金文慧，王靜

（安徽新華學(xué)院 電子工程學(xué)院，安徽合肥，230000）

0 引言

智能門窗是指具有報警、防盜、自動開關(guān)窗等功能的門窗，由于價格昂貴，目前多廣泛運用于高檔商品房、豪華會所、高端商場等特殊場合。但隨著安全需求的認識加深，普通家庭也逐漸意識到其重要性，逐漸有了市場的需求?？墒歉甙旱膬r格、不夠全面的功能和信息采集的不實時處理，都大大限制了智能門窗的發(fā)展和普及。

基于上述原因，本系統(tǒng)是基于價格低廉、功能強大的AVR單片機和通訊可靠的ZigBee 技術(shù)的設(shè)計，集聲、光、電、通訊及視頻為一體的安全、環(huán)保、可靠、性價比高的家用設(shè)計，是智能家居的理想選擇。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

在當(dāng)今快節(jié)奏的生活中，工作壓力的不斷增大，使得人們常常會因為不清楚自己是否及時打開或關(guān)閉窗戶而擔(dān)心不已；樓層的不斷增高，使得飽受風(fēng)雨的窗戶外層即便骯臟模糊，也不能人工擦拭；頑皮的幼兒無意識的靠近，甚至攀爬上窗戶，大人未能及時發(fā)現(xiàn)而終生痛苦；陌生人長時間逗留于門前或窗邊，未能獲得任何提醒而帶來的財物丟失、甚至人身安全的威脅；危險氣體的泄露，因為門窗緊閉而不能及時排放；窗簾的開關(guān)需要人力操作……

我們需要使用簡單可靠的系統(tǒng)，通過高智能的精準控制和協(xié)同，解決上述的種種不方便及可能的安全隱患，讓我們的生活變得更簡單、更舒適、更節(jié)約、更生態(tài)。智能門窗不僅將成為不可替代的家庭必須品，更將成為智能家居、家庭云系統(tǒng)中重要的一員。因此，智能家居作為一個藍海項目，前景不可估量。而作為智能家居系統(tǒng)的子系統(tǒng)——智能門控/窗控系統(tǒng)，同樣具有非常重要的社會意義和實用價值。

智能門窗是指具有報警、防盜、自動開關(guān)窗等功能的門窗，由于價格昂貴，目前多廣泛運用于高檔商品房、豪華會所、高端商場等特殊場合。但隨著安全需求的認識加深，普通家庭也逐漸意識到其重要性，逐漸有了市場的需求?？墒歉甙旱膬r格、不夠全面的功能和信息采集的不實時處理，都大大限制了智能門窗的發(fā)展和普及。

基于上述原因，本系統(tǒng)是基于價格低廉、功能強大的AVR單片機和通訊可靠的ZigBee 技術(shù)的設(shè)計，集聲、光、電、通訊及視頻為一體的安全、環(huán)保、可靠、性價比高的家用設(shè)計，是智能家居的理想選擇。本智能門窗控制系統(tǒng)的核心研究內(nèi)容主要有：

（1）智能管理控制

本智能門窗控制系統(tǒng)集合了溫濕度傳感器、PM2.5 傳感器、風(fēng)雨傳感器、氣體傳感器、人體紅外傳感器和攝像頭等各類用于環(huán)境監(jiān)測的傳感器，再利用ZigBee 技術(shù)將采集到的各類信息及時傳送到AVR 單片機上進行處理和分析，同時做出相應(yīng)的指令，通過無刷電機進行不同情形下的處理，如窗戶的自動開合、洗刷外窗玻璃、升降金屬護網(wǎng)，并將報警信息和處理結(jié)果通過網(wǎng)關(guān)連入Internet 或移動通信網(wǎng)絡(luò)，最終展現(xiàn)在用戶的手機APP 或PC 終端上，方便用戶及時了解家居環(huán)境的狀況。

因此，該智能門窗是一種集機械傳動技術(shù)、傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)等先進技術(shù)為一體的機電一體化控制系統(tǒng)，通過自動打開或者關(guān)閉房子內(nèi)所有窗戶，實現(xiàn)自動控制功能，達到對室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)和防盜報警的目的，使家庭與外部在信息交流上保持暢通，人們的生活方式得以優(yōu)化，人們的時間可以有效安排，家居生活更具安全性。

（2）顯示終端

數(shù)字顯示終端是基于M2M（機器對機器的無線通信）技術(shù)的智能門窗控制系統(tǒng)唯一最終面向用戶的部分，采用ZigBee技術(shù)、USB OTG 技術(shù)與相關(guān)的無線設(shè)備組建無線局域網(wǎng)，完成對無線傳感器節(jié)點的監(jiān)控和數(shù)據(jù)的查詢、記錄。并由基站將采集到得數(shù)據(jù)匯總封裝后，通過M2M 網(wǎng)關(guān)連接入Internet或移動通信網(wǎng)絡(luò)，并最終傳送到用戶的手機APP 或PC 終端上，同時也可通過手機或PC 機進行遠程監(jiān)控和操作。

2 智能門窗控制系統(tǒng)設(shè)計

智能門窗控制系統(tǒng)如圖1 所示，由主機(AVR 微處理器)、溫、濕度等多種傳感器、防盜報警等各類報警終端、遙控器和機電傳動執(zhí)行機構(gòu)組成。該系統(tǒng)將聲、光、機、電、通訊等現(xiàn)代技術(shù)集為一體，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能遙控開關(guān)窗門、窗簾，智能防風(fēng)（遇刮風(fēng)天氣自動關(guān)窗），智能防雨（遇下雨天氣自動關(guān)窗），智能防盜（遇非法從窗戶入侵自動關(guān)窗）、智能報警（遇警情時能迅速通知主人），防小孩墜樓（遇小孩攀爬窗戶自動關(guān)窗），智能監(jiān)控燃氣泄漏（煙霧達到一定濃度或遇燃氣泄漏自動開窗），自動凈化空氣（檢測到有毒氣體開啟排氣扇或自動開窗）等多種功能，是一款完美結(jié)合安防、智能控制系統(tǒng)與建材的高科技產(chǎn)品。

圖1 智能門窗控制系統(tǒng)

（1）傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳輸

本系統(tǒng)首先將各類傳感器采集到的溫度、濕度、風(fēng)雨指數(shù)、光照、PM2.5 值、特殊有害氣體，以及人體感應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸至AVR 單片機，進行合理的分析和處理，對于超出所設(shè)警戒值的數(shù)據(jù)，及時啟動家居環(huán)境中的簡易聲光報警系統(tǒng)，并將報警信息傳送至用戶手機或PC 終端，同時給出及時的應(yīng)急處理。

（2）無刷電機的合理設(shè)置

在本系統(tǒng)設(shè)計中，當(dāng)檢測到有風(fēng)雨時，可通過無刷電機及時關(guān)閉窗戶，避免風(fēng)雨入戶；當(dāng)檢測到幼兒或陌生人員靠近打開的窗戶時，可通過無刷電機及時放下防護網(wǎng)，保護幼兒及家產(chǎn)的安全；當(dāng)檢測到外窗玻璃臟時，可通過無刷電機驅(qū)動雨刷擦拭玻璃，實現(xiàn)窗明幾凈的居住環(huán)境；當(dāng)檢測到家里特殊氣體的濃度超過了警戒值時，可通過無刷電機及時打開窗戶，起到通風(fēng)散味的作用。

由此可見，無刷電機在本系統(tǒng)處于一個非常重要的地位，實現(xiàn)功能多樣復(fù)雜，需要認真學(xué)習(xí)和研究，理清各種功能實現(xiàn)間的關(guān)系，才能避免功能交錯、出現(xiàn)實操上的BUG。

（3）控制網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)是智能門窗的最核心設(shè)備，類似于家用電器的總開關(guān)，與普通網(wǎng)關(guān)相比，它還兼容了802.11 和ZigBee 無線通信功能。這也是本項目的難點和關(guān)鍵問題之一。

（4）安全問題

由于本系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)都需要聯(lián)網(wǎng)，通過Internet或GPRS 傳送至手機或PC 終端，因此安全問題也是本項目的關(guān)鍵。在這里采用密碼、口令、指紋等綜合安全措施來保證安全性。

3 智能門窗控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)

智能門窗安裝于窗門框架內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)低噪音平穩(wěn)運行，具有設(shè)計巧妙、體積小、隱蔽性強、安裝簡便的特點，在各種樣式的塑鋼門窗、鋁合金門窗上都適用，原有的窗戶、窗簾、索拉門結(jié)構(gòu)完全不用改變，即可輕松將普通門窗升級改造成智能門窗。本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能包括以下幾個方面。

（1）智能防盜

通過安裝靈敏度高、抗干擾性強的微波傳感器。當(dāng)人體信號被紅外線檢測到后，會立即自動關(guān)閉窗戶，遇到人為強行入侵，高分貝聲音報警器可以發(fā)出報警信號，同時將警情發(fā)送至主人手機，也可以發(fā)送到小區(qū)保安處，保安通過顯示器能準確定位警情發(fā)生的位置。家庭與商用防盜問題可以得以有效解決，小偷將徹底被拒之窗（門）外。

（2）自動防風(fēng)防雨

當(dāng)你在外突遇大雨，焦慮因未關(guān)門窗家里被雨水沖洗，擔(dān)心家用電器被雨水浸泡，但又無能為力，望雨興嘆的時候，如果安裝了智能門窗，就可以讓你免遭損失。智能門窗外側(cè)安裝了風(fēng)雨感應(yīng)器，當(dāng)雨水打在傳感器上或風(fēng)力達到3 級時，可以立即自行關(guān)閉窗戶，無論你身在何處，都再也不必擔(dān)憂。

（3）監(jiān)控液化氣泄漏

當(dāng)智能系統(tǒng)檢測到室內(nèi)發(fā)生天然氣、液化氣等可燃氣體泄漏時，將打開自動窗戶，也可以直接啟動廚房里的換氣扇，將可燃氣體排到窗外，同時通過蜂鳴報警信號提醒主人，可以有效地避免人中毒事件和火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生。

（4）全息智能遙控開關(guān)門窗

在室內(nèi)任意位置可以利用遙控器開、關(guān)窗門，控制其停留在你想要的位置。也可通過手機APP 或PC 機實現(xiàn)遠程遙控。

（5）防小孩墜樓

目前，孩子的安全問題時刻牽動著全家人的心弦，也成為家庭關(guān)注的重點。監(jiān)護人不可能隨時盯著小孩，有了智能門窗后，孩子如果攀爬窗戶，當(dāng)手剛伸出窗口的時候，人體信號就能被傳感器檢測到，防護網(wǎng)會自動沿軌槽下拉，孩子就會被擋在室內(nèi)，墜樓事件也將不會的發(fā)生。

（6）凈化室內(nèi)空氣

室內(nèi)空氣中常常會含有大量的丙酮、甲醛、苯、乙胺、庚烷、香煙粒子等，當(dāng)有害物質(zhì)超標時，渾濁氣體信號就會被傳感器檢測到，各個方位的窗戶都會自動開啟，形成通風(fēng)對流，室內(nèi)有害氣體迅速得以稀釋，環(huán)境也會變得健康舒適。

（7）凈化外窗玻璃

當(dāng)檢測到外窗玻璃臟時，可通過無刷電機驅(qū)動雨刷擦拭玻璃，實現(xiàn)窗明幾凈的舒適居住環(huán)境。

（8）遠程管理

智能門窗的主要特點是便捷和舒適，因此上一層次的決策管理至關(guān)重要。智能門窗系統(tǒng)最終可以實現(xiàn)在手機軟件APP 上管理家電系統(tǒng)。因此本項目的重點工作之一就是基于Android 系統(tǒng)的手機APP 開發(fā)。通過該APP 能實時查看門窗的開合狀態(tài)，遠程控制其開和關(guān)，同時具備安防防盜等功能。

（9）Android 應(yīng)用程序開發(fā)

手機端的控制程序會在Android 平臺上，該APP 的開發(fā)平臺是Android Studio，開發(fā)出來的軟件能遠程查看家庭門窗的安全狀況，防盜報警，遠程門禁、遠程控制等功能。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)基于AVR 單片機和ZigBee 技術(shù)研制了一款智能門控/窗控系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能防盜、自動防風(fēng)防雨、監(jiān)控液化氣泄漏、全息智能遙控開關(guān)門窗、防小孩墜樓、凈化室內(nèi)空氣、凈化外窗玻璃、遠程管理及Android 應(yīng)用程序開發(fā)等功能，實現(xiàn)效果良好。