基于Wifi控制的多功能高空窗設計＊

楊雪松，黃 宏

（西北民族大學電氣工程學院，甘肅 蘭州 730124）

基于Wifi控制的多功能高空窗設計＊

楊雪松，黃 宏

（西北民族大學電氣工程學院，甘肅 蘭州 730124）

本文提出了一種基于Wifi控制的多功能高空窗設計方案。該方案采用AT89S52單片機作為主控，手機APP借助Wifi可進行終端控制高空窗實現其功能。該高空窗基于多種傳感器實現可感光式自動窗簾、自動清洗、濕度檢測等功能。最后對其測試進行了討論，證明了該方案的可行性。

高空窗；Wifi；傳感器

1 概述

智能高空窗系統是由環境監測系統，安全報警系統[1]，雨刷清洗系統，硬件主控系統，信號傳輸功能，手機控制系統等具有相關輔助功能的裝置構成。戶內外環境中的光、熱、光等物理量，通過相關的傳感器轉變為電信號，經Wifi模塊傳輸，由手機接收經過APP智能處理運算和人為操控，從而可以實現高空窗定時清洗、防盜報警、自動開關窗簾、自動開關窗。智能高空窗能夠根據環境中溫度、光照、濕度、風速自動開關窗和窗簾，自動或手動控制進行清洗玻璃，監測是否有人通過窗戶。這些功能的實現可以減輕人們的家務量并提高了家庭安全。

現在市場上的產品多是沒有設計任何輔助功能的高空窗，或者是只有單一簡單功能的智能化高空窗。此類高空窗功能單一，價格高昂且安全系數低，并且隨著物聯網時代的到來已經不再具有任何優勢。

2 系統總體設計方案

智能高空窗項目是以步進電機電機正反轉來控制窗戶、窗簾的開關和以水泵引水清洗玻璃為基礎，在此基礎上通過AT89S52單片機為核心的處理模塊對各個傳感模塊的輸入量分析，得到外界環境情況，繼而通過Wifi模塊把信息傳給手機APP,由手機端發出相關指令給單片機，單片機通過輸出PWM波控制控制步進電機的轉動和繼電器的開關，達到關閉窗戶、窗簾和驅動雨刷清洗玻璃的功能。整個系統分為用戶模式與智能模式。用戶模式下，通過手機APP可以遠程控制窗戶和窗簾的開關，而在智能模式下，窗戶智能的通過外界環境量來判斷。考慮到安全和一些特殊情況的原因，用戶模式的權限要大于智能模式，這樣可以防止用戶控制與傳感模塊同時控制時出現的窗戶的不穩定、在長時間沒有使用用戶模式時，系統將自動切換至智能模式。如圖1所示。

圖1 系統總體原理圖

3 系統詳細設計方案

3.1 硬件設計

3.1.1 主控結構設計

該結構以單片機主控板AT89S52為主控芯片，主要功能有I/O端口，邏輯處理判斷，外部電路驅動及A/D采樣，是前端采集應答智能化的集中體現。各路傳感器和電機繼電器都直接與單片機連接，且供電線都與單片機VCC和GND引腳相連以提供5V工作電壓，信號端與單片機的可編程輸入/輸出引腳相連接。除了實現對外部電路的控制和信息處理，還實現著與手機軟件的信息交互，如圖1所示。

圖2 主控結構局部連接電路圖

3.1.2 環境監測傳感器結構設計

為了監測室內外環境因素的變化，使用了光敏傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、風速傳感器、人體紅外傳感器[2]。這些傳感器直接連接在單片機上，電源接在單片機VCC和GND引腳。可直接把數據傳給主控芯片。

情景設計如下：當外界刮大風，風速傳感器檢測到大風信號并轉換為電信號將信號傳送給單片機；當室內可燃性氣體、煙霧等超過一定的標準時，煙霧傳感器會檢測到空氣中的煙霧信號轉換為電信號后傳給單片機；當窗戶外有人駐留時，阻斷了紅外線探測器的發射接收通路傳給單片機的電位發生變化。

3.1.3 窗體結構

窗體采用常見的下懸式結構，窗戶開起方式由自動與手動開啟相結合，動力由20kg扭力電機提供，由36v鋰電池組提供電能。這在很大程度上對人們開關窗提供了方便，尤其是遠程操作可以合、關閉窗戶，且具有很高的安全性。

3.1.4 輔助機械結構設計

1)自動雨刷裝置:繼電器工作接通電源，電機進行工作，帶動雨刷從窗體邊緣運行，至另一邊緣自動停止，然后電機帶動雨刷做往返運動，進行清洗。由玻璃頂部噴頭向下噴灑水，可以對玻璃進行潤濕。

2）雨水收集凈化裝置：窗戶外部另置集水槽來收集雨水，通過過濾凈化裝置儲存在窗體內部小型水箱。當雨刷工作時，在程序的作用下啟動水泵進行玻璃潤濕，很好的反補了雨刷清洗玻璃時的潤濕問題，實現水資源的重復利用。采用的36V小型水泵由家庭交流電變壓供電。

3)自動窗簾裝置：窗簾為普通窗簾，由光敏傳感器實時監測晝夜更替與光線的強弱或通過Wife手機端控制，啟動繼電器開關接通電源，電機就會帶動窗簾自動降下或升起。

3.1.5 Wifi傳輸模塊設計

功能是將串口或TTL電平轉為符合Wifi無線網絡通信標準[3]的嵌入式模塊，內置無線網絡協議IEEE802.11b.g.n協議棧以及TCP/IP協議棧。此模塊置于窗體旁，實時將各模塊采集的數據經單片機通過Wifi電磁波發送至信號覆蓋區域的手機上。手機返回指令通過Wifi發送到單片機，單片機再向下一級傳遞指令，如圖3所示。

圖3 Wife模塊部分電路圖

3.2 軟件設計

手機APP軟件是在eclipse集成開發環境中編寫完成，能夠安裝在安卓手機等移動終端的監控界面，可在手機上點擊、觸摸屏幕發送指令，讓窗戶自動擦洗、自動開關、并返回傳感器的實時監控數據。將手機連到wifi網絡，打開APP軟件，隨后軟件自動監聽并轉Wifi的IP地址和端口。此時有節點網絡之后，在軟件的配置界面里面出現未配置的節點，我們點擊配置，設置參數、修改名稱之后，在界面上就會顯示這個已經配置好的節點。

隨后軟件自動按照配置好的參數進行指令下發和其他的操作。例如溫度、濕度、光敏、風速和人體紅外我們設置采集周期為5s，則軟件沒間隔5s，則通過Wifi下發一次獲取這些數據的指令，隨后就可以收到這些數據了。得到數據后可以與原設標準值作對比，由主控端自動或人為通過手機APP對窗戶開關、窗簾開關、雨刷開關進行控制，且人體紅外傳感器的數據必須返回給手機APP，以方便對家庭安全的監管，如圖4所示。

圖4 軟件總體工作流程圖

4 系統整體測試

為了檢測光敏電阻傳感器、溫度傳感器在實際運用中的性能，對于不同距離上的光熱進行響應特性的測試，測試結果表明所選用的硬件模塊能夠長距離、長時間進行穩定可靠的工作，其響應的速度在2s內，能夠滿足現場的使用需求。

對于濕度、風速傳感器在通風狀態下進行濕度、風速的特性測試，結果表明所選用的傳感器能夠對于空氣水分與風速有著較顯著的靈敏度，并能滿足后續的電路要求。

對于人體紅外傳感器，進行了現場的環境實驗和紅外測量與測定實驗，測試中，能夠對3m一內的人進行感知，而對3m以內的鳥類或家庭寵物沒有感應。結果顯示系統的感應性度好，系統的抗干擾性能良好，能夠正常工作，能夠適用于不同的場景[4]。

5 結論

本文提出的基于wifi的多功能高空窗功能多樣，操作便捷，智能化程度高。作為智能家居中的智能窗，其應用前景，隨著人們生活質量的提高，毋庸置疑是極為廣泛的，相信智能窗能夠為人們營造出一個更加方便智能的生活環境。當然更廣泛的應用是建立在系統的集成化和穩定性性能有更大提高的基礎之上，因此如何提高本設計的性能將是未來研究的主要方向。

[1] 黃凱.無線家居安防報警系統設計[D].遼寧工程技術大學,2008.

[2] 梁光清.基于被動式紅外探測器的人體識別技術研究[D].重慶大學,2009.

[3] 孫潤.基于WiFi智能家居的網關設計[D].西安工業大學, 2015.

[4] 程杰，黃鴻.傳感器與檢測技術[M].高等教育出版社,2001.

TP399

西北民族大學2016年度實驗室開放項目(SYSKF-2016088)。