何仁宇 邵逸帆 石慧君

（江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 概述

近年來，人們的生活水平飛速提高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，智能家居概念漸漸走入人們的視野之中，進(jìn)入市場。人們對門窗的開關(guān)要求越來越高，相對于傳統(tǒng)門窗，人們越來越傾向于智能開關(guān)門窗[1]。智能開關(guān)窗系統(tǒng)可通過對環(huán)境信息的檢測，及時(shí)自動調(diào)整窗戶開或者關(guān)，以避免不必要的損失。目前市場上智能門窗選擇較少、價(jià)格偏高，同時(shí)更換窗戶也將造成一部分資源浪費(fèi)，智能開關(guān)窗系統(tǒng)就成為了一個(gè)合適的過渡選擇?，F(xiàn)有智能開關(guān)窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)多為對外推式窗戶，無法滿足平推式窗戶的家庭需求，因此本文設(shè)計(jì)一種能夠直接安裝在原平行推拉式窗上的智能開關(guān)窗系統(tǒng)，安裝使用方便、成本低廉，滿足了人們對智能化的需求。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與功能

本文設(shè)計(jì)的智能開關(guān)窗系統(tǒng)包括窗戶開關(guān)器和測控系統(tǒng)。窗戶開關(guān)器基于平推式窗戶結(jié)構(gòu)，將步進(jìn)電機(jī)固定安裝在窗臺或者窗內(nèi)墻上，將步進(jìn)電機(jī)與絲桿相連，帶動絲桿轉(zhuǎn)動；再在絲桿上裝一螺母滑臺，沿窗戶導(dǎo)軌槽移動；最后通過一固定器將螺母滑臺與窗戶相連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對窗戶的開關(guān)控制[2]。窗戶開關(guān)器安裝完成后，需手動開關(guān)窗，依據(jù)開關(guān)的狀態(tài)設(shè)置窗戶的開狀態(tài)與關(guān)狀態(tài)極限位置，并分別安裝限位開關(guān)，以供系統(tǒng)識別記錄限位狀態(tài)，當(dāng)超出限位范圍之后系統(tǒng)將不再向超出方向運(yùn)動，以免造成窗體損傷。

測控系統(tǒng)如圖1 所示，包括單片機(jī)主控制器，環(huán)境傳感器及限位開關(guān)檢測模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制模塊、手動按鍵及其輸入接口、報(bào)警模塊及其輸出接口、WIFI 無線設(shè)計(jì)模塊及接口等。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，將自動檢測室外風(fēng)速、雨量、光照度、溫度、濕度和PM2.5 數(shù)據(jù)，室內(nèi)溫度、濕度、有害氣體濃度數(shù)據(jù)，以及窗戶開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過WIFI 無線發(fā)送至移動終端顯示。系統(tǒng)將自動根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境信息，判斷當(dāng)前窗戶狀態(tài)是否合適，當(dāng)超出指定的預(yù)警范圍之時(shí)，通過報(bào)警器或者移動終端自動發(fā)出開關(guān)窗預(yù)警提示；當(dāng)超出指定的開關(guān)窗范圍之時(shí)，系統(tǒng)將直接通過控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)窗戶的自動開或者關(guān)。自動運(yùn)行過程中遇到障礙物，系統(tǒng)將會自動停止，等待障礙物清除后再繼續(xù)運(yùn)行。同時(shí)，用戶也可通過移動終端或按鍵手動控制進(jìn)行窗戶的開或者關(guān)。

圖1 測控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

3 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用ATmega2560 單片機(jī)芯片作為主控制器。該芯片具有54 路數(shù)字輸入/ 輸出端口，16 路模擬輸入端口，4 路UART 串口，運(yùn)行速度可達(dá)16MHz，能夠達(dá)到本設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)成本較低，因此選用該芯片。

3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊

本系統(tǒng)選用28BYG 兩相四線步進(jìn)電機(jī)，靜力矩可達(dá)6N.cm，能夠承載大部分窗戶進(jìn)行運(yùn)動。同時(shí)選用DM430 作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，該驅(qū)動器具有200-51200 的大細(xì)分，可滿足不同速度需求，同時(shí)具有過壓、欠壓、過流等保護(hù)功能，能夠滿足本系統(tǒng)要求。

3.3 報(bào)警模塊

使用蜂鳴器作為報(bào)警裝置，與單片機(jī)IO 口相連，當(dāng)系統(tǒng)檢測到危險(xiǎn)信息時(shí)，單片機(jī)將IO 口電位拉低，蜂鳴器震蕩，發(fā)出警報(bào)。

3.4 傳感模塊

本系統(tǒng)使用的傳感器主要有檢測環(huán)境信息的風(fēng)速傳感器、光照度傳感器、雨滴傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、粉塵傳感器、防止碰撞的激光傳感器和限位開關(guān)等。選用的各傳感器的型號、參數(shù)、特點(diǎn)如表1 所示。

表1 傳感器參數(shù)表

將溫濕度傳感器、煙霧傳感器安裝于室內(nèi)，檢測室內(nèi)溫濕度、有害氣體濃度信息；將風(fēng)速傳感器、溫濕度傳感器、粉塵傳感器、雨滴傳感器安裝于室外，檢測室外風(fēng)速、溫濕度、PM2.5 濃度、是否下雨等；將激光傳感器和限位開關(guān)安裝于滑臺前，檢測系統(tǒng)運(yùn)動過程中是否遇到障礙物，以及開關(guān)窗狀態(tài)等。下圖為各傳感器與主控制接口電路圖，其中激光傳感器作為檢測障礙物的傳感器需要更快的反應(yīng)速度，同時(shí)檢測到障礙物時(shí)需停止系統(tǒng)運(yùn)行，需要與中斷口相連（圖2）。

圖2 各傳感器與主控制器接口電路圖

3.5 通訊模塊

通訊模塊使用ESP8266WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與移到終端之間的無線通訊。ESP8266 芯片無線傳輸速率最高可達(dá)54Mbps，頻率范圍2.41GHz～2.484GHz。同時(shí)有WIFI STA+WIFI AP 工作模式，用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)控制無縫切換，操作方便。

3.6 按鍵及接口電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過按鍵手動控制窗的開啟與關(guān)閉，在使用時(shí)停止其他動作，優(yōu)先進(jìn)行手動控制，需要與中斷口相連，同時(shí)分別加裝紅色與綠色發(fā)光二極管作為指示燈，當(dāng)按下開窗鍵時(shí)，紅色發(fā)光二極管導(dǎo)通，亮紅光；當(dāng)按下關(guān)窗鍵時(shí)，綠色發(fā)光二極管導(dǎo)通，亮綠光。

圖3 按鍵與主控制器接口電路圖

4 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)選用Arduino 作為軟件開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)主程序及多個(gè)功能子程序，用于控制步進(jìn)電機(jī)、采集各傳感器參數(shù)、計(jì)算處理數(shù)據(jù)、判斷發(fā)出警報(bào)、遇到限位開關(guān)停止子程序等。同時(shí)設(shè)計(jì)遇到障礙物停止中斷子程序和手動控制中斷子程序。主程序主要進(jìn)行環(huán)境信息的檢測及集成處理，并將結(jié)果發(fā)送至移動終端，同時(shí)進(jìn)行智能處理。當(dāng)室內(nèi)溫濕度傳感器檢測濕度過高時(shí)，自動驅(qū)動窗戶進(jìn)行關(guān)閉；當(dāng)室外雨滴傳感器檢測有雨時(shí)，自動驅(qū)動窗戶進(jìn)行關(guān)閉；當(dāng)室外光照強(qiáng)度傳感器檢測光強(qiáng)過高或過低時(shí)，自動向移動終端發(fā)送信息；當(dāng)室外風(fēng)速傳感器檢測風(fēng)速過高時(shí)，自動驅(qū)動窗戶進(jìn)行關(guān)閉；當(dāng)室外粉塵傳感器檢測粉塵濃度（主要檢測PM2.5 濃度）濃度過高時(shí)，自動驅(qū)動窗戶進(jìn)行關(guān)閉；當(dāng)室內(nèi)有害氣體傳感器檢測有害氣體濃度過高時(shí)，自動驅(qū)動窗戶進(jìn)行開啟，同時(shí)震蕩蜂鳴器，發(fā)出警報(bào)，并發(fā)送危險(xiǎn)提示至遠(yuǎn)程終端。當(dāng)限位開關(guān)被觸發(fā)，表示到達(dá)開窗或關(guān)窗極限位置，則關(guān)閉電機(jī)驅(qū)動。圖4 為主程序流程圖。

圖4 主控程序流程圖

同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)遇到障礙物停止中斷子程序和手動控制中斷子程序，分別通過激光傳感器與按鍵作為中斷程序入口。當(dāng)激光傳感器檢測到障礙物時(shí)進(jìn)入遇到障礙物停止中斷子程序；當(dāng)檢測到開窗或關(guān)窗按鍵按下時(shí)，進(jìn)入手動控制中斷子程序。遇到障礙物停止子程序中斷優(yōu)先級高于手動控制。若運(yùn)行手動控制子程序時(shí)遇到障礙物，則退出手動控制子程序，進(jìn)入遇到障礙物停止子程序。以下為遇到障礙物停止中斷子程序流程圖及手動控制中斷子程序（以開窗為例）(圖5、6)。

圖5 遇障停止子程序流程圖

圖6 手動控制開窗子程序流程圖

結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種包括窗戶開關(guān)器和測控系統(tǒng)的智能開關(guān)窗系統(tǒng)。窗戶開關(guān)器可直接安裝于傳統(tǒng)平推窗之上。測控系統(tǒng)通過程序運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)針對不同環(huán)境狀態(tài)自動開關(guān)窗戶的智能化功能。所設(shè)計(jì)的智能開關(guān)窗系統(tǒng)能夠在不改變傳統(tǒng)窗的結(jié)構(gòu)情況下完成智能化功能，安裝便捷，功能實(shí)用，非常適合作為傳統(tǒng)家居到智能家居的過渡產(chǎn)品。