智能窗控制系統設計

侯盈竹

丹東市第二中學，遼寧丹東 118000

隨著科學技術的飛躍發展，生活水平的不斷提高，人們對安全、舒適、健康的生活需求變得日益迫切。而近年來，智能家居概念已經逐漸深入到國民的生活之中，且不斷地影響著人們的思維[1]。因智能家具控制系統布線簡單、功能靈活，擴展容易而被人們廣泛接受和應用。智能窗戶就是再這樣的環境下應運而生的，具有廣闊的市場空間和應用前景[2]。

智能窗是智能家居的一種，它結構簡單，控制方便[3，4]。主要由機械傳動和智能控制兩大部分組成。應用軟玻璃代替傳統玻璃，運用智能檢測系統檢測甲烷等有毒氣體，保障居家安全；運用藍牙模塊，保持手機與窗之間的通信，查詢屋內溫濕度，控制窗戶的開關。該設計結構簡單，成本低廉。

1 系統總體方案設計

1.1 總體方案框架 （見圖1）

圖1 系統框圖

由于智能窗需要通過傳感器采集數據并實現遠程網絡監控，再加上需要考慮成本、功耗及現實應用等問題。整個智能控制系統由各種傳感器構成的檢測單元、以微處理器為核心的中央處理單元、包括有線通訊和無線通訊的通訊單元三部分組成。系統中的采集終端需要采集溫濕度、可燃氣體、風速等數據，同時支持有線網絡和無線網絡數據傳輸，能夠嵌入一個嵌入式Web服務器及相應的協議，驅動步進電機等任務，因此對數據處理能力和存儲量屬于中低端的需求。綜合考慮51內核8位單片機、ARM系列的微處理器和Cortex-M 系列微處理器，Cortex-M3的性價比最高，設計中選用Cortex-M3系列的STM32F103VET6。

常用的無線通信方式有藍牙、ZigBee、WiFi等，綜合考慮幾種無線傳輸方式，由于無線傳輸主要用于市內，傳輸距離短，而且傳輸速度不需要很快，因此可以考慮采用藍牙和WIFI的傳輸方式。為支持 Internet 網絡，采用模塊化、代碼少，便于移植到到資源有限的嵌入式硬件平臺上的TCP/IP 協議棧。

檢測單元主要通過MQ-2氣體傳感器檢測液化氣、丙烷、氫氣，DHT11濕度傳感器檢測溫濕度、風速傳感器檢測風速。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器的選擇

2.1.1 MQ-2氣體傳感器

MQ-2氣敏元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層，測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測很理想，使用壽命長。

2.1.2 DHT11濕度傳感器

DHT11數字溫濕度傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。產品為4針單排引腳封裝，供電電壓為 3～5.5V。DHT11溫濕度傳感器體積超小、功耗極低，信號傳輸距離可達20m以上。

2.1.3 風速傳感器

選用的 LAM-H4 壓力傳感器采用應變電橋原理，將作用在表面的微小壓力轉化為差分電壓，輸出的信號經放大后再輸入微處理器處理，經換算即可表示風力等級。傳感器精度可保證測量風速精度為0.1 m/s[3]。

2.2 執行機構

采用 42BYG250B 兩相混合式步進電機作為機械部分的驅動裝置，經減速后帶動葉片轉動，選擇 L298N 作為步進電機的驅動芯片。

3 系統軟件設計

中央處理單元將命令分級，最高級別為報警命令，當室內有危險氣體時，會強行開窗；二級命令為手機命令，手機可以遙控窗戶的開關；三級命令為自動命令，檢測屋內溫度濕度酌情開關窗。通信單元通過藍牙模塊保持手機與窗之間的通信，可查詢屋內溫濕度。程序流程圖見圖2，手機控制頁面截圖見圖3。

圖2 程序流程圖

圖3 手機控制頁面截圖

4 整機機構及工作原理

如圖4所示，整個機構由電源3供電，控制器位于控制盒14內，步進電機10的繞線軸11與鋼絲連接，并通過兩組滑輪13與軟玻璃9相連，通過電機正反轉帶動鋼絲旋轉，從而帶動軟玻璃卷曲或伸直，完成窗戶的開關。當檢測單元檢測到有毒氣體、溫濕度變化時，通訊單元接收反饋結果，發出關窗指令，步進電機即時工作，通過兩組滾輪改變鋼絲方向，鋼絲與軟玻璃連接，軟玻璃受到向下的力，緩緩向下運動，限位開關15與軟玻璃最下方接觸后發出信號，步進電機停止工作，關閉窗戶成功。當需要打開窗戶時，步進電機反轉，軟玻璃受到彈簧1扭轉的力向上運動，窗戶完全打開后，玻璃受到彈簧彈力的作用保持靜止。

圖4 整體機構簡圖

5 結語

整個系統結構簡單，成本較低。設計中應用軟玻璃代替傳統玻璃，使控制起來更為方便；同時能檢測甲烷等有毒氣體，保障居家安全；應用手機藍牙，不用手動開關窗，方便、快捷。使設計具有智能化、人性化、網絡化，時尚、方便、安全等特點，可有效提升人們的生活品質。

[1] 王仲文，馬原，段瑞珍，等. 智能窗CAN總線控制系統設計[J]. 哈爾濱理工大學學報，2013，18（4）：20-24.

[2] 孫賓，王茂森，戴勁松，等. 基于CAN總線的家用門窗自動開關控制系統[J]. 四川兵工學報，2011，32（3）：82-84.

[3] 李碩，賈子慶，張明瑋. 基于多傳感器的智能窗系統設計[J]. 電子設計工程，2011，4：6-9.

[4] 宰文嬌，汪華章. 基于步進電機的智能窗戶控制系統設計[J]. 微特電機，2015，43（6）：83-86.

[5] 李勝多，張還，佟春明. 基于PLC的多功能智能窗的設計[J]. 青島農業大學學報，2010，27（1）：84-88.

[6] 程緒長. 基于MSP430的智能窗控制系統的研究[J]. 電子技術與軟件工程，2015，21：70-72.