Arduino的智能光控窗戶設計

南京工程學院 劉一諾 張 祥

隨著電子技術的發展和人們生活水平的提高，人們對于一款智能窗戶的需求也越來越高，給用戶提供一個安全，方便，智能的環境。光照強度對于人的生活有很大的影響，因此設計一款能夠利用光照強度完成相應功能的系統是非常重要的。本設計的智能窗戶系統能夠實時監測外界的溫度，光照強度等。當外界溫度和光照強度低于某一個值或者監測到雨滴時，窗戶自動關閉，防止雨水或者冷風吹進房間；另外可設置自動關閉窗戶和自動關閉窗戶兩種模式；最后還附加了一些功能：

（1）傾角傳感器監測窗戶把手的姿態角，判斷窗戶是否被破，防止盜賊進入，并通過GSM通信模塊和蜂鳴器報警。

（2）煙霧報警器分別放置在窗戶鏡面兩側，分別監測外界的煙霧和房間內的煙霧，一旦室內著火時即刻打開窗戶，室外有煙時及時關窗防止煙霧進入家中，另外一旦判定為室內著火時，蜂鳴器立刻報警并且發送信息給家人。

1 系統設計

本設計采用光敏傳感器、雨滴傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、傾角傳感器結合Arduino單片機實現對外界光強、雨滴、溫濕度、煙霧數據的監測，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，它通過編程設定光強臨界值完成對窗戶的關閉或打開?？傮w設計框圖如圖1所示。

圖1 總體設計框圖

2 硬件設計

2.1 單片機選擇

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。它是一款8位單片機，核心是ATNEGA系列單片機，配上一些周邊器件，安裝在一款印刷電路板上，能夠獨立完成設定的功能。Arduino相比其他單片機沒有復雜的內部硬件結構，指令的可讀性強，并且它開源，軟硬件完全開放，可以在原有基礎上稍加修改就可以實現復雜的編程?；谝陨咸攸c，我們選擇Arduino作為此設計的控制核心。

2.2 光敏傳感器模塊

光敏傳感器內部有一個光電管，它精度較高，光電管內有一塊小平板，當一個反向的固定壓加在光電管兩端時，可見光照在傳感器上會導致其釋放出電子，光照強度增加時，光電管的電流也會增大，電流通過一個電阻時，電阻兩端的電壓通過數模轉換器轉換成0到5V電壓，然后將結果保存下來。光敏傳感器實質是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的器件，敏感波長在可見光波長附近。光傳感器還可以對許多非電量進行檢測，最后將這些非電量轉換為光信號的變化。光敏傳感器利用光敏電阻受光線強度影響而阻值發生變化的原理向單片機發送模擬信號。光敏傳感器主要用于檢測環境的光強進而控制窗戶的開和關。

2.3 光感式雨滴傳感器模塊

光感式雨滴傳感器上由三個光強傳感器和一個發光二極管組成。它們分別測量近光的環境光強、測量前方光線的光強、為測量雨滴的光強。一個發光二極管主要用于測量雨滴密度。如果傳感器上沒有雨滴，大部分光都折射出去，反射回來被接收的光很少；雨滴較多時，被反射回來傳感器接收的光強增加，于是傳感器輸出發生變化。當傳感器檢測結果為有雨滴時，步進電機旋轉90°完成關窗，無雨滴時，再次根據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字式，它結構簡單，外接電路簡單，一根I/O數據線既可以供電又可以傳輸數據，它廣泛用于溫度測量和控制，在溫控系統中得到廣泛應用。它的供電方式靈活，該類型的傳感器可以采用內部電路從數據線獲取電源。它系統結構更趨簡單，可靠性更高。DS18B20的測量分辨率可以設定9～12位。它具有掉電保護功能，DS18B20含有獨立的EEPROM，如果外部掉電，它仍可保存分辨率及報警溫度的設定值。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，適用于各種領域的通信，SIM800C模塊突破了WiFi模塊和藍牙模塊距離短的局限。只要有移動網絡信號覆蓋該模塊就能與控制端進行點對點數據傳輸，從而實現遠程控制，它與GSM網絡業務進行交互從而實現家里數據的傳輸，從而讓家人遠程了解家里的各項數據。

2.6 MQ-2煙霧傳感器模塊

圖2 軟件實現部分截圖

圖3 實物圖

MQ-2常用于監測氣體是否發生泄漏，能對多種氣體進行檢測，例如瓦斯等。MQ-2準確的來說是一個多種氣體探測器。MQ-2的探測范圍極其的廣泛。它靈敏度高、響應快、穩定性好、壽命長、驅動電路簡單。MQ-2這種煙霧傳感器由半導體氣敏材料構成，它工作溫度在200到300攝氏度時，二氧化錫吸收氧氣，吸附氧離子，導致半導體內部的電子密度減少，進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，從而會導致表面導電率發生變化。氣體的濃度越高，相應的導電率越高，傳感器輸出的模擬信號值就越大。煙霧報警器用于監測室內與室外的煙霧，繼而讓步進電機完成相應的關窗或開窗指令。

2.7 步進電機模塊

我們采用28BYJ46步進電機進行控制窗戶的運動，它主要將電脈沖信號轉化為角位移或線位移量信號輸出，通過單片機控制加在步進電機線圈上的電脈沖順序和脈沖頻率以及脈沖數量，從而實現步進電機的轉向、速度轉換和旋轉角度變換。步進電機一般由前后端蓋、軸承、中心軸、轉子鐵芯、定子鐵芯、定子組件、波紋墊圈、螺釘等部分構成，步進電機也叫步進器，它利用電磁學原理，將電能轉換為機械能，是由纏繞在電機定子齒槽上的線圈驅動的，通過步進電機的旋轉可以實現窗戶的關閉和開啟。

3 軟件設計（見圖2）

主要采用Arduino ide環境進行相應功能編程，主要功能如下：

（1）當光強高于某一值時，打開窗戶，當檢測到外面下雨時，立即關閉窗戶，如果一直沒用下雨，當光強低于某個值（即夜晚），關閉窗戶。

（2）當外面或者家里檢測到煙霧時，蜂鳴器報警，打開或者關閉窗戶，同時給家里人發送信息。

（3）當外部有人試圖翻越窗戶進入房間時，蜂鳴器報警，同時發送相應信息給家里人。

（4）LCD顯示屏實時顯示當時溫濕度和時間。

4 實物及總結

本設計成品模型如圖3所示，它采用光敏傳感器、雨滴傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器實現預期的功能，本設計應當今時代需要，充分將光學原理運用到實際生活中來，它能夠智能實現窗戶的關閉與開啟，同時具有防小偷，煙霧報警等功能，穩定性高，能夠有效提高社會和經濟效益，為智能時代作出一定積極貢獻。