楊雪松，黃 宏

（西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124）

基于Wifi控制的多功能高空窗設(shè)計(jì)＊

楊雪松，黃 宏

（西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124）

本文提出了一種基于Wifi控制的多功能高空窗設(shè)計(jì)方案。該方案采用AT89S52單片機(jī)作為主控，手機(jī)APP借助Wifi可進(jìn)行終端控制高空窗實(shí)現(xiàn)其功能。該高空窗基于多種傳感器實(shí)現(xiàn)可感光式自動(dòng)窗簾、自動(dòng)清洗、濕度檢測(cè)等功能。最后對(duì)其測(cè)試進(jìn)行了討論，證明了該方案的可行性。

高空窗；Wifi；傳感器

1 概述

智能高空窗系統(tǒng)是由環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，安全報(bào)警系統(tǒng)[1]，雨刷清洗系統(tǒng)，硬件主控系統(tǒng)，信號(hào)傳輸功能，手機(jī)控制系統(tǒng)等具有相關(guān)輔助功能的裝置構(gòu)成。戶內(nèi)外環(huán)境中的光、熱、光等物理量，通過(guò)相關(guān)的傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)Wifi模塊傳輸，由手機(jī)接收經(jīng)過(guò)APP智能處理運(yùn)算和人為操控，從而可以實(shí)現(xiàn)高空窗定時(shí)清洗、防盜報(bào)警、自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗簾、自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗。智能高空窗能夠根據(jù)環(huán)境中溫度、光照、濕度、風(fēng)速自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗和窗簾，自動(dòng)或手動(dòng)控制進(jìn)行清洗玻璃，監(jiān)測(cè)是否有人通過(guò)窗戶。這些功能的實(shí)現(xiàn)可以減輕人們的家務(wù)量并提高了家庭安全。

現(xiàn)在市場(chǎng)上的產(chǎn)品多是沒(méi)有設(shè)計(jì)任何輔助功能的高空窗，或者是只有單一簡(jiǎn)單功能的智能化高空窗。此類高空窗功能單一，價(jià)格高昂且安全系數(shù)低，并且隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)已經(jīng)不再具有任何優(yōu)勢(shì)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

智能高空窗項(xiàng)目是以步進(jìn)電機(jī)電機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)控制窗戶、窗簾的開(kāi)關(guān)和以水泵引水清洗玻璃為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)AT89S52單片機(jī)為核心的處理模塊對(duì)各個(gè)傳感模塊的輸入量分析，得到外界環(huán)境情況，繼而通過(guò)Wifi模塊把信息傳給手機(jī)APP,由手機(jī)端發(fā)出相關(guān)指令給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)輸出PWM波控制控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和繼電器的開(kāi)關(guān)，達(dá)到關(guān)閉窗戶、窗簾和驅(qū)動(dòng)雨刷清洗玻璃的功能。整個(gè)系統(tǒng)分為用戶模式與智能模式。用戶模式下，通過(guò)手機(jī)APP可以遠(yuǎn)程控制窗戶和窗簾的開(kāi)關(guān)，而在智能模式下，窗戶智能的通過(guò)外界環(huán)境量來(lái)判斷?？紤]到安全和一些特殊情況的原因，用戶模式的權(quán)限要大于智能模式，這樣可以防止用戶控制與傳感模塊同時(shí)控制時(shí)出現(xiàn)的窗戶的不穩(wěn)定、在長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有使用用戶模式時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換至智能模式。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體原理圖

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 主控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該結(jié)構(gòu)以單片機(jī)主控板AT89S52為主控芯片，主要功能有I/O端口，邏輯處理判斷，外部電路驅(qū)動(dòng)及A/D采樣，是前端采集應(yīng)答智能化的集中體現(xiàn)。各路傳感器和電機(jī)繼電器都直接與單片機(jī)連接，且供電線都與單片機(jī)VCC和GND引腳相連以提供5V工作電壓，信號(hào)端與單片機(jī)的可編程輸入/輸出引腳相連接。除了實(shí)現(xiàn)對(duì)外部電路的控制和信息處理，還實(shí)現(xiàn)著與手機(jī)軟件的信息交互，如圖1所示。

圖2 主控結(jié)構(gòu)局部連接電路圖

3.1.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了監(jiān)測(cè)室內(nèi)外環(huán)境因素的變化，使用了光敏傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、人體紅外傳感器[2]。這些傳感器直接連接在單片機(jī)上，電源接在單片機(jī)VCC和GND引腳。可直接把數(shù)據(jù)傳給主控芯片。

情景設(shè)計(jì)如下：當(dāng)外界刮大風(fēng)，風(fēng)速傳感器檢測(cè)到大風(fēng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)將信號(hào)傳送給單片機(jī)；當(dāng)室內(nèi)可燃性氣體、煙霧等超過(guò)一定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，煙霧傳感器會(huì)檢測(cè)到空氣中的煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后傳給單片機(jī)；當(dāng)窗戶外有人駐留時(shí)，阻斷了紅外線探測(cè)器的發(fā)射接收通路傳給單片機(jī)的電位發(fā)生變化。

3.1.3 窗體結(jié)構(gòu)

窗體采用常見(jiàn)的下懸式結(jié)構(gòu)，窗戶開(kāi)起方式由自動(dòng)與手動(dòng)開(kāi)啟相結(jié)合，動(dòng)力由20kg扭力電機(jī)提供，由36v鋰電池組提供電能。這在很大程度上對(duì)人們開(kāi)關(guān)窗提供了方便，尤其是遠(yuǎn)程操作可以合、關(guān)閉窗戶，且具有很高的安全性。

3.1.4 輔助機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)自動(dòng)雨刷裝置:繼電器工作接通電源，電機(jī)進(jìn)行工作，帶動(dòng)雨刷從窗體邊緣運(yùn)行，至另一邊緣自動(dòng)停止，然后電機(jī)帶動(dòng)雨刷做往返運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行清洗。由玻璃頂部噴頭向下噴灑水，可以對(duì)玻璃進(jìn)行潤(rùn)濕。

2）雨水收集凈化裝置：窗戶外部另置集水槽來(lái)收集雨水，通過(guò)過(guò)濾凈化裝置儲(chǔ)存在窗體內(nèi)部小型水箱。當(dāng)雨刷工作時(shí)，在程序的作用下啟動(dòng)水泵進(jìn)行玻璃潤(rùn)濕，很好的反補(bǔ)了雨刷清洗玻璃時(shí)的潤(rùn)濕問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)水資源的重復(fù)利用。采用的36V小型水泵由家庭交流電變壓供電。

3)自動(dòng)窗簾裝置：窗簾為普通窗簾，由光敏傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)晝夜更替與光線的強(qiáng)弱或通過(guò)Wife手機(jī)端控制，啟動(dòng)繼電器開(kāi)關(guān)接通電源，電機(jī)就會(huì)帶動(dòng)窗簾自動(dòng)降下或升起。

3.1.5 Wifi傳輸模塊設(shè)計(jì)

功能是將串口或TTL電平轉(zhuǎn)為符合Wifi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)[3]的嵌入式模塊，內(nèi)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11b.g.n協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧。此模塊置于窗體旁，實(shí)時(shí)將各模塊采集的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)通過(guò)Wifi電磁波發(fā)送至信號(hào)覆蓋區(qū)域的手機(jī)上。手機(jī)返回指令通過(guò)Wifi發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)再向下一級(jí)傳遞指令，如圖3所示。

圖3 Wife模塊部分電路圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)APP軟件是在eclipse集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中編寫(xiě)完成，能夠安裝在安卓手機(jī)等移動(dòng)終端的監(jiān)控界面，可在手機(jī)上點(diǎn)擊、觸摸屏幕發(fā)送指令，讓窗戶自動(dòng)擦洗、自動(dòng)開(kāi)關(guān)、并返回傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。將手機(jī)連到wifi網(wǎng)絡(luò)，打開(kāi)APP軟件，隨后軟件自動(dòng)監(jiān)聽(tīng)并轉(zhuǎn)Wifi的IP地址和端口。此時(shí)有節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)之后，在軟件的配置界面里面出現(xiàn)未配置的節(jié)點(diǎn)，我們點(diǎn)擊配置，設(shè)置參數(shù)、修改名稱之后，在界面上就會(huì)顯示這個(gè)已經(jīng)配置好的節(jié)點(diǎn)。

隨后軟件自動(dòng)按照配置好的參數(shù)進(jìn)行指令下發(fā)和其他的操作。例如溫度、濕度、光敏、風(fēng)速和人體紅外我們?cè)O(shè)置采集周期為5s，則軟件沒(méi)間隔5s，則通過(guò)Wifi下發(fā)一次獲取這些數(shù)據(jù)的指令，隨后就可以收到這些數(shù)據(jù)了。得到數(shù)據(jù)后可以與原設(shè)標(biāo)準(zhǔn)值作對(duì)比，由主控端自動(dòng)或人為通過(guò)手機(jī)APP對(duì)窗戶開(kāi)關(guān)、窗簾開(kāi)關(guān)、雨刷開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，且人體紅外傳感器的數(shù)據(jù)必須返回給手機(jī)APP，以方便對(duì)家庭安全的監(jiān)管，如圖4所示。

圖4 軟件總體工作流程圖

4 系統(tǒng)整體測(cè)試

為了檢測(cè)光敏電阻傳感器、溫度傳感器在實(shí)際運(yùn)用中的性能，對(duì)于不同距離上的光熱進(jìn)行響應(yīng)特性的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明所選用的硬件模塊能夠長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行穩(wěn)定可靠的工作，其響應(yīng)的速度在2s內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用需求。

對(duì)于濕度、風(fēng)速傳感器在通風(fēng)狀態(tài)下進(jìn)行濕度、風(fēng)速的特性測(cè)試，結(jié)果表明所選用的傳感器能夠?qū)τ诳諝馑峙c風(fēng)速有著較顯著的靈敏度，并能滿足后續(xù)的電路要求。

對(duì)于人體紅外傳感器，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境實(shí)驗(yàn)和紅外測(cè)量與測(cè)定實(shí)驗(yàn)，測(cè)試中，能夠?qū)?m一內(nèi)的人進(jìn)行感知，而對(duì)3m以內(nèi)的鳥(niǎo)類或家庭寵物沒(méi)有感應(yīng)。結(jié)果顯示系統(tǒng)的感應(yīng)性度好，系統(tǒng)的抗干擾性能良好，能夠正常工作，能夠適用于不同的場(chǎng)景[4]。

5 結(jié)論

本文提出的基于wifi的多功能高空窗功能多樣，操作便捷，智能化程度高。作為智能家居中的智能窗，其應(yīng)用前景，隨著人們生活質(zhì)量的提高，毋庸置疑是極為廣泛的，相信智能窗能夠?yàn)槿藗儬I(yíng)造出一個(gè)更加方便智能的生活環(huán)境。當(dāng)然更廣泛的應(yīng)用是建立在系統(tǒng)的集成化和穩(wěn)定性性能有更大提高的基礎(chǔ)之上，因此如何提高本設(shè)計(jì)的性能將是未來(lái)研究的主要方向。

[1] 黃凱.無(wú)線家居安防報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué),2008.

[2] 梁光清.基于被動(dòng)式紅外探測(cè)器的人體識(shí)別技術(shù)研究[D].重慶大學(xué),2009.

[3] 孫潤(rùn).基于WiFi智能家居的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[D].西安工業(yè)大學(xué), 2015.

[4] 程杰，黃鴻.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].高等教育出版社,2001.

TP399

西北民族大學(xué)2016年度實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目(SYSKF-2016088)。