基于Esp32單片機的智能窗戶的設計

高偉杰?聶旭?門紫薇?周濤?曹子潔

摘? 要：通過對智能窗戶模塊化的設計，進一步滿足了用戶的多樣化需求。設計包含了主控模塊、電源模塊、識別模塊、驅動模塊、Esp32無線收發模塊、報警模塊，能夠實現智能識別控制：在陰雨天氣關窗、火災報警關窗、有小孩靠近報警關窗、遠程控制窗戶等功能。它可以有效解決陰雨天上班族沒法回家關窗，家中起火時自動關窗避免火勢增大，孩子在家長不注意時靠近窗戶危險墜落等問題。必要時可通過物聯網遠程實現窗戶的開關。

關鍵詞：智能窗戶;單片機;多樣化需求;智能識別控制;遠程控制

中圖分類號：TP368? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）06-0055-04

Design of Intelligent Window Based on Esp32 Single-Chip Microcomputer

GAO Weijie， NIE Xu， MEN Ziwei， ZHOU Tao， CAO Zijie

（College of Electronic Information and Automation， Tianjin University of Science and Technology， Tianjin? 300222， China）

Abstract： Through the modular design of intelligent windows， it further meets the diversified demands of users. The design includes the main control module， power supply module， identification module， drive module， Esp32 wireless transceiver module and alarm module， which can realize intelligent identification control： closing the windows in rainy weather， closing the windows in case of fire alarm， closing the windows in case of children approaching the alarm， remote control the windows and other functions. It can effectively solve the problems that office workers cannot go home to close the windows in rainy days， automatically close the windows in case of a fire at home to avoid the increase of fire， and children dangerous fall near the windows when their parents are not paying attention. If necessary， the windows can be switched and off remotely through the Internet of Things.

Keywords： intelligent window; Single-Chip Microcomputer; diversified demand; intelligent identification control; remote control

0? 引? 言

城市上班族工作繁忙，但在生活中仍需要照顧家庭起居，如白天開窗通風透氣，照顧孩童等。為了減輕上班族的生活壓力，使家用產品更加方便化、智能化，對傳統的窗戶進行有計劃性的改進，設計一款服務于上班族的智能窗。智能窗以單片機為控制核心，可以在下雨時自動關閉窗戶;發生火災時自動關閉窗戶;有人靠近時自動關閉窗戶;人們可以通過物聯網遠程實現窗戶的開關[1]。

1? 系統工作原理

通過采集和處理雨水、火焰、人體傳感器收集到的外界信息，當下雨、發生火災、有人靠近時，會給主控模塊傳輸一個高電平信號，主控模塊再通過L298N控制直流電機來實現窗戶的開關[2]。其中檢測人體方位的識別模塊包括HC-SR501人體紅外感應模塊，當感應到人體靠近或遠離的時候，將對人體的紅外熱輻射的信號轉化為電信號，無人環境電信號維持中值，人體靠近模塊時輸出高電平，人體遠離模塊時輸出低電平，基于此，我們再使用HC-SR04超聲波測距模塊，當接收到高電平信號并且超聲波測距模塊測得距離小于安全距離（50 cm）時，關閉窗戶，并通過蜂鳴器發出警報。Esp32主控通過內置的Wi-Fi模塊實現窗戶聯網功能，客戶端可以通過物聯網遠程關閉窗戶;電源模塊為系統供電。再配合軟件系統實現智能窗的各項功能[3]。智能窗示意圖如圖1所示。

2? 硬件設計

智能窗采用模塊化設計，包括主控模塊、電源模塊、識別模塊、驅動模塊、Wi-Fi模塊、報警模塊等[4]。各模塊之間的關系如圖2所示。

2.1? 主控模塊

主控采用Esp32單片機，它是一款集成Wi-Fi功能的微控制器，擁有強大的性能，可以用來開發復雜的應用，內置32位雙核處理器，最高頻率為240 MHz。Esp32性能強大、響應速度快、功耗低等優勢，除此之外，自帶Wi-Fi和Bluetooth功能，因此本文用來實現客戶端聯網開關窗戶的功能[5]。B2E4DCE8-F4BA-4326-AEF4-D3D14658842B

2.2? 識別模塊

識別模塊由雨滴感應模塊、火焰傳感器模塊、人體傳感器模塊組成，其中雨滴和火焰傳感器可以直接采集雨水和火焰信息，Esp32接收到相關信息并處理后依據控制邏輯及時關窗并發出警報提醒用戶。人體感應傳感器包括HC-SR501人體感應傳感器和HC-SR04超聲波測距模塊，當有小孩靠近小于安全距離時，會及時關閉窗戶并發出警報[6]。

2.3? 報警模塊

報警模塊可以通過單片機連接蜂鳴器實現，蜂鳴器電路如圖3所示，用NPN三極管（S8050）驅動，其中R67電阻用于防止蜂鳴器的誤發聲。

2.4? 驅動模塊

驅動模塊由直流推桿電機和L298N驅動板組成，12 V電源給驅動板供電，驅動板5 V輸出口給主控ESP32單片機供電，該驅動板可以驅動2路直流電機，推桿電機的兩個引腳連接到L298N的OUT1、OUT2口，在使能端ENA高電平時有效。通過推桿電機的伸縮可以實現窗戶的開關功能，控制原理及推桿電機狀態如表1所示。

2.5? Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊采用Esp32的STA模式，在Arduino IDE集成開發環境下，把Esp32設置為一個站點接入路由器，同時客戶端通過手機或者電腦連接路由器，整體模式如圖4所示。

在瀏覽器登錄Esp32創建的HTTP服務器的IP地址，登錄網站后如圖5所示，客戶端可以實現開窗、關窗的功能，以及通過停止鍵控制開關窗戶的程度。

3? 軟件設計

3.1? 系統程序設計

打開總電源后，若電源指示燈呈紅色閃爍狀態，則提示用戶充電后使用;若電量充足，電源指示燈呈現綠色常亮狀態。系統初始化，Esp32模塊自動連接家庭Wi-Fi。初始化完成后，開始檢測用戶是否發出開關指令，在此期間，所有傳感器停止工作;若用戶未發出指令，但檢測到火焰信號時，執行關窗命令發出警報[7];接著通過人體感應功能來防止孩童靠近從高空墜落;最后一步再去實現下雨關窗的功能[8]。智能窗戶工作系統控制流程如圖6所示。

3.2? 人體方位識別模塊的設計

本文使用HC-SR501人體感應傳感器和HC-SR04超聲波傳感器搭配工作。當HC-SR501接收到高電平信號時，啟用超聲波傳感器測量人與窗戶口的具體距離，當距離小于安全距離（50 cm）時，關上窗戶并發出警報。實現流程如圖7所示。

3.2.1? HC-SR501人體感應傳感器

人體感應模塊是基于紅外線技術的控制產品，其特點是可重復觸發，在感應到人靠近輸出高電平后，會有一段延時，在這個時間段內如果有人在感應范圍內活動，將繼續保持高電平，直到人離開后才延時變為低電平。這項特點保證了小孩在靠近窗戶時，檢測的可靠性，同時本智能窗在三個方向上裝置了HC-SR501，在很大程度上提供了安全保障。

3.2.2? HC-SR04超聲波傳感器

基本原理：TRIG引腳負責發送超聲波脈沖串。此引腳應設置為高電平10μs，此時HC-SR04將以40 kHz發出8個周期的聲波脈沖。發出聲波爆發后，ECHO引腳將變為高電平。ECHO引腳是數據引腳用于進行距離測量。發送超聲波脈沖串后，ECHO引腳將變為高電平，它將保持高電平，直到檢測到超聲波脈沖串為止，此時它將變為低電平。

只要測出ECHO引腳從拉高到拉低的時間就可以知道距離了。

計算公式如下：

因為超聲波發送出去和回來是測量距離的兩倍，已知聲速是346 m/s（空氣溫度25 ℃）。假設測量距離為L（m），ECHO引腳從拉高到拉低的時間為T（T一般由控制器的定時器得出，單位為μs）可得方程如下：

2L=346 · T · 10-6

整理得出：

T · 173 · 10-6=L（m）

進一步得出：

L（cm）=T · 0.017 3

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0.017 2≈1/58.0

所以最終得出：

L（cm）=T/58.0

3.3? Wi-Fi聯網控制的實現

本文定義服務器端口號為80，服務器對象實例為server。在Arduino IDE環境下，用Esp32創建HTTP服務，本文采用HTTP的請求方法是GET，客戶端向服務端發送數據請求。為對驅動模塊進行網頁的按鍵控制，本文定義Windows回調函數，把客戶端請求的數值返回賦給state，進行判斷，如果state==“on”則打開窗戶，state==“off”則關閉窗戶，state==“stop”則電機停止轉動。部分代碼如圖8所示。

4? 結? 論

本文設計的智能窗戶，面向廣大的上班族，具有操作簡單、功能豐富實用等優點。上班族只需要在出門時打開電源開關，就可以在一天中，安心忙于工作，不用擔心天氣和安全隱患了。這樣一個智能化的產品是當今物聯網時代的必然產物，對于提高生活質量和安全保障方面有著極其重要的意義，必將受到社會的廣泛認可，具有廣闊的市場潛力。

參考文獻：

[1] 浦靈敏，季愛明.基于STC89C52單片機智能窗戶控制系統的設計 [J].中國科技信息，2011（10）：150-151.

[2] 王佳宇，秦磊，錢網，等.基于單片機的智能窗戶控制系統的設計 [J].物聯網技術，2018，8（5）：45-47.

[3] 楊錦輝，王開心，黃艾璇，等.基于物聯網的智能窗戶系統設計實現 [J].物聯網技術，2020，10（4）：76-79.

[4] 倪青青，周源源.基于AT89S52單片機的智能窗戶的設計 [J].科技視界，2015（18）：115-116.

[5] 胡鈺，楊應洪，劉欣，等.基于STM32智能窗戶的設計與實現 [J].機械工程與自動化，2019（2）：105-106+109.

[6] 秦嘉嶸，陳云龍.基于單片機的智能窗戶控制系統的設計與實現 [J].中國市場，2015（33）：60-61.

[7] 賀道坤，段向軍.用于環境檢測的智能窗戶裝置研究 [J].工業安全與環保，2014，40（10）：66-67.

[8] 饒斐，張廣明.基于CAN總線智能窗戶系統的設計實現 [J].微計算機信息，2007（16）：248-249+276.

作者簡介：高偉杰（2000—），男，漢族，江蘇泰州人，本科在讀，研究方向：單片機智能控制、物聯網技術。B2E4DCE8-F4BA-4326-AEF4-D3D14658842B