智能窗控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（重慶工商職業(yè)學(xué)院 重慶 401520）

1 引言

隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)生活的追求除了舒適、便捷以外，還有朝信息化、智能化發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，促使人們追求更加舒適便捷的生活，因此誕生了各式各樣的與生活相關(guān)智能化家居，智能窗控系統(tǒng)就是在這樣的背景下孕育而生。當(dāng)前智能辦公、智能教育等場(chǎng)所中采用的窗控系統(tǒng)大多為原始的手動(dòng)窗控系統(tǒng)或半自動(dòng)窗控系統(tǒng)，利用人體紅外感應(yīng)等模塊控制窗戶與窗簾，這種類型的智能窗控系統(tǒng)沒(méi)有考慮空氣的質(zhì)量，不能根據(jù)天氣是否晴朗、光照是否充足等外界環(huán)境參數(shù)變化自動(dòng)實(shí)現(xiàn)窗戶與窗簾的智能控制，其智能化程度不高，應(yīng)用上存在一定的局限性。基于此，本文設(shè)計(jì)了以STM32 單片機(jī)為核心，搭載光強(qiáng)傳感器、溫濕度傳感器、雨滴傳感器、PM2.5 傳感器以及電機(jī)等器件的智能窗控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)外界環(huán)境參數(shù)變化自動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)窗戶與窗簾的智能控制，真正實(shí)現(xiàn)窗戶與窗簾的智能化控制。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，系統(tǒng)以STM32F103 單片機(jī)最小系統(tǒng)為控制核心，主要處理各類型3 傳感器所采集的外界環(huán)境數(shù)據(jù)，并對(duì)控制窗動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊下達(dá)相應(yīng)的控制指令。傳感器模塊主要由溫濕度傳感器模塊、PM2.5 傳感器模塊、光強(qiáng)傳感器模塊、雨滴傳感器模塊等組成，用于采集室外環(huán)境中的光強(qiáng)、溫濕度、PM2.5 等各類數(shù)據(jù)，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)處理器進(jìn)行處理。電源模塊的主要功能為單片機(jī)控制模塊、傳感器模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供電源。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的功能是根據(jù)單片機(jī)控制模塊發(fā)出的指令對(duì)窗戶與窗簾進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)窗戶與窗簾的開(kāi)關(guān)。遠(yuǎn)程控制端的主要功能由WiFi等無(wú)線傳輸設(shè)備組成，可以將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)，也可以通過(guò)串口顯示。按鍵式參數(shù)輸入模塊主要功能為設(shè)置日期、時(shí)間、定時(shí)開(kāi)關(guān)，根據(jù)用戶的需求調(diào)節(jié)光強(qiáng)度、PM2.5 值、溫濕度的對(duì)比參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能窗控系統(tǒng)其硬件組成部分主要由如下4 個(gè)：

3.1 傳感器模塊

本文設(shè)計(jì)的智能窗控系統(tǒng)主要運(yùn)用的傳感器有數(shù)字光強(qiáng)傳感器模塊、數(shù)字溫濕度傳感器模塊、PM2.5 傳感器模塊、雨滴傳感器模塊這四種傳感器進(jìn)行室外環(huán)境參數(shù)檢測(cè)。各種傳感器的型號(hào)、參數(shù)、特點(diǎn)等如表1 所示。

表1 傳感器參數(shù)表

3.2 窗動(dòng)（簾動(dòng)）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)選用ULN2003 五線四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊作為智能窗控系統(tǒng)的窗動(dòng)（簾動(dòng)）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，ULN2003 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和5V 的5 線4 相步進(jìn)電機(jī)組成，利用電機(jī)模塊控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)窗戶與窗簾的開(kāi)關(guān)。

3.3 遠(yuǎn)程控制模塊

遠(yuǎn)程控制端的主要功能由WiFi 無(wú)線傳輸設(shè)備以及上位機(jī)構(gòu)成，可以將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)，通過(guò)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)窗戶與窗簾的遠(yuǎn)程控制。

3.4 電源模塊

在智能窗控系統(tǒng)中各功能模塊連接方式為并聯(lián)，各類模塊所需電壓均為U=5V，電流為各功能模塊所需電流之和，單片機(jī)最小系統(tǒng)的供電方式為USB 供電，供電電壓U=5V、電流I=500mA。在本設(shè)計(jì)中各支路所需電流如表2 所示；

表2 智能窗控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)各類功能模塊電源需求表

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文選用的KeiL uVision5 為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)不同的環(huán)境需求添加相應(yīng)的功能軟件模塊。本設(shè)計(jì)中包含了八大功能軟件模塊，分別是主程序、溫濕度采集程序、光照強(qiáng)度采集程序、雨滴傳感數(shù)據(jù)采集程序、PM2.5 傳感數(shù)據(jù)采集程序、定時(shí)功能程序、窗動(dòng)（簾動(dòng)）電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、遠(yuǎn)端控制程序等，所有的功能模塊都寫成子程序，主程序中調(diào)用相應(yīng)的子程序?qū)崿F(xiàn)具體功能，系統(tǒng)主程序如圖2 所示。

圖2 智能窗控系統(tǒng)主程序流程框圖

子程序主要獲取光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)、PM2.5 值數(shù)據(jù)、雨滴量等感應(yīng)數(shù)據(jù)，并與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷是否開(kāi)啟窗戶或窗簾。例如系統(tǒng)將采集的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)、PM2.5 值數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)、雨滴量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，當(dāng)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)達(dá)到經(jīng)過(guò)按鍵輸入的預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)會(huì)向簾動(dòng)電機(jī)發(fā)送指令，系統(tǒng)電機(jī)開(kāi)啟窗簾；當(dāng)雨滴傳感器采集到室外存在下雨天氣后，輸出高電平到單片機(jī)中，系統(tǒng)將會(huì)控制窗動(dòng)電機(jī)關(guān)閉窗戶，如果主人出門在外，出門忘記關(guān)窗或天氣突然下雨，房屋主人可以通過(guò)訪問(wèn)云平臺(tái)，通過(guò)云平臺(tái)查看窗戶的狀態(tài)，并向系統(tǒng)發(fā)送指令，關(guān)閉窗戶。雨滴傳感器控制流程圖如圖3所示，其余功能子程序與之類似。

5 系統(tǒng)測(cè)試

在本設(shè)計(jì)中，分別對(duì)智能窗控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)的調(diào)試與驗(yàn)證后，得出的結(jié)論是智能窗控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)驗(yàn)證通過(guò)，主要測(cè)試內(nèi)容如下：

（1）通電測(cè)試。檢查硬件系統(tǒng)中是否存在線路脫落和各硬件模塊是否存在端口接錯(cuò)等問(wèn)題后進(jìn)行通電測(cè)試，然后再利用萬(wàn)用表測(cè)試各測(cè)試點(diǎn)的電流、電壓，查看測(cè)試結(jié)果是否符合要求。

（2）各模塊功能測(cè)試。系統(tǒng)硬件電路沒(méi)有問(wèn)題后，對(duì)各模塊功能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)選擇單個(gè)模塊單獨(dú)測(cè)試，確認(rèn)一個(gè)模塊功能沒(méi)有問(wèn)題后再測(cè)試其他模塊功能。將光強(qiáng)傳感器遮住，使其處于無(wú)光環(huán)境中，系統(tǒng)的簾動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟窗簾；將光強(qiáng)傳感器置于強(qiáng)光照下，系統(tǒng)的簾動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)閉窗簾。將溫濕度傳感器、PM2.5 傳感器、雨滴傳感器置于不同的環(huán)境中，窗動(dòng)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟或關(guān)閉窗戶。

圖3 雨滴傳感器控制流程圖

（3）系統(tǒng)整體功能測(cè)試。各模塊功能測(cè)試無(wú)誤后進(jìn)行系統(tǒng)整體功能測(cè)試，所有的功能模塊都通上電后，將系統(tǒng)置于多種不同的環(huán)境中，模擬真實(shí)的環(huán)境，測(cè)試系統(tǒng)的整體功能是否正常。

經(jīng)多次驗(yàn)證，智能窗控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，各功能模塊運(yùn)作正常，整體設(shè)計(jì)符合要求，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步以及智能家居的發(fā)展，更加智能化、便捷化、多樣化的智能窗控系統(tǒng)將會(huì)逐漸替代現(xiàn)有的產(chǎn)品，人們的居家生活將更加舒適、方便，未來(lái)智能窗控系統(tǒng)將有著廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)范圍。只有不斷創(chuàng)新與嘗試，開(kāi)發(fā)功能更為完備、系統(tǒng)更為穩(wěn)定的、使用更為便捷、科技含量更高的人性化智能窗控系統(tǒng)將會(huì)吸引更多的消費(fèi)群體，并占據(jù)市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位。