基于信息融合技術的智能窗戶

侯熙楠 趙志敏 石家莊二中實驗學校

1 目的和意義

保持室內(nèi)空氣清新，經(jīng)常通風換氣是良好的生活習慣，保持健康的有效方式，但如果家中無人的時候，遇到嚴重的霧霾天氣空氣中的氣體污染物進入室內(nèi)影響人民的身體健康，瓢潑大雨會淋濕室內(nèi)的地板電器造成財產(chǎn)損失，室內(nèi)煤氣的泄露會會危及公眾的生命安全。因此設計一種具有自動開關的智能窗戶很有需求，目前國內(nèi)外已有具備自動開關功能的智能窗戶。但是這些智能窗戶的研究存在一些問題，首先，不同人的生活習慣不同，自身適應調(diào)節(jié)能力也不同，在同樣的天氣條件下，有人會選擇開窗，而有些人會選擇關窗，比如下小雨的天氣，空氣質(zhì)量優(yōu)良，有人就喜歡開窗呼吸新鮮空氣，而風濕病人對潮濕比較敏感，則會選擇關閉窗戶，其實這就是說開閉窗的閾值需要個性化的設置，采用什么方式來實現(xiàn)？其次，傳感器受制于成本問題，每種傳感器只安裝一個，當傳感器出現(xiàn)故障的時候，可能會出現(xiàn)反復開窗和誤開閉窗的情況，因此基于上述兩點考慮，我希望對智能窗戶進行改進，實現(xiàn)個性化設置和消除誤操作。

2 設計思路

在手機上設計一個APP，在APP上可以修改每個對應傳感器的閾值，手機和智能窗戶通過藍牙進行通信，使用者可以根據(jù)自己的習慣修改成適合自己的參數(shù)，從而實現(xiàn)個性化設置；由于多傳感器數(shù)據(jù)信息冗余可以增加系統(tǒng)的可靠性，可以采用數(shù)據(jù)層加權表決方法增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我使用了三個PM2.5傳感器來增加信息的冗余度，大大降低因傳感器故障造成的反復開窗和誤開閉窗的概率，，我選用了二個精度高的PM2.5傳感器和一個精度較低的傳感器，精度最高的傳感器對應權值為0.4，精度低的傳感器對應權值為0.2，可以看出某一個PM2.5發(fā)生故障的情況不會出現(xiàn)反復開窗和誤開窗的情況。

3 研究過程

先根據(jù)項目要實現(xiàn)的功能，制作一個智能窗戶模型，其具體功能如下：(1)檢測空氣質(zhì)量；(2)室內(nèi)安全隱患檢測；(3)檢測溫度、濕度；(4)檢測雨水；(5)工作時間控制；(6)檢測四季;(7)自動+手動人性化設置。其次，結合自己所學的知識以及平時動手時間的經(jīng)驗，對整個的設計框圖有一個構想，并且明確各部分的主要功能以及系統(tǒng)的工作流程。由于智能窗戶是一個涉及機械、電子、通訊和軟件技術等方面的控制系統(tǒng)，并要將其有機的結合在一起，工作流程如下描述：智能窗戶處于工作過程中時，單片機對PM2.5、煙霧檢測模塊，溫度、濕度、雨水傳感模塊以及紅外感應模塊等多傳感器進行實時數(shù)據(jù)采集，然后在單片機內(nèi)部通過信息融合技術進行分析（軟件實現(xiàn)），通過開關繼電器控制電機來完成以完成相應太陽能窗戶的控制功能（開關），系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

多傳感器信息融合的具體工作模式如表1所示，表中煤氣檢測、雨水檢測、霧霾檢測、濕度檢測欄對應數(shù)字“1”表示超過預設閾值，“0”表示低于預設閾值，溫度檢測欄對應數(shù)字“0”表示超過預設最高溫度或低于最低預設溫度，下面舉例說明工作過程等，當單片機檢測到煤氣傳感器超過閾值時，并且通過檢查霍爾傳感器判斷窗戶當前狀態(tài)為關時，無論其他傳感器是否超出閾值，均驅(qū)動電機打開窗戶，無論外面是否是霧霾天氣還是下大雨的情況；在沒有發(fā)生煤氣泄露的情況下，此時只要檢測到有雨或者空氣質(zhì)量不佳都會關閉窗戶；在無雨并且空氣質(zhì)量不錯的天氣，如果檢測到外面溫度不在閾值范圍或者濕度過高，也會關閉窗戶，這主要是考慮到家里有風濕病人的時候，當室外濕度過高時給病人帶來痛苦。

表1 多傳感器信息融合工作模式

智能窗戶的基本功能實現(xiàn)之后，著手進行第二步的工作，就是解決兩個問題，個性化設置問題和誤操作問題，通過查閱資料，發(fā)現(xiàn)可以利用手機APP通過藍牙修改傳感器的閾值很方便而且更加靈活，因為如果不采用這種方式，當單片機的程序固化以后，如果要更改閾值就必須通過重新編寫程序燒錄，非常麻煩。誤操作問題通過將窗戶的控制模式設置為手動和自動兩種模式來克服，自動模式運行過程中窗戶的開關完全有單片機軟件和硬件協(xié)同工作，手動操作模式運行過程中，窗戶的開關完全由使用者來操作，使用者通過手機APP上的功能鍵通過藍牙實現(xiàn)對窗戶的操控開關。同時手機APP還具備設定各傳感器閾值，比如不同使用者在同樣的下雨天感受不同，也許有人會開窗，有人會關窗，通過手機APP，使用者可以根據(jù)自己的情況更改雨水傳感器的閾值達到自己的需求，從來達到個性化的目的。

4 實施結果

在測試過程中，使用點燃的香煙來測試模擬霧霾，礦泉水滴落在雨水傳感器模擬雨水，加濕器增加外部濕度來模擬室外濕度較高的情況，使用打火機產(chǎn)生局部高溫模擬室外溫度較高的情況，從測試結果來看，都能達到預期的效果。

5 討論總結

基于信息融合技術的智能窗戶，使用多種傳感器實時監(jiān)測室內(nèi)外環(huán)境信息，具有煤氣泄露檢測、霧霾防護、自動防雨等多種功能，系統(tǒng)魯棒性強、避免了反復開關窗和誤開窗的情況，成本低、使用方法簡單，自動、手動兩種工作模式更加靈活，人性化。

[1]王爽，王瑞，許耐冬.一種實用新型智能窗戶設計.中國高新技術企業(yè)[J]2015（8）

[2]浦靈敏，季愛明.基于STC89C52單片機智能窗戶控制系統(tǒng)的設計.中國科技信息[J]2001（10）

[3]范文良，李兵尚.基于物聯(lián)網(wǎng)信息平臺的智能窗戶設計.微型機與應用[J]2015（19）

[4]郭海志，劉偉，袁若冰.基于單片機設計的智能呼吸窗.現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化[J]2015（10）

[5]蔡毅.“智能窗戶”節(jié)能又發(fā)電.環(huán)球科學[J].2013（12）

[6]王耀南，李樹濤.多傳感器信息融合及其應用綜述.控制與決策[J].2001（5）