◎陳喬 李玉麗 姜皓銘 黎青霖

引言：隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，智能家居對人們的生活環(huán)境起著越來越重要的作用。但是目前無論是用于家庭住房的窗戶，還是用于商場、醫(yī)院等公共場所的窗戶，都是傳統(tǒng)型窗戶，即需要人操作其開啟和關(guān)閉。本文研究了一種可以檢測環(huán)境中空氣質(zhì)量狀況，既能夠自動(dòng)開啟和關(guān)閉，同時(shí)控制后臺(tái)能將檢測的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)發(fā)送給住戶，也能遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)通風(fēng)或者封閉功能的智能窗戶，從而起到保證室內(nèi)空氣質(zhì)量的目的。窗戶同時(shí)也能根據(jù)污染程度用機(jī)械臂進(jìn)行智能清潔，保持窗戶自身的潔凈。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.傳感器監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用夏普GP2Y1010AU0 粉塵傳感器、溫濕傳感器AM2301 元件檢測出系統(tǒng)需要工作的相關(guān)數(shù)值，通過將所檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量發(fā)送到單片機(jī)系統(tǒng)。傳感監(jiān)測模塊設(shè)置于窗外，用于監(jiān)測外部空氣信息情況，例如PM2.5 濃度檢測、有毒氣體檢測、溫度檢測、濕度檢測等，獲取相關(guān)參數(shù)信息。

2.單片機(jī)控制系統(tǒng)。STM32 單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能與不同的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通信。本系統(tǒng)通過運(yùn)用ZigBee 和藍(lán)牙無線傳輸功能做到實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸，將各系統(tǒng)信息傳輸?shù)皆破脚_(tái)主控制信息顯示端，在OLED 屏幕上進(jìn)行顯示，以保證系統(tǒng)的信號(hào)監(jiān)測以及無線控制，并將控制信號(hào)傳輸?shù)绞覂?nèi)空氣凈化系統(tǒng)使其運(yùn)行，同時(shí)用戶也能隨時(shí)隨地通過手機(jī)APP 來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

3.清洗系統(tǒng)。設(shè)計(jì)機(jī)械臂裝置，通過陀螺儀傳感器來操作擦窗方向的控制，采用壓力傳感器來進(jìn)行機(jī)械臂的伸縮控制，通過這種方式把機(jī)械臂設(shè)計(jì)成可伸縮模式，就能夠?qū)Σ煌叽绲拇皯暨M(jìn)行擦洗，方便實(shí)用。

4.智能警報(bào)系統(tǒng)。當(dāng)本設(shè)計(jì)其他系統(tǒng)工作出現(xiàn)故障或是數(shù)值預(yù)警報(bào)告時(shí)，通過無線傳輸模塊系統(tǒng)傳送到用戶，達(dá)到預(yù)警功能。

5.電力系統(tǒng)及相關(guān)元件選擇。設(shè)計(jì)相關(guān)的電路，來確保本設(shè)計(jì)各個(gè)系統(tǒng)的電力保障，做好備用電力系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的電路線路和所選擇使用的各種元件要能防水，并能在惡劣天氣持續(xù)工作，減少系統(tǒng)的損耗，保證系統(tǒng)的使用壽命。

二、工作過程及原理

當(dāng)獲得相關(guān)信息后，傳感檢測模塊將信息通過無線發(fā)射模塊和無線接收模塊傳送至控制模塊，控制模塊對參數(shù)信息進(jìn)行判斷，如果在合適范圍內(nèi)，則開始判斷當(dāng)前窗戶是否處于打開狀態(tài)，如果是打開狀態(tài)，則不進(jìn)行任何操作，保證窗內(nèi)和窗外的空氣流動(dòng)，如果當(dāng)前窗戶是處于關(guān)閉狀態(tài)，則使位置檢測模塊開始工作，再使電機(jī)傳動(dòng)模塊開始工作，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使窗戶打開，此時(shí)當(dāng)位置檢測模塊感應(yīng)到窗戶達(dá)到窗框的邊界極限位置時(shí)，則通知控制模塊，此時(shí)控制模塊關(guān)閉電機(jī)傳動(dòng)模塊后再關(guān)閉位置檢測模塊。此時(shí)，窗戶打開，窗內(nèi)和窗外開始空氣流通。同樣地，如果傳感檢測模塊將信息由無憑通訊模塊傳送至控制模塊后，控制模塊判斷當(dāng)前的空氣參數(shù)不在合適范圍內(nèi)，例如PM2.5 濃度超標(biāo)，則開始判斷當(dāng)前窗戶是否處于打開狀態(tài)，如果是關(guān)閉狀態(tài)，則將報(bào)警信號(hào)通過無線傳輸傳達(dá)給用戶，用戶決定是否啟動(dòng)清潔系統(tǒng)，清潔系統(tǒng)采用機(jī)械臂加陀螺儀，在窗內(nèi)和窗外的隔絕的同時(shí)確保窗戶干凈：如果當(dāng)前窗戶是處于打開狀態(tài)，則使位置檢測模塊開始工作，再使電機(jī)傳動(dòng)模塊開始工作，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使窗戶關(guān)閉，此時(shí)當(dāng)位置檢測模塊感應(yīng)到窗戶達(dá)到窗框的邊界極限位置時(shí)，則通知控制模塊，此時(shí)控制模塊關(guān)閉電機(jī)傳動(dòng)模塊后再關(guān)閉位置檢測模塊，此時(shí)，窗戶關(guān)閉，窗內(nèi)和窗外相互隔絕，再由用戶決定是否啟動(dòng)清潔。

進(jìn)行以上操作時(shí)，如果傳感檢測模塊檢測到空氣質(zhì)量不在合適范圍時(shí)，可以同時(shí)開啟報(bào)警模塊，警告相關(guān)人員，得到報(bào)警應(yīng)答后取消報(bào)警。原理如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

三、結(jié)語

本文所提到的窗戶的智能監(jiān)測和清洗系統(tǒng)，針對目前智能家居對空氣質(zhì)量的需求結(jié)合高層建筑玻璃窗和玻璃幕墻的清潔方式存在的不足，提出一種基于STM32 單片機(jī)的窗戶自動(dòng)監(jiān)測及清洗系統(tǒng)解決方案。對系統(tǒng)整體功能和總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了描述，介紹了各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)步驟和核心思想。通過在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行測試，表明本系統(tǒng)的性能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的各種功能，能夠在成本、效率、簡便度等方面取得一個(gè)較好的平衡點(diǎn)。同時(shí)機(jī)械清洗降低了人工對高層建筑物窗戶外側(cè)清洗時(shí)不安全不方便的因素；設(shè)計(jì)的思想對于建筑物自動(dòng)化清洗領(lǐng)域也有著重要的參考意義。