淺談智能窗戶系統設計的新思路

鄭路 劉輝恒 李曉梅

摘 要 本文設計的“智能窗戶系統”是窗戶和窗簾兩個部分的智能結合體。此系統以單片機為主控制器，運用傳感器技術、通信技術使窗戶窗簾成為有機結合的智能系統。此系統的主要創新點在于分為“有人在家”，“無人在家”兩種工作模式，兩種模式實現不同情況下運用不同的功能，更加人性化，營造出高效、舒適、便捷的居住環境。

關鍵詞 智能窗戶系統;傳感器技術;單片機;兩種工作模式

前言

“窗戶”給了人們向外看的機會，但在物理層面將人們隔離，既向外探求，又制造安全地帶。從古至今，出現在我們眼前的窗戶琳瑯滿目，巧奪天工。隨著智能時代、信息時代的到來，特別是現在5G時代的到來，隨著生活水平的提高，人們對智能化產品的個性化需求不斷提高。中國正在引領5G發展，世界將處于萬物互聯的時代，智能技術，通信技術，傳感器技術已經用到了生活的方方面面。因此有著幾千年歷史文化的窗戶必將在智能化的道路上給人們不一樣的體驗。智能家居系統也已經非常成熟，各種各樣的智能窗戶也被設計出來。但是現階段的智能窗戶大多還是單一的自動開關系統，遠遠不能滿足人們對個性化的需求了。本文設計的“智能窗戶系統”是窗戶和窗簾兩個部分的智能結合體。此系統以單片機為主控制器，結合各種傳感器，運用通信技術、自動化技術使窗戶窗簾成為有機結合的智能系統。相對于傳統的窗戶，窗簾，“智能窗戶系統”更能滿足人們對于生活品質的追求。在春夏秋冬的交替變化中，隨著不同的天氣變化，人們對于窗簾、窗戶。打開與閉合的需求大多是不同的;在“早中晚”一天的變化中，及時間段的不同，人們對于窗簾、窗戶打開與閉合的需求也是不一致的，以及有人在家和無人在家對窗戶的功能需求也是不同的。這也就為智能窗戶系統的研發提供了市場價值。此系統分為“有人在家”，“無人在家”兩種工作模式，兩種模式實現不同情況下運用不同的功能，更加人性化，營造出更高效、更舒適、更便捷的居住環境，讓我們一起去感受智能窗戶系統給我們帶來的舒適體驗[1]。

1基于單片機技術的智能窗戶系統設計思路

1.1 系統的總體框圖

此系統以STM32單片機為主控制器，利用單片機的GPIO、定時器，中斷，通信等功能結合光敏傳感器，濕度傳感器，溫度傳感器，雨滴檢測傳感器，PM2.5檢測等各種傳感器來智能化我們的窗戶系統。根據家里有人無人兩種情況，編寫不同的程序代碼，分為“有人在家”和“無人在家”兩種工作模式，每種模式下對應不同的功能。單片機作為主控制器通過與傳感器輸入輸出操作來檢測室內外溫濕度，空氣質量，光線強度等等指標，再與我們設置的個性化參數進行對比，最后智能控制電機來開關窗戶、窗簾，顯示器顯示需要的參數。通過無線通信技術手機可以用手機更加高效的控制我們的窗戶系統，無人在家時，火災報警，防盜報警系統也能通過手機把消息通過手機及時傳遞給我們[2]。

1.2 單片機主控模塊

此系統以STM32F407單片機作為主控制器，STM407是ST公司2011年推出基于Cortex M4內核的STM32F4系列產品。STM32的IO口非常的多，而且與其他外設模塊通常是復用的，在不同的外設中IO口的設置也是不一樣的。STM32的定時器也非常多，主要用到兩個部分：用定時器產生PWM和定時觸發ADC。還有中斷，USART串口通信等強大功能，完全可以滿足我們多傳感器，多外設的龐大智能窗戶系統[3]。

1.3 硬件電路設計思路

用STM32F407單片機主控制器，結合各種電路，制造結構簡單，反應靈敏，功耗低，實用性高的智能窗戶系統，實現窗戶的智能通風，換氣，智能改變室內光照，調節濕度，溫度。提供了更方便、快捷、舒適安全的生活環境。

（1）電源電路：窗戶是能長時間接受日曬的地方，因此可以用太陽能作為整個系統的動力來源，非常節能。符合國家清潔能源的倡導。

（2）數據檢測傳感電路：一是用DHT11數字溫濕度傳感器來檢測溫濕度，該傳感器是一款含有已交準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，數據端口采用串行數據，單總線的。二用PM2.5傳感器檢測空氣質量，也叫粉塵傳感器，可用來檢測我們周圍空氣中的粉塵濃度。三是用HC-SR501人體傳感器來制作紅外防盜電路，無人在家模式時用來防盜報警。四是用煙霧傳感器設計火災報警電路，該傳感器是用來檢測煙霧的濃度來實現火災防范的。五用雨滴檢測傳感器，用于檢測下雨及雨量的大小，根據雨滴沖擊能量的變化進行檢測。檢測到下雨及時關窗。

（3）窗驅動電路：開關窗驅動電路，用步進電機28BYJ48和ULN2003驅動板來控制窗戶的開關

（4）液晶顯示電路：用OLED顯示屏模塊來顯示工作模式的菜單以及顯示需要的參數[4]。

1.4 兩種工作模式

根據檢測家里有無人，或者手動設置工作模式，可以使系統工作在不同的模式下，不同的模式下對應不同的功能。

（1）“無人在家”功能：①家里無人通過檢測雨水，下雨時自動關閉窗，玻璃自動清洗。②外出開啟報警系統：發生火災自動報警，有人通過玻璃進入偷盜自動報警。③室外空氣質量（PM2.5，溫濕度）好的情況下，定時開窗通風換氣④手動控制：該功能是根據用戶的需求通過手機進行窗簾的開關，此功能可以使窗簾的開閉處于任何一種狀態[5];

（2）“有人在家”功能：①根據個人喜好可以用紅外遙控和手機智能控制開關窗簾與窗戶。②根據室內外光照強度變化，窗簾自動開關，甚至窗簾打開幅度可以有效控制。③顯示屏顯示室內外溫濕度對比提醒用戶外出穿衣厚薄，及是否適合通風。④時間顯示及鬧鐘系統：可以自行設置鬧鐘時間，到達指定時間后，窗戶會自動更換空氣。

1.5 系統軟件設計

STM32單片機現在都是普遍使用keil的環境下，用C語言編程。C語言是一種結構化程序設計語言，它支持當前程序設計中廣泛采用的由頂向下結構化程序設計技術。此外，C語言程序具有完善的模塊程序結構，從而為軟件開發中采用模塊化程序設計方法提供了有力的保障。而且STM32有著非常成熟的一套C語言庫函數調用起來非常方便。因此可以寫一套完整的C語言程序來控制我們的智能窗戶系統[6]。

2結束語

信息時代的大背景下，特別是現在5G時代的到來，萬物互聯的步伐更加快速前進。全面小康社會的建設，人們生活水平的不斷提高，人們對智能化的要求更高。

這種系統可以為我們營造出高效、舒適、便捷的居住環境。因為它是窗戶、窗簾兩者智能結合的產物，因此它可以牽動一大批產業。如此廣泛的應用，其前景也必將非常廣闊。智能窗戶系統是現代電子技術發展帶給人們的高科技新產物，它涉及窗戶和窗簾的智能開關，利用了傳感技術，單片機技術等，為人們的繁忙的生活減輕了負擔，提供了方便，同時也為室內的空氣質量提供了保障。有人在家和無人在家對窗戶的需求是不同的。這也就為智能窗戶系統的研發提供了市場價值。因此設計一個智能窗戶系統，有非常廣闊的應用前景和推廣前景。此項目還有很好的拓展性，比如窗戶是接受日曬最多的地方，因此完全可以采用太陽能作為此系統的動力來源。

參考文獻

[1] 趙負圖.新型傳感器集成電路應用手冊[M].北京：人民郵電出版社，2009：117.

[2] 韓磊.家居進入“智能窗時代”[J].環境與生活，2008（1）：17-19.

[3] 張毅剛.新編MSC-51單片機應用設計（第三版）[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2008：27.

[4] 李全利，遲榮強.單片機原理及接口技術[M].北京：高等教育出版社，2004：57.

[5] 馬忠梅，單片機的C語言應用程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003：61.

[6] （英）Robin Heydon.低功耗藍牙開發權威指南[M].北京：機械工業出版社，2014：79.

作者簡介

鄭路（1998-），男;現就讀學校：大連大學，學生，專業：通信工程。