基于Arduino的全自動環境監測智能窗戶開關裝置

張躍 虎龍

[摘? ? 要]文章提出了一種基于Arduino控制的智能一體化窗戶開關裝置設計方案，它通過藍牙模塊與煙塵、溫濕度、雨水等傳感器相連接，對環境變化實時監測實現對窗戶的自動控制，并實現數據共享。

[關鍵詞]Arduino;智能;藍牙;傳感器

[中圖分類號]TQ051.85 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–00–02

Intelligent Window Switch Device for Automatic Environmental

Monitoring Based on Arduino

Zhang Yue，Hu long

[Abstract]This paper presents a design scheme of intelligent integrated window based on Arduino control， which is connected with smoke， temperature， humidity， rain and other sensors through Bluetooth module to monitor the environmental changes in real time， realize the automatic control of doors and windows， and realize data sharing.

[Keywords]tarduino; intelligence; bluetooth; sensor

隨著社會的快速發展，環境問題已經日趨嚴峻，人們的生命健康容易受到室外粉塵、PM2.5、霧霾等空氣污染物的威脅。

然而，目前絕大多數門窗是通過人體的感知能力，并作出相應的判斷，然后控制手臂來實現對窗戶的開關動作。人工控制窗戶一方面無法對室外環境做出實時的準確的判斷，造成與期望值有較大的偏差，另一方面對安裝在高處的窗戶的高空操作難以保證人身安全。現代社會講究高質量生活，健康養生問題越來越受到重視，因此自動監測環境質量的自動控制窗戶開關系統有著廣闊的應用前景。

為此，提出了基于Arduino利用煙塵傳感器、驅動電機控制的自動窗戶開關裝置，另外還增加了溫度濕度傳感器、雨水傳感器及藍牙模塊，實現對雨水煙塵溫濕度的有效監測并對窗戶進行有效控制。

1 裝置整體方案

整個裝置所需要的技術和設備包括：窗戶框架、藍牙控制模塊、主控板、電機、煙塵傳感器、雨水傳感器、溫度濕度傳感器，需要使用的技術包括無線控制技術、組態設計技術。該裝置的系統結構如圖1所示[1]。

2 主要結構

2.1 機械結構

該裝置機械結構由智能窗及智能窗下方的用于控制智能窗自動開關的控制系統組成。智能窗包括固定在墻體上的框架、設置在框架外部的與框架鉸接的窗體、設置在框架下端的用于驅動窗體開關的多個伸縮氣缸，如圖2所示。

該窗體結構特征：①框架用于安裝窗體的一側面為內凹面，且其內設置有鐵柱，鐵柱的數量與伸縮氣缸的數量一致。②窗體朝向框架的上側設置有第一鉸接座，鉸接座上鉸接有用于推拉窗架的活動桿。③伸縮氣缸的頂端設置有用于鉸接活動桿的第二鉸接座，所述鉸接座套在鐵柱上，且與鐵柱間隙配合。④控制系統包括用于感應風雨的雨水模塊、與雨水模塊連接的用于處理雨水感應信號的信號處理器，與信號處理器連接的用于轉換雨水感應信號的信號轉換器[2]，與信號轉換器連接的用于做出最終指令的智能家居系統，及與信號轉換器連接的用于控制伸縮氣缸開關智能窗的Arduino控制模塊等。

2.2 煙塵傳感器

空氣進入了煙塵傳感器留有的開口中，在這個時候發光二極管會產生間歇性的紅外光用來監測有無煙塵。在空氣中存在煙霧的情況下，紅外光照射到光敏元件上，煙霧濃度感應器判定煙霧存在電路隨即開始工作[3];空氣中沒有煙霧的情況下，紅外光照射不到光敏元件，電機無法轉動。

2.3 溫度濕度傳感器

溫度濕度傳感器就是模擬量加數字化的集成，將環境中的各種相對溫度和相對濕度轉換成為了與之相對應的模擬信號，采用數字集成傳感器做探頭，比如0～5 V、0～10 V，或者4～20 mA。而溫度濕度一體化的傳感器將兩種不同傳感器集合，同時轉化兩種信號，做到兩種信號的接收與傳遞。是直接把各種標準化的模擬信號和儀器連接[4]。在工業生產過程當中，模擬量有多種傳輸方式，0～5 V、0～10 V或者4～20 mA是最典型的幾種，比如4～20 mA的信號轉換：量程為-80 ～+80 ℃，4～20 mA輸出，當輸出的信號為15 mA的時候，計算此時的溫度值。因為當前儀器的量程跨度為160 ℃用15 mA電流信號來輸出，10.67 ℃/mA，

即電流1 mA溫度變化10.67 ℃;測量值15 mA-4 mA=11 mA，11 mA×10.67 ℃=117.37 ℃，117.37 ℃+（-80 ℃）=37.37 ℃，即當前環境溫度為37.37 ℃。

2.4 雨水傳感器

雨水傳感器主要是用來檢測是否下雨，傳感器包含感應墊與模塊兩個組件，見圖3。

（1）感應墊包含外露銅跡線，通常放在屋頂等露天處。當空氣的雨水降落到感應墊上時，感應墊隨即產生電子介質，在環境中發生反向電流，因此傳感器的電阻與下雨量成反比，雨水越多則電阻越低，相反，雨水越少，其電阻值越高。傳感器通過輸出電阻的大小控制電壓，然后產生電信號，實現對雨量的感應;

（2）模塊與Arduino相連接，并且根據感應墊所給出的電阻產生輸出電壓，并在模擬輸出端（AO）用引腳輸出。相同的信號被饋送到LM393高精度比較器以對其進行數字化，并在數字輸出（DO）引腳處可用。

3 藍牙控制接線

連接方法如圖4所示：VCC：接Arduino的5 V。GND：接Arduino的GND。TXD：接Arduino的RX。RXD：接Arduino的TX[5]。

4 手機藍牙連接設置

智能手機與藍牙模塊連接后，通過智能手機上鍵盤輸入數字，這里設置的是“0”和“1”來控制窗戶的關閉和開啟，實物硬件會根據輸入的指令做出相應的變化，以達到智能開關的效果，如圖5、圖6所示。

5 總結

智能窗戶以其系統可靠的特點為人們提高生活品質的同時，也優化了人們的生活方式，幫助人們有效地安排時間，增強了家居生活的便利性。但也只能在有限的距離中控制，后續該設計會進一步利用wifi控制，增加自由度以便更好地完成控制工作。

參考文獻

[1] 姜衍等.一種智能開關窗戶[P].CN108457554A，2018.

[2] 劉意，楊金林，時啟兵，等.一種基于Arduino控制的智能越障小車[P].CN211123759U，2020.

[3] 聶茹.基于Android手機藍牙控制的智能小車設計與實現[J].微型電腦應用，2015，31（9）：68-69.

[4] 陳希陽.互聯網+智慧用能綜合能源服務平臺的構建[J].科技資訊，2018，16（14）：31，33.

[5] 金軍，嚴飄萍.嘉興綜合能源服務平臺的研究與設計[J].中國高新區，2019（13）：265-266.