謝亞明 馬浩倫

摘 要：隨著生活水平的提高，人們對環(huán)境質(zhì)量和解放勞動的工具的要求越來越高，這使得家居設(shè)備的智能化和自動化受到廣泛關(guān)注。文中主要根據(jù)通風(fēng)透光的功能要求，設(shè)計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并兼顧自動化功能的窗戶窗簾系統(tǒng)。該系統(tǒng)能接收當(dāng)前廣受關(guān)注的PM2.5含量、光照強度、溫濕度等數(shù)據(jù)，自動控制窗戶和窗簾，具有白天自動打開、夜間自動關(guān)閉的功能。該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)實時顯示在控制核心板的屏幕上，上傳至機智云云平臺及機智云手機APP，便于遠(yuǎn)程查看。

關(guān)鍵詞：自動化;物聯(lián)網(wǎng);智能設(shè)備;通風(fēng)透光;窗戶窗簾控制;環(huán)境質(zhì)量

中圖分類號：TP23;TN919文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對舒適健康的家居生活有了強烈的需求[1]。室內(nèi)外空氣質(zhì)量逐漸成為了影響家居生活健康的重要因素：一方面，人們需要打開窗戶窗簾通風(fēng)，排出室內(nèi)空氣中的有害氣體，凈化室內(nèi)空氣。另一方面，當(dāng)遇到霧霾天氣、下雨天時，窗戶打開反而又會帶來不好的影響，如吸入污染物可能損害身體健康，此時便需要關(guān)閉窗戶;有時紫外線太強，容易對人的皮膚造成傷害，而光照強度對眼睛也有一定的損害，因此需要關(guān)閉窗簾。對于現(xiàn)代人來說，生活自動化程度提高是趨勢，如早上自動打開窗戶窗簾，晚上自動關(guān)閉窗戶窗簾，對勞累一天的人們來說，無疑減輕了負(fù)擔(dān)[2]。

針對上述問題，本文運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研制了實用的智能家用窗戶窗簾控制及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)白天自動打開、夜間自動關(guān)閉，可以收集多個傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行組合式處理[3]，包括PM2.5含量、溫濕度、光照強度數(shù)據(jù)，然后根據(jù)空氣質(zhì)量，濕度水平和光照水平自動控制窗戶窗簾的開關(guān)，實現(xiàn)通風(fēng)或阻隔污染物。同時將上述數(shù)據(jù)通過屏幕顯示并上傳到機智云云平臺和機智云手機APP，便于人們了解室內(nèi)環(huán)境，提高人們的生活質(zhì)量。

1 智能系統(tǒng)設(shè)置

智能家用窗戶窗簾控制及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將光照強度、溫濕度、PM2.5等傳感器接收模塊安裝在窗戶附近，利用單片機驅(qū)動傳感器接收數(shù)據(jù)。經(jīng)過一定的邏輯算法，我們將不同環(huán)境值，如霧霾天氣、雨天、強光環(huán)境、黑夜及白天對應(yīng)的值作為系統(tǒng)預(yù)設(shè)參數(shù)。使用時，系統(tǒng)接收到各傳感器數(shù)據(jù)后，通過與預(yù)設(shè)參數(shù)對比，得出需要進(jìn)行的操作，然后單片機控制電機，驅(qū)動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)窗戶和窗簾的打開與關(guān)閉，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化和智能化功能。本系統(tǒng)還包括人為干預(yù)控制和校準(zhǔn)功能，便于使用者調(diào)整系統(tǒng)的偏差。同時也考慮了家庭主人外出時，若存在了解該系統(tǒng)狀態(tài)的需求，則可利用WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳至云平臺及手機APP，便于用戶查看。智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制核心

控制核心采用兩塊32位單片機，第一塊是STM32F103ZET6，用于接收、顯示及控制電機;第二塊是STM32F103C8T6，用于上傳數(shù)據(jù)。兩塊單片機都具有72 MHz的主頻，工作電壓2.0～3.6 V，至少3個串口，外設(shè)豐富[4]。第二塊使用占用更少資源的STM32F103C8T6單片機，它在分擔(dān)數(shù)據(jù)上傳責(zé)任的同時，減少了系統(tǒng)功耗。

2.2 傳感器模塊

傳感器包括PM2.5傳感器、光照強度傳感器和溫濕度傳感器。其中PM2.5傳感器為攀藤PMS7003G7，它是利用光散射原理制做的顆粒傳感器[5]，具有成本低、技術(shù)成熟、精度高等優(yōu)點。它的最小分辨率達(dá)0.3 μm，單位是μg/m3，通過通用串口與單片機通信。光照強度傳感器為BH1750，通過軟件模擬I2C協(xié)議[6]與單片機連接，減少了單片機硬件資源的使用。溫濕度傳感器為DHT11，通過單總線傳輸信息至單片機。

2.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

系統(tǒng)使用一塊0.96寸OLED顯示屏作為顯示模塊，該模塊具有功耗低的優(yōu)點。其分辨率為128×64，使用32×32的漢字和16×16的字母進(jìn)行顯示。OLED屏幕利用模擬I2C協(xié)議與單片機連接[7]，使用的引腳資源少，利于開發(fā)。

2.4 數(shù)據(jù)通信模塊

使用ESP8266 WiFi模塊作為數(shù)據(jù)通信模塊，下載機智云固件至模塊中，利用單片機串口與模塊通信，與機智云平臺及機智云手機APP連接。機智云平臺給開發(fā)者提供了自助式開發(fā)工具及云服務(wù)，開發(fā)者無需關(guān)心模組與機智云間的傳輸協(xié)議[8]，技術(shù)門檻低，可以有效降低研發(fā)成本[9]。使用時，利用手機連接WiFi并通過APP給模塊配網(wǎng)，從而實現(xiàn)模塊的WiFi連接。模塊在斷電重啟后可以自動連接當(dāng)前已配網(wǎng)的WiFi。

2.5 控制模塊

控制模塊使用兩塊5 V直流步進(jìn)電機28BYJ4和電機驅(qū)動板ULN2003，使用四相的驅(qū)動方法。該型步進(jìn)電機具有電壓低、功耗低、控制精準(zhǔn)的優(yōu)點。第一塊步進(jìn)電機與窗戶控制結(jié)構(gòu)和單片機連接，第二塊與窗簾控制結(jié)構(gòu)和單片機連接。每一塊步進(jìn)電機驅(qū)動分別與單片機上的I/O口相連，順序或逆序使單個I/O口輸出高電平來驅(qū)動電機運行。

2.6 數(shù)據(jù)儲存模塊

AT24C02模塊有2 Kb的儲存單元，屬于串行E2PROM，具有掉電不丟失數(shù)據(jù)的特點。它通過I2C協(xié)議與單片機通信[10]，使用前兩個地址儲存數(shù)據(jù)，分別儲存窗戶和窗簾的位置數(shù)據(jù)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)置

3.1 軟件自動控制

智能家用窗戶窗簾控制及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有自動控制功能。上電或重啟時，單片機首先讀取AT24C02的數(shù)據(jù)，并將其與系統(tǒng)里預(yù)設(shè)的窗戶和窗簾關(guān)閉數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如果兩組數(shù)據(jù)相符，則系統(tǒng)驅(qū)動窗戶、窗簾進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。其次系統(tǒng)提供校準(zhǔn)功能，通過微調(diào)電機使窗戶和窗簾達(dá)到完全關(guān)緊的狀態(tài)。系統(tǒng)具有選擇按鍵，包括全關(guān)模式、全開模式和自動模式。全關(guān)模式具有最高優(yōu)先級，此模式下，其他模式都無法運行。全開模式具有第二高的優(yōu)先級，只有全關(guān)模式取消后才可以進(jìn)入。自動模式具有最低優(yōu)先級，當(dāng)全開和全關(guān)模式都取消時，才可以進(jìn)入。這樣設(shè)置的目的是為了讓家庭主人有更多的選擇：如長期不在家時，可讓系統(tǒng)進(jìn)入全關(guān)模式;需要窗戶窗簾全開時，設(shè)置系統(tǒng)進(jìn)入全開模式;想減少精力投入到窗戶窗簾上時，可設(shè)置系統(tǒng)長期進(jìn)入自動狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入自動狀態(tài)時，各傳感器接收窗戶附件數(shù)據(jù)，根據(jù)PM2.5含量、濕度、光照強度和時間參數(shù)共同決定窗戶和窗簾的開關(guān)。單片機二通過串口二與單片機連接，接收單片機一發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，并把數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息上傳至機智云云平臺和機智云手機APP。軟件系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信

為實現(xiàn)使用者在遠(yuǎn)離家庭的地方獲取室內(nèi)各傳感器數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)的目標(biāo)，第二塊單片機連接WiFi模塊，將數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)實時傳輸至機智云云平臺及機智云手機APP，便于查看。上傳數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

4 測試及結(jié)果

當(dāng)系統(tǒng)運行時，機智云手機APP及控制核心板上數(shù)據(jù)顯示如圖4所示，機智云云平臺上的數(shù)據(jù)顯示如圖5所示。在機智云云平臺上，機智云手機APP和系統(tǒng)控制核心板的OLED屏幕上都可以看到系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)置系統(tǒng)為全關(guān)模式時，其他模式無法進(jìn)行，此時窗戶窗簾完全關(guān)閉。當(dāng)設(shè)置系統(tǒng)為全開模式時，窗戶窗簾緩緩打開至完全開啟狀態(tài)。當(dāng)設(shè)置系統(tǒng)為自動模式，且將運行時間設(shè)置為6點至22點時，若當(dāng)前時間未在此范圍內(nèi)，窗戶窗簾全關(guān);若當(dāng)前時間處于設(shè)置的時間范圍內(nèi)，則系統(tǒng)進(jìn)入自動模式下的默認(rèn)狀態(tài)，即窗戶半開，窗簾全開，等待下一步指令。

窗戶附件用強光照射，窗戶保持狀態(tài)不變，窗簾關(guān)閉一半;用噴霧對窗戶附件加濕，模擬下雨天氣，則窗戶全關(guān)，窗簾保持原狀態(tài);將灰塵散落在窗戶附件上模擬PM2.5含量過高的情形，此時窗戶全關(guān)，窗簾保持不變。夜晚時，光照強度為0，此時窗戶窗簾全關(guān);天亮?xí)r，光照強度恢復(fù)正常水平，窗戶打開一半，窗簾全開。測試結(jié)果滿足目標(biāo)要求。

5 結(jié) 語

將物聯(lián)網(wǎng)和自動化技術(shù)融入家居，是未來科技發(fā)展的趨勢之一。本智能窗戶窗簾控制及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，包含窗戶和窗簾兩個控制部分，增加控制窗簾的功能在于應(yīng)對強光照射，減少人工操控，更加自動化。本系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)智能化，通過綜合利用傳感器、單片機、電機和WiFi模塊來實現(xiàn)。窗戶窗簾通過接收外部環(huán)境數(shù)據(jù)，與預(yù)設(shè)參數(shù)對比實現(xiàn)自動控制，同時也將數(shù)據(jù)及狀態(tài)上傳至云平臺和手機APP，便于使用者觀察。隨著人們對空氣質(zhì)量、自動化要求的不斷提高，本系統(tǒng)可以有效滿足要求，方便人們的生活。

注：本文通訊作者為謝亞明。

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