基于物聯(lián)網(wǎng)信息平臺的智能窗戶設(shè)計

范文良，李兵尚

（1.國家檢察官學(xué)院，北京 102206；2.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的提高，智能家居的概念越來越深入人心，人們希望自己的住宅可以更舒適、更安全、更科學(xué)、更智能。智能窗戶作為智能家居的重要組成部分，必將成為未來人們對窗戶的主要需求和發(fā)展方向[1-2]。

窗戶是室內(nèi)與外界交流的通道，智能窗戶的設(shè)計，將為人們的健康生活提供良好的環(huán)境監(jiān)護(hù)，它可以自動開啟進(jìn)行新鮮空氣的置換，當(dāng)遇到大風(fēng)、下雨、空氣濕度大等天氣變化時，它能自動關(guān)閉；當(dāng)有外物撞擊窗戶或穿越窗戶時，它能準(zhǔn)確地感應(yīng)并發(fā)出報警，同時以短信的形式通知用戶；當(dāng)室內(nèi)有害氣體（如一氧化碳、甲醛等）超標(biāo)時，它能判斷超標(biāo)值的大小及危害程度，并自行決定出窗戶開啟幅度的大小。諸如此類的環(huán)境及設(shè)備狀態(tài)信息，由智能窗戶的核心控制模塊處理，然后通過物聯(lián)網(wǎng)，最終將信息推送到用戶的手機(jī)，用戶還可以做出判斷，并通過手機(jī)平臺進(jìn)行干預(yù)和遙控。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

如圖1所示，整個智能窗戶系統(tǒng)由窗戶本體及機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、ARM控制核心模塊、供電模塊、傳感器模塊、物聯(lián)網(wǎng)及用戶終端（如手機(jī)）組成。ARM控制核心模塊通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)不同方式窗戶本體的開啟和關(guān)閉，通過傳感器模塊采集室外大氣濕度、室內(nèi)有害氣體、大風(fēng)、窗體振動、窗戶開關(guān)狀態(tài)等信息。手機(jī)終端通過通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)、無線傳輸模塊與核心控制模塊建立信息交流和用戶指令的下達(dá)。供電模塊為整個智能窗戶系統(tǒng)提供電力保障。

圖1 智能窗戶系統(tǒng)框圖

1.1 窗戶本體

窗戶可采用平移式或轉(zhuǎn)動式，例如參考文獻(xiàn)[1]采用的是平移式，參考文獻(xiàn)[2]采用轉(zhuǎn)動式，根據(jù)窗戶的開關(guān)方式選擇相應(yīng)的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)模塊。機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)綜合考慮小巧、可靠、運行噪音低、易維護(hù)、成本低等諸多因素。窗戶開關(guān)的動力來自電機(jī)，對窗戶開啟幅度的精確控制宜采用步進(jìn)電機(jī)[3-5]，由ARM控制核心模塊直接發(fā)送控制指令控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和步數(shù)，經(jīng)傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)窗戶本體的自動平移或轉(zhuǎn)動。

1.2 ARM控制核心模塊

ARM控制模塊的內(nèi)部組成如圖2所示，基于utu Linux嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)，以32 bit ARM920為內(nèi)核，工作頻率400 MHz，JTAG調(diào)試模塊為用戶對主控模塊進(jìn)行調(diào)試和二次開發(fā)提供端口。為了提高嵌入式操作系統(tǒng)運行的速度和效率，ARM920核心控制芯片擴(kuò)展了32 MB SDRAM靜態(tài)內(nèi)存作為程序數(shù)據(jù)運算的暫存空間，硬件基于HY57V561620RT-H芯片開發(fā)。外擴(kuò)的64 MB Flash可擦寫存儲器用來存儲系統(tǒng)掉電后仍需要保存的代碼和數(shù)據(jù)，也是嵌入式操作系統(tǒng)固化程序的存儲空間，硬件基于K9F1208UOM芯片開發(fā)。

圖2 ARM控制核心模塊

1.3 供電模塊

供電模塊可根據(jù)用戶用電的現(xiàn)有條件選用。可采用220 V方式供電，但要考慮意外情況斷電問題。如果發(fā)生意外斷電，控制模塊應(yīng)能感應(yīng)到并做出判斷，緊急啟用其備用蓄電模塊的電能將窗戶關(guān)閉。還可以在條件具備的情況下，選用太陽能或其他方式供電，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲存在蓄電池中，為整個系統(tǒng)供電。

1.4 傳感器模塊

傳感器模塊可根據(jù)用戶的要求量身定做，采用模塊化的設(shè)計思想，對于特殊要求要選用滿足感知靈敏度需要的傳感器，費用會提高。通常情況下，用戶會有以下需求：當(dāng)室內(nèi)空氣不清新時，需與戶外空氣置換（可以為用戶干預(yù)模式）；當(dāng)窗戶處于開啟狀態(tài)遇到大風(fēng)時，需關(guān)閉；窗戶被外物撞擊或有人要翻窗而入時，智能系統(tǒng)及時向用戶發(fā)出報警信息；窗戶處于開啟狀態(tài)，但戶外濕度過大或下雨時，需關(guān)閉窗戶；室內(nèi)有害氣體（如甲醛等）嚴(yán)重超標(biāo)時，需提醒用戶，并自動應(yīng)急開啟，但需感知窗戶開啟的幅度并進(jìn)行控制。根據(jù)用戶的可能需要，開發(fā)各種傳感分模塊，針對具體用戶，只需將分模塊插合于總線端子上即可。如對大氣溫濕度的感知由溫濕度測量模塊完成，可選用SHT10傳感器芯片，每秒進(jìn)行3次測量和數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)精度選擇12 bit。SHT10傳感器芯片是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全量程標(biāo)定數(shù)字輸出。芯片內(nèi)部集成一個用能隙材料制成的溫度敏感元件和一個電容性聚合體濕度敏感元件，通過12 bit A/D轉(zhuǎn)換器和串行接口傳送測量數(shù)據(jù)。溫濕度測量模塊初始化時，使用Linux 2.6內(nèi)核函數(shù)將設(shè)備注冊到ARM內(nèi)核。

1.5 用戶終端模塊

用戶終端模塊包含通信模塊（其接口協(xié)議并入并可搭載聯(lián)通、移動、電信等網(wǎng)絡(luò)平臺）、物聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與ARM控制核心模塊進(jìn)行信息交流的無線傳輸模塊。其中ARM控制核心模塊經(jīng)無線傳輸模塊、物聯(lián)網(wǎng)、通信模塊與終端手機(jī)平臺進(jìn)行監(jiān)控信息的交互及控制指令的下達(dá)。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計

如圖3所示，智能系統(tǒng)啟動后，先進(jìn)行設(shè)備模塊端口初始化，然后進(jìn)入系統(tǒng)自檢，自檢通過后，主控模塊對傳感器通道進(jìn)行選擇、數(shù)據(jù)采集，同時根據(jù)用戶的控制指令（若無控制指令，則按照既定程序判斷）以及監(jiān)控的窗戶當(dāng)前狀態(tài)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、分析，處理信息通過物聯(lián)網(wǎng)傳至手機(jī)平臺，用戶可以觀察信息，并進(jìn)行人工干預(yù)，同時，控制核心模塊發(fā)出窗戶的開啟、關(guān)閉等控制指令，驅(qū)動機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)動作，使窗戶開啟或關(guān)閉。

圖3 智能窗戶系統(tǒng)程序設(shè)計框圖

ARM智能窗戶控制核心程序基于Linux 2.6開發(fā)平臺，該軟件具有圖形界面良好、網(wǎng)絡(luò)資源豐富、內(nèi)核可定制等優(yōu)點。Linux 2.6編制的程序具有實時性強(qiáng)、方便移植、可內(nèi)存共享以及I/O系統(tǒng)優(yōu)化等特點[6]。嵌入式程序設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、溫濕度誤差補(bǔ)償模塊和上位機(jī)響應(yīng)模塊等。對傳感器的誤差補(bǔ)償采用軟件實現(xiàn)比硬件方案方法更簡單、更靈活而且更穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的智能窗戶系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)與用戶終端建立人窗交流，智能模塊能自動采集傳感通道信息，對大風(fēng)、下雨、空氣置換等做出判斷，可完成原來需人工思考才能完成的事情，控制窗戶的開啟或關(guān)閉，監(jiān)控窗戶的實時狀態(tài)信息，并且可根據(jù)用戶的要求，即所要監(jiān)控的室內(nèi)、室外環(huán)境因子，量身定制智能窗戶的功能模塊。隨著智能家居的發(fā)展，智能窗戶作為其不可或缺的組成部分，必將對提高人們生活質(zhì)量起到重要作用。

[1]何剛，馮啟明.一種智能平移式窗戶啟閉器的設(shè)計[J].機(jī)電技術(shù)，2011，12（6）：85-86.

[2]苗現(xiàn)華.智能化窗戶的設(shè)計[J].江西科學(xué)，2014，32（1）：114-117.

[3]陳居現(xiàn)，李英堂，李英勇.基于步進(jìn)電機(jī)的一種運動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2012，39（11）：26-27.

[4]顧瑞娟，王宇，張善從.基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2012，33（1）：111-115.

[5]石星星，吳洪濤.基于專用控制芯片的步進(jìn)電機(jī)運動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2012，20（9）：130-133.

[6]韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.