林彬煒 李斌鴻 熊昌炯 韓沛暄 黃彬

摘要：傳統(tǒng)窗簾和智能窗簾有很大區(qū)別：家用傳統(tǒng)窗簾通常需要人為操作，而智能窗簾是由智能系統(tǒng)自動控制或通過預(yù)定程序來控制。因為這些差異，在實用性和便捷性等方面智能窗簾是優(yōu)于傳統(tǒng)窗簾的。本次所設(shè)計的智能窗簾設(shè)計是基于傳統(tǒng)收拉窗簾的方式，以Arduino為智能網(wǎng)關(guān)，安裝了光敏電阻、藍牙模塊等傳感器，設(shè)置自動模式，利用光敏電阻檢測外界光照強弱實現(xiàn)窗簾自動收拉，除了手機控制、自動模式之外還可通過Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)人不在時也可遠程控制，將溫濕度的實時數(shù)據(jù)傳輸至云端的功能，從而可通過手機監(jiān)控房間實時的溫度與濕度信息，通過顯示模塊與人交互，來計算人的真實體感溫度，使人們的居住環(huán)境更加智能化。

關(guān)鍵詞：智能窗簾；自動控制；Arduino；DHT11溫濕度傳感器；HC50藍牙模塊

中圖分類號：TP391? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）30-0041-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

1 引言

隨著電子信息技術(shù)，控制技術(shù)的日益提升，信息化社會在改變?nèi)藗兩盍?xí)慣和工作方式的同時，人們對家居的要求早已不再只是簡單的物質(zhì)空間[1]，更為關(guān)注的是一個高度安全、舒適以及美觀方便的居住環(huán)境，先進的通信設(shè)施，完備高效的信息終端，自動、智能的家電，網(wǎng)絡(luò)化的資源管理及購物方式等。現(xiàn)今社會人們?nèi)找媾蛎浀男枨笫沟眉揖又悄芑讶怀蔀橐环N趨勢。隨著智能家居的逐漸普及，不同的智能家居具有不同的價值，對于不同的消費群體來說將會有更多的選擇，但實用性往往是消費者最先考慮的。以下是基于Arduino設(shè)計的一種多控制式新型智能窗簾，其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、穩(wěn)定性好、使用壽命長、故障率低。通過自動檢測天氣情況和人工通過藍牙控制實現(xiàn)自動控制窗簾收放的功能。

新興設(shè)備也更能夠吸引潛在客戶，帶給客戶更好的體驗。產(chǎn)品在機構(gòu)設(shè)計中也根據(jù)需求最大限度地簡化其結(jié)構(gòu)，降低了成本，還可以通過此設(shè)計理念衍生出更多產(chǎn)品，因此具有一定的市場價值和消費群體，從而印證了本課題的研究意義。

2 方案設(shè)計

2.1 工作原理

該產(chǎn)品由窗簾布、滑軌、57電機和智能網(wǎng)關(guān)等部分組成。與傳統(tǒng)窗簾相比較，智能窗簾的核心部分即智能網(wǎng)關(guān)，具有接收和執(zhí)行用戶發(fā)送指令的功能，Arduino板接收各傳感器的數(shù)據(jù)信號并對其進行數(shù)據(jù)分析，然后下達指令，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動滑軌轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸帶動窗簾實現(xiàn)多智能化自動控制窗簾打開和關(guān)閉[2]。

2.2 硬件搭建

實現(xiàn)窗簾的自動化就必須含有以下功能：數(shù)據(jù)的讀取、按鈕控制和用于打開和關(guān)閉窗簾的限位器。

圖3所示的光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光信號經(jīng)過光敏傳感器收集轉(zhuǎn)換成電信號饋入Arduino板中，Arduino根據(jù)反饋的亮度大小做出計算分析窗簾是否開關(guān)的情況。亮度判斷依據(jù)如下：當(dāng)亮度處于0～100時屬于偏暗；當(dāng)亮度處于100～200時屬于正常光；當(dāng)亮度處于200～500時屬于偏亮。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。

圖4所示的HC-50是一個藍牙模塊，連接到微控制器的串行端口，允許微控制器通過藍牙連接與其他設(shè)備通信。模塊本身可以在主從模式下運行，并且可以用于各種應(yīng)用，例如：智能家居應(yīng)用、遠程控制、數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用、機器人和監(jiān)控系統(tǒng)等。智能窗簾的第二種功能便是通過手機App與藍牙模塊連接，以指令的接收和執(zhí)行控制窗簾的開關(guān)。當(dāng)手機App發(fā)出指令1時為窗簾拉上狀態(tài)，由步進電機驅(qū)動轉(zhuǎn)軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸上連接的工作滑塊也隨之往左移動，工作滑塊上安裝有菱形伸縮架，菱形伸縮架一端與限位器固定，下方有鉤子可掛窗簾，工作滑塊移動時將帶動菱形伸縮架移動，下方的窗簾隨著菱形伸縮架的移動組件逐漸被拉上使之達到關(guān)窗簾的效果；當(dāng)使用手機App輸入另一個指令2時，即可讓電機反轉(zhuǎn)從而將窗簾反向拉回去使之達到開窗簾的效果，實現(xiàn)一種遠程控制窗簾開關(guān)的功能。

Arduino不直接控制步進電機，因此選用DM542控制電機驅(qū)動聯(lián)軸器帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而拉動窗簾。DM542型細分型兩相混合式步進電機驅(qū)動器采用直流18V～50V供電，適合輸入電壓為24V的57步進電機，低速運行很平穩(wěn)，幾乎沒有振動和噪音。

綜上，智能網(wǎng)關(guān)是采用Arduino為控制核心的系統(tǒng)，由降壓器（220V→24V）、備用電池充電模塊、電源開關(guān)、HC-50藍牙模塊、光敏電阻模塊、DM542驅(qū)動和57電機等組成，如圖6所示。

2.3 工作流程

如圖7所示為窗簾自動控制系統(tǒng)工作流程。自動模式是智能窗簾設(shè)計最為重要的一部分，核心程序會根據(jù)具體的光照環(huán)境，自動控制窗簾的打開/閉合：當(dāng)室內(nèi)亮度高時，窗簾將自動閉合；當(dāng)室內(nèi)亮度暗時，窗簾將自動拉開。當(dāng)遇到停電等情況時，還可切換為手動模式，電流啟動閥值設(shè)定為200，當(dāng)超過閥值時，電機將帶動窗簾開關(guān)/閉合。并檢測紅外模塊數(shù)據(jù)，確定限位位置。

3 方案改進設(shè)計

綜上所述，以上設(shè)計能夠達到兩種預(yù)期效果，一方面可通過自動控制模塊控制窗簾以調(diào)節(jié)室內(nèi)亮度；另一方面實現(xiàn)遠程控制窗簾的開關(guān)。除了App控制系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)之外還設(shè)有手動系統(tǒng)，當(dāng)意外發(fā)生時撥動開關(guān)即可控制電機正反轉(zhuǎn)，起到了安全保護作用。正常情況下該裝置使用插座供電，在停電的時候?qū)⑶袚Q為備用電源供電，使停電時依舊可以自動控制窗簾。如圖8所示，在原有方案設(shè)計基礎(chǔ)上增加了兩個創(chuàng)新：

1）由于Arduino還留有算力及接口，可再加上DHT11溫濕度傳感器，通過顯示模塊與人交互，由于溫濕度是影響人體感溫度的主要因素，所以將通過虛擬終端計算出人體的真實體感溫度。

2）將藍牙模塊替換為Wi-Fi 模塊，與使用藍牙模塊的功能相比，實現(xiàn)人不在家時可遠程控制窗簾，范圍更廣，還可以通過互聯(lián)網(wǎng)將溫濕度實時數(shù)據(jù)傳輸給手機，通過手機監(jiān)控房間實時的溫度與濕度信息。

在Wi-Fi模塊的設(shè)計中，使用ESP8266Wi-Fi模塊作為數(shù)據(jù)通信模塊，將Gizwits固件下載到模塊中，使用MCU串口與模塊通信，并連接到Gizwits移動App。在使用過程中，使用手機連接Wi-Fi，通過App配置模塊的網(wǎng)絡(luò)，并提供模塊的Wi-Fi連接。關(guān)閉電源并重新啟動模塊，以自動連接到當(dāng)前配置的Wi-Fi。

溫濕度傳感器設(shè)計。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器專門用于監(jiān)測周圍環(huán)境的溫濕度情況[3]，和COM8處理核心元件進行數(shù)據(jù)傳輸工作，利用周圍環(huán)境中的水分影響其電阻值的方式測量濕度，利用NTC電阻對溫度比較敏感的特性測量溫度。調(diào)試時的精準數(shù)據(jù)會被其收錄在存儲器中，以便工作時對照分析。又因為只有一個核心數(shù)據(jù)傳輸接口，因此能夠精確地集中數(shù)據(jù)并傳輸?shù)街付ㄎ恢谩Ｓ捎谛◇w型和消耗資源小的特點，可以應(yīng)對各種復(fù)雜嚴苛的程序，其集成了4針引腳，以便連接。如圖9所示，溫濕度傳感模塊由Arduino328開發(fā)板、DHT11溫濕度傳感器、串口模塊組成，還放置了虛擬終端，用來觀察串口輸出的數(shù)據(jù)。

4 機構(gòu)設(shè)計

如圖10所示，基于傳統(tǒng)收拉窗簾的方式，設(shè)計了雙光軸滾珠絲桿滑臺，具有傳動效率高的特點。其結(jié)構(gòu)包括：①機架導(dǎo)軌體；②工作滑塊；③精密滾珠絲桿；④鋁型材底板；⑤多連桿機構(gòu)組成的菱形伸縮架。選用⑥57步進電機通過⑦法蘭片和⑧聯(lián)軸器與滾珠絲桿連接，工作滑塊與菱形伸縮架通過鉚釘連接。取代了傳統(tǒng)機型上復(fù)雜的滾輪架機構(gòu)，進一步簡化滑動機構(gòu)，從而保證在工作滑塊推動菱形四桿機構(gòu)在機架導(dǎo)軌體中作伸縮滑動過程中的流暢性。針對市面上的自動窗簾裝置中的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用舊吊輪之間直接接觸摩擦的因素導(dǎo)致磨損，影響使用的缺點，本產(chǎn)品在原有的機構(gòu)上進行創(chuàng)新，設(shè)計了菱形伸縮桿件，機構(gòu)更靈活，還可以實現(xiàn)自由延伸。相對于原有的掛布吊輪，不易磨損，更加耐用且維護方便。

在設(shè)計完智能操作系統(tǒng)的同時，以Arduino為核心的控制系統(tǒng)會根據(jù)溫濕度顯示器、光照傳感器和Wifi/藍牙的反饋去改變窗簾收拉程度，窗簾機構(gòu)通過安裝板固定在墻上，兩邊各安裝一個步進電機，進而可朝兩側(cè)收拉窗簾，使得開窗簾時能夠保證陽光能充分照進室內(nèi)；關(guān)窗簾時能夠充分遮擋光照的進入，避免了僅安裝單邊窗簾而可能帶來的收拉長度不夠等局限。另外還裝有備用電源，在停電的時候?qū)⑶袚Q為備用電源供電。

5 結(jié)論

智能窗簾自動控制功能體現(xiàn)在當(dāng)打開或重新啟動時，Arduino首先讀取各傳感器的數(shù)據(jù)，并將其與預(yù)設(shè)條件進行判斷以執(zhí)行開啟或關(guān)閉窗簾的任務(wù)。又因為系統(tǒng)設(shè)計了限位觸發(fā)器，所以窗簾能夠很好地達到完全開啟或關(guān)閉狀態(tài)而不會出現(xiàn)故障，也不會出現(xiàn)窗簾未閉緊或未完全打開的情況。該控制系統(tǒng)設(shè)有三級，其中手動模式具有最高優(yōu)先級，因其具有當(dāng)意外發(fā)生時其他模式可能發(fā)生失效，這時便能起到安全保護作用[5]；第二級為遠程控制模式；第三級為自動控制模式。此設(shè)置的目的在于為家庭用戶提供更多選擇：當(dāng)長時間不在家時，可以將系統(tǒng)置于完全關(guān)閉模式；如果需要完全打開窗簾，可將系統(tǒng)設(shè)置為完全打開模式。為了延長窗簾的使用壽命，當(dāng)系統(tǒng)運行時可將其設(shè)置為長時期處于自動狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)進入自動模式時，每個傳感器都會收集數(shù)據(jù)，并根據(jù)溫濕度、光照強度等參數(shù)確定窗簾的開關(guān)狀態(tài)。同時有了限位器的保護功能，每次窗簾伸縮程度還有時間都會得到控制；傳感器記錄的溫濕度和亮度將實時通過虛擬終端顯示，Arduino將會通過Wi-Fi模塊將接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息傳輸?shù)绞謾CApp等，使人們的居家生活?更具智能化、人性化。此外，本產(chǎn)品已申請實用新型專利，具有一定的市場價值和競爭性。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：梁書】