬量輸出接口和1個數字量輸出接口，該模塊為4線接口：3.3 V＼GND＼AOUT＼DOUT，該系統不使用其數字量輸出接口DOUT。

2.5 風速傳感器模塊選型

室外需要此模塊，如圖3所示，選用三杯模擬量風速變送器，使用環境溫度：-30℃～+80℃，環境濕度0%～100%RH，風速測量范圍0 m/s～30 m/s，測量精度±1 m/s，波特率2400/4800/9600。DC12 V供電，信號輸出端口為0 V～5 V模擬量，該模塊為3線接口：12 V＼GND＼AOUT。

2.6 人體傳感器模塊選型

室內需要此模塊，如圖3所示，選用SR602人體紅外感應模塊，感應距離為0 m～5 m，DC3.3 V供電，信號輸出端口為數字量接口，該模塊為3線接口：3.3 V＼GND＼DOUT。

2.7 WIFI模塊選型

家居類控制系統通信通常采用WIFI，借助家庭路由器搭建通信網絡較為方便[4]，與手機、電腦等設備兼容性好。如圖3所示，選用正點原子的ATK-ESP8266 WIFI模塊，支持STA/AP/STA+AP三種模式，本系統使用STA模式：WIFI模塊通過路由器連接互聯網，手機通過互聯網實現對設備的遠程控制和信息傳輸。該模塊可采用DC3.3V供電，有1對串行通信接口和2個數字量輸入接口，該模塊為6線接口：3.3 V＼GND＼TXD＼RXD＼RST＼IO0，其中TXD/RXD為串行通信接口，RST為復位接口，IO0可選擇運行模式或燒寫模式。

2.8 電機控制與限位

2.8.1 單相AC220 V電機

家電都是采用單相AC220 V供電，因此窗簾驅動電機和窗戶驅動電機可選用單相AC220 V電機，且價格較低廉，具體型號需根據現場情況確定。單相交流電機的正反轉接線如圖4所示，由兩個繼電器K1和K2控制實現（K1和K2不可同時閉合）。

2.8.2 開關到位行程開關

因窗簾驅動電機和窗戶驅動電機為開環控制，因此在窗簾打開和關閉的兩端、窗戶打開和關閉的兩端，共設置4個行程開關，用于識別窗簾和窗戶是否開關到位，且能防止電機過流。

3 核心電路板原理圖設計

核心電路板實現對各模塊供電、各傳感器信號收集、各行程開關信號收集、各電機正反轉控制等功能，原理圖如圖5所示。

3.1 供電模塊及接口

控制系統供電采用AC220 V輸入、DC 5V&12 V輸出的開關電源。為核心電路板提供DC5 V和DC12 V，DC5 V經過變壓與穩壓模塊后，給系統提供穩定的DC5 V和DC3.3 V控制電源。

3.2 數字量輸入模塊及接口

1個人體傳感器模塊、2個溫濕度傳感器模塊的信號輸出采用數字量接口，直接與單片機接口進行連接。

4個行程開關采用DC12 V供電，因此行程開關到單片機的信號需要先經過光耦TLP521進行隔離轉換，轉換為3.3 V信號后再輸入單片機接口。

3.3 模擬量輸入模塊及接口

2個光照度傳感器模塊、1個雨量傳感器模塊、1個風速傳感器模塊的信號輸出采用模擬量接口，需經過分壓、LM358放大器后，分別輸入單片機不同的A/D接口。

3.4 繼電器模塊及接口

采用DC12 V線圈繼電器，每個繼電器使用兩個常開觸點，控制一個電機的一個轉動方向，因此一個電機的正反轉需要兩個繼電器模塊，且此兩個繼電器不可同時閉合。窗簾驅動電機和窗戶驅動電機共需4個繼電器模塊。

4 控制系統軟件設計

該系統的控制方式有兩種：智能控制模式和人工控制模式，人工設定相關參數后即可實現智能控制[5]，同時人工控制具有更高的優先級。人機互動通過手機APP實現。

4.1 智能控制模式

通過手機端APP界面設定人體舒適溫度值和濕度值、打開窗簾光照度值和關閉窗簾光照度值、早晨開窗時間、晚上關窗時間、雨量、風速、開窗時間等參數。

如圖6所示，系統不斷檢測實時的室內室外溫度、濕度、室內室外光照度、人體檢測、雨量、風速等參數，如遇到雨量或風速大于設定值，則自動關窗。否則按照設定的室內室外溫度、濕度、室內室外光照度和早晨開窗時間、晚上關窗時間進行判斷是否進行開關窗動作。

冬天和夏天因為室內外溫差較大，換氣不需要開太大的窗口，因此冬夏開較小的窗口即可，春天和秋天窗口可以開的大些。且窗口開的程度不需太精確，窗簾驅動電機和窗戶驅動電機沒有采用成本較高的伺服電機，而是通過控制繼電器閉合時間的長短來實現的。窗簾和窗戶開閉到位的狀態和電機的保護是依靠檢測行程開關的狀態實現的。

4.2 人工控制模式

除了系統智能運行參數的設定，人工可隨時通過手機APP獲取各傳感器實時信息、異常提示信息，還可手動控制窗簾、窗戶的開閉，且人工模式優先級高于智能模式[6]。

4.3 手機端APP

手機端APP需具備與控制系統進行WIFI通信的功能，實時獲取并展示系統各模塊狀態信息，并可下發參數、控制指令，展示異常提示信息;具備數據存儲和分析功能，對系統各模塊獲取的實時信息進行存儲，并可查詢和分析歷史信息。

5 結論

本文以STM32F103ZET6單片機為控制核心，采用WIFI無線通信方式，依托手機APP平臺，設計了一套智能窗口控制系統。對室內外溫度、濕度、光照度，室外雨量、風速，室內人體等環境因素進行實時監測，并根據手機設定的相關參數標準值，智能進行窗簾與窗戶的開閉。還可通過手機APP實現各種信息展示、控制指令下發、異常信息提示、歷史數據分析等功能，實現了家居窗口的智能化控制，可提高人們的生活便利性、增加人們的生活樂趣。

參考文獻：

[1]鄧圓，李佳佳，何秋元.基于STC89C52的智能窗戶設計[J].電腦知識與技術，2020，16（13）：206-207.

[2]李小敏，張翠玲，趙艷麗.一種基于STC12C5A60S2的智能窗戶系統設計[J].物聯網技術，2020，10（05）：70-72.

[3]吳哲，劉星雨，黃建行，等.基于多傳感器融合的智能窗設計與實現[J].電工技術，2019，40（12）：19-21.

[4]王盟.基于ZigBee通信技術在智能家居中的應用[J].長春大學學報，2019，29（02）：1-5.

[5]陳傳軍，王瑞東，廖偉豪，等.全自動化智能窗戶智能控制系統設計[J].科技經濟導刊，2019，29（12）：51+55.

[6]王健，王一凡.基于STM32的空調與窗戶聯動自動控制系統設計[J].電子設計工程，2019，27（03）：115-118.