基于網(wǎng)絡(luò)的家庭智能窗戶

李志鵬 伍穎昌 葉昊宸 田艷紅 崔有為

（河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，河南 洛陽471003）

隨著居民生活水平的不斷提高，人們越來越關(guān)注生活質(zhì)量。居住在更加舒適的環(huán)境是人們對提升生活質(zhì)量的重要需求。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)近年來的不斷發(fā)展，給家居行業(yè)帶來了十分廣闊的發(fā)展空間。智能家居憑借其智能、便捷、人機交互性好，受到了越來越多人的關(guān)注。其與傳統(tǒng)家居相比，能夠更好提高居民生活質(zhì)量，市場前景光明。因此，家居智能化已逐漸成為一種趨勢。窗戶是一個家庭與外界環(huán)境相隔的屏障，對家庭的居住舒適性和安全性意義重大。所以，人們越來越追求窗戶的智能，安全，舒適，本方案基于Arduino 單片機和無線網(wǎng)絡(luò)通信，根據(jù)雨水，空氣質(zhì)量，溫濕度來自動控制窗戶開關(guān)以適應(yīng)環(huán)境變化，同時具有防盜功能，根據(jù)窗外的不明來者進行自動報警。擺脫單純的人工手動來控制窗戶的開和關(guān)，給居民帶來更加舒適，安全，便利的居家環(huán)境，更好地提升居民的生活質(zhì)量和幸福指數(shù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于Arduino 單片機的智能窗戶控制系統(tǒng)，通過監(jiān)測包括人體感應(yīng)、雨水感應(yīng)、空氣質(zhì)量、溫濕度檢測一系列傳感器數(shù)據(jù)，通過控制器，進行實時操作步進電機，蜂鳴器等，從而達到智能控制的目。另外，監(jiān)測數(shù)據(jù)會實時上傳OneNet 云端，用戶可以通過手機APP 查看，同時，用戶可以通過APP 遠程操控窗戶。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 步進電機驅(qū)動器

步進電機作為窗戶的動力來源，有較好的位置精度和運動的重復(fù)性；優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命。驅(qū)動器采用TB6600 步進電機驅(qū)動控制器，TB6600 步進電機驅(qū)動器是一款專業(yè)的兩相步進電機驅(qū)動，可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。通過S1S2S33 位撥碼開關(guān)選擇8 檔細分控制(1、2、4、8、16)，通過S4S5S63 位撥碼開關(guān)選擇6檔電流控制（0.5A，1A，1.5A，2.0A，2.5A，3.0A,3.5A,4.0A）。該驅(qū)動器具有噪音小，震動小，運行平穩(wěn)的特點，且能夠滿足使用的精度，功率。

2.2 雨水感應(yīng)傳感器

雨水感應(yīng)傳感器采用壓電式雨滴傳感器，雨水感應(yīng)傳感器檢測窗外是否下雨，用于各種天氣狀況的監(jiān)測。模塊將感應(yīng)板采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字開關(guān)量DO 輸出（低電0 和高電平1）和模擬量AO 兩種信號形式輸出，檢測到下雨時，輸出低電平及模擬量數(shù)據(jù)，輸出信號傳遞到單片機中通過單片機處理進而控制電機和同步雨量數(shù)據(jù)至云端。

2.3 空氣質(zhì)量傳感器

空氣質(zhì)量監(jiān)測采用MQ135 空氣質(zhì)量檢測傳感器，該傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當窗外空氣中存在相關(guān)污染氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。傳感器電路可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號，對硫化物、苯系蒸汽、煙霧等有害氣體具有很高的靈敏度。具備雙路信號，輸出（模擬量輸出及TTL 電平輸出），當測量濃度大于設(shè)定濃度時，輸出低電平，模擬量輸出隨濃度增加而增加，濃度越高電壓越高，因此可以監(jiān)測是否存在有害氣體且得到其濃度數(shù)據(jù)。

2.4 紅外人體感應(yīng)模塊

人體感應(yīng)傳感器采用HC—SR501 人體感應(yīng)模塊來監(jiān)測窗戶外是否有人，一旦檢測到有人處于感應(yīng)區(qū)域，HC--SR501 立刻發(fā)送信號給主控單片機，單片機根據(jù)該信號立刻做出反饋，電機啟動將窗戶鎖定，同時蜂鳴器警報響起。該傳感器起到了家庭安防警報作用。

2.5 溫濕度傳感器

智能窗戶的溫濕度檢測采用的是DHT11，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC 測溫元件，是集數(shù)字采集和溫濕度感應(yīng)識別于一體的復(fù)合傳感器，溫濕度傳感器與微控制器之間的通訊和同步采用單總線通信，將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送到主控單片機，主控單片機根據(jù)該信號來判斷是否進行開關(guān)窗戶并同步溫度數(shù)據(jù)至云端。

圖2 系統(tǒng)電路原理圖

3 程序軟件設(shè)計

圖3 主程序流程圖

圖4 移動客戶端界面

4 系統(tǒng)實驗測試

當本方案的產(chǎn)品設(shè)計并組裝完成后，即可進行系統(tǒng)實驗測試，這是產(chǎn)品研發(fā)中不可或缺的一部分，直接關(guān)系到產(chǎn)品的穩(wěn)定性與可靠性。系統(tǒng)實驗測試的過程是：產(chǎn)品接上電源后，產(chǎn)品的各個傳感器模塊、單片機控制系統(tǒng)等各個部分開始工作。我們采用控制變量法，通過改變環(huán)境中單一的特定變量，觀察相關(guān)傳感器的數(shù)據(jù)變化以及系統(tǒng)執(zhí)行的相關(guān)操作判斷工作情況。我們在空氣潔凈無外人的密閉干燥環(huán)境中進行測試：例如，讓一個人站在紅外人體感應(yīng)模塊的感應(yīng)區(qū)域內(nèi)，電機隨即啟動將窗戶鎖定，蜂鳴器同時正常工作，發(fā)出警報聲，紅外人體感應(yīng)模塊及工作正常。雨水感應(yīng)傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、溫濕度傳感器的測試：即通過比較設(shè)定的數(shù)據(jù)和檢測到的各類數(shù)據(jù)，觀察傳感器是否以相關(guān)設(shè)定正常向單片機輸出數(shù)據(jù)，電機是否能正常控制窗戶開啟或鎖定，進而判斷是否能正常工作。

通過以上測試，可以逐個準確地測試相關(guān)性能，以此保障產(chǎn)品的可靠運作，實現(xiàn)智能、可靠、安全的控制目標

5 結(jié)論

基于網(wǎng)絡(luò)的家庭智能窗戶在研制過程中充分體現(xiàn)了以人為本的設(shè)計理念。將傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)同單片機緊密地結(jié)合起來，具有一定的學(xué)科融合性。本方案以Arduino 單片機為核心，通過識別紅外人體感應(yīng)模塊、雨水感應(yīng)傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、溫濕度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，進行相應(yīng)操作處理，以此控制步進電機實行窗戶的開閉，同時緊密聯(lián)系互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過家庭WiFi 網(wǎng)絡(luò)將信息處理并傳至用戶手機，實現(xiàn)用戶“云操作”。通過控制變量法進行測試分析，能充分保證智能窗戶的使用可靠性、安全性、易操作性。基于網(wǎng)絡(luò)的家庭智能窗戶將在物聯(lián)網(wǎng)和智能家居領(lǐng)域中發(fā)揮一定的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景和應(yīng)用價值。