Arduino的智能光控窗戶設(shè)計(jì)

南京工程學(xué)院 劉一諾 張 祥

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)于一款智能窗戶的需求也越來(lái)越高，給用戶提供一個(gè)安全，方便，智能的環(huán)境。光照強(qiáng)度對(duì)于人的生活有很大的影響，因此設(shè)計(jì)一款能夠利用光照強(qiáng)度完成相應(yīng)功能的系統(tǒng)是非常重要的。本設(shè)計(jì)的智能窗戶系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)外界的溫度，光照強(qiáng)度等。當(dāng)外界溫度和光照強(qiáng)度低于某一個(gè)值或者監(jiān)測(cè)到雨滴時(shí)，窗戶自動(dòng)關(guān)閉，防止雨水或者冷風(fēng)吹進(jìn)房間；另外可設(shè)置自動(dòng)關(guān)閉窗戶和自動(dòng)關(guān)閉窗戶兩種模式；最后還附加了一些功能：

（1）傾角傳感器監(jiān)測(cè)窗戶把手的姿態(tài)角，判斷窗戶是否被破，防止盜賊進(jìn)入，并通過(guò)GSM通信模塊和蜂鳴器報(bào)警。

（2）煙霧報(bào)警器分別放置在窗戶鏡面兩側(cè)，分別監(jiān)測(cè)外界的煙霧和房間內(nèi)的煙霧，一旦室內(nèi)著火時(shí)即刻打開窗戶，室外有煙時(shí)及時(shí)關(guān)窗防止煙霧進(jìn)入家中，另外一旦判定為室內(nèi)著火時(shí)，蜂鳴器立刻報(bào)警并且發(fā)送信息給家人。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用光敏傳感器、雨滴傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、傾角傳感器結(jié)合Arduino單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界光強(qiáng)、雨滴、溫濕度、煙霧數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，并且在LCD1602上顯示溫濕度等信息。其中最主要的單元是光敏傳感器，它通過(guò)編程設(shè)定光強(qiáng)臨界值完成對(duì)窗戶的關(guān)閉或打開。總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)選擇

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)。它是一款8位單片機(jī)，核心是ATNEGA系列單片機(jī)，配上一些周邊器件，安裝在一款印刷電路板上，能夠獨(dú)立完成設(shè)定的功能。Arduino相比其他單片機(jī)沒有復(fù)雜的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)，指令的可讀性強(qiáng)，并且它開源，軟硬件完全開放，可以在原有基礎(chǔ)上稍加修改就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的編程。基于以上特點(diǎn)，我們選擇Arduino作為此設(shè)計(jì)的控制核心。

2.2 光敏傳感器模塊

光敏傳感器內(nèi)部有一個(gè)光電管，它精度較高，光電管內(nèi)有一塊小平板，當(dāng)一個(gè)反向的固定壓加在光電管兩端時(shí)，可見光照在傳感器上會(huì)導(dǎo)致其釋放出電子，光照強(qiáng)度增加時(shí)，光電管的電流也會(huì)增大，電流通過(guò)一個(gè)電阻時(shí)，電阻兩端的電壓通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成0到5V電壓，然后將結(jié)果保存下來(lái)。光敏傳感器實(shí)質(zhì)是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，敏感波長(zhǎng)在可見光波長(zhǎng)附近。光傳感器還可以對(duì)許多非電量進(jìn)行檢測(cè)，最后將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化。光敏傳感器利用光敏電阻受光線強(qiáng)度影響而阻值發(fā)生變化的原理向單片機(jī)發(fā)送模擬信號(hào)。光敏傳感器主要用于檢測(cè)環(huán)境的光強(qiáng)進(jìn)而控制窗戶的開和關(guān)。

2.3 光感式雨滴傳感器模塊

光感式雨滴傳感器上由三個(gè)光強(qiáng)傳感器和一個(gè)發(fā)光二極管組成。它們分別測(cè)量近光的環(huán)境光強(qiáng)、測(cè)量前方光線的光強(qiáng)、為測(cè)量雨滴的光強(qiáng)。一個(gè)發(fā)光二極管主要用于測(cè)量雨滴密度。如果傳感器上沒有雨滴，大部分光都折射出去，反射回來(lái)被接收的光很少；雨滴較多時(shí)，被反射回來(lái)傳感器接收的光強(qiáng)增加，于是傳感器輸出發(fā)生變化。當(dāng)傳感器檢測(cè)結(jié)果為有雨滴時(shí)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)90°完成關(guān)窗，無(wú)雨滴時(shí)，再次根據(jù)其他條件判斷是否打開窗戶。

2.4 DS18B20溫度傳感器

DS18B20溫度傳感器采用單總線數(shù)字式，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外接電路簡(jiǎn)單，一根I/O數(shù)據(jù)線既可以供電又可以傳輸數(shù)據(jù)，它廣泛用于溫度測(cè)量和控制，在溫控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。它的供電方式靈活，該類型的傳感器可以采用內(nèi)部電路從數(shù)據(jù)線獲取電源。它系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。DS18B20的測(cè)量分辨率可以設(shè)定9～12位。它具有掉電保護(hù)功能，DS18B20含有獨(dú)立的EEPROM，如果外部掉電，它仍可保存分辨率及報(bào)警溫度的設(shè)定值。用戶將溫度傳感器放置在窗戶外面就能感知外界溫度。

2.5 ATK-SIM800C通信模塊

ATK-SIM800C是一款高性能通信模塊，它功能完善，適用于各種領(lǐng)域的通信，SIM800C模塊突破了WiFi模塊和藍(lán)牙模塊距離短的局限。只要有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋該模塊就能與控制端進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，它與GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互從而實(shí)現(xiàn)家里數(shù)據(jù)的傳輸，從而讓家人遠(yuǎn)程了解家里的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

2.6 MQ-2煙霧傳感器模塊

圖2 軟件實(shí)現(xiàn)部分截圖

圖3 實(shí)物圖

MQ-2常用于監(jiān)測(cè)氣體是否發(fā)生泄漏，能對(duì)多種氣體進(jìn)行檢測(cè)，例如瓦斯等。MQ-2準(zhǔn)確的來(lái)說(shuō)是一個(gè)多種氣體探測(cè)器。MQ-2的探測(cè)范圍極其的廣泛。它靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。MQ-2這種煙霧傳感器由半導(dǎo)體氣敏材料構(gòu)成，它工作溫度在200到300攝氏度時(shí)，二氧化錫吸收氧氣，吸附氧離子，導(dǎo)致半導(dǎo)體內(nèi)部的電子密度減少，進(jìn)一步使傳感器的電阻增大。傳感器與氣體接觸，如果煙霧濃度變化，從而會(huì)導(dǎo)致表面導(dǎo)電率發(fā)生變化。氣體的濃度越高，相應(yīng)的導(dǎo)電率越高，傳感器輸出的模擬信號(hào)值就越大。煙霧報(bào)警器用于監(jiān)測(cè)室內(nèi)與室外的煙霧，繼而讓步進(jìn)電機(jī)完成相應(yīng)的關(guān)窗或開窗指令。

2.7 步進(jìn)電機(jī)模塊

我們采用28BYJ46步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制窗戶的運(yùn)動(dòng)，它主要將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或線位移量信號(hào)輸出，通過(guò)單片機(jī)控制加在步進(jìn)電機(jī)線圈上的電脈沖順序和脈沖頻率以及脈沖數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、速度轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)角度變換。步進(jìn)電機(jī)一般由前后端蓋、軸承、中心軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、定子鐵芯、定子組件、波紋墊圈、螺釘?shù)炔糠謽?gòu)成，步進(jìn)電機(jī)也叫步進(jìn)器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，是由纏繞在電機(jī)定子齒槽上的線圈驅(qū)動(dòng)的，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)窗戶的關(guān)閉和開啟。

3 軟件設(shè)計(jì)（見圖2）

主要采用Arduino ide環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)功能編程，主要功能如下：

（1）當(dāng)光強(qiáng)高于某一值時(shí)，打開窗戶，當(dāng)檢測(cè)到外面下雨時(shí)，立即關(guān)閉窗戶，如果一直沒用下雨，當(dāng)光強(qiáng)低于某個(gè)值（即夜晚），關(guān)閉窗戶。

（2）當(dāng)外面或者家里檢測(cè)到煙霧時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，打開或者關(guān)閉窗戶，同時(shí)給家里人發(fā)送信息。

（3）當(dāng)外部有人試圖翻越窗戶進(jìn)入房間時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)發(fā)送相應(yīng)信息給家里人。

（4）LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)時(shí)溫濕度和時(shí)間。

4 實(shí)物及總結(jié)

本設(shè)計(jì)成品模型如圖3所示，它采用光敏傳感器、雨滴傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，本設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)今時(shí)代需要，充分將光學(xué)原理運(yùn)用到實(shí)際生活中來(lái)，它能夠智能實(shí)現(xiàn)窗戶的關(guān)閉與開啟，同時(shí)具有防小偷，煙霧報(bào)警等功能，穩(wěn)定性高，能夠有效提高社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，為智能時(shí)代作出一定積極貢獻(xiàn)。