窗戶智能監測及清洗系統設計

◎陳喬 李玉麗 姜皓銘 黎青霖

引言：隨著現代社會的發展，智能家居對人們的生活環境起著越來越重要的作用。但是目前無論是用于家庭住房的窗戶，還是用于商場、醫院等公共場所的窗戶，都是傳統型窗戶，即需要人操作其開啟和關閉。本文研究了一種可以檢測環境中空氣質量狀況，既能夠自動開啟和關閉，同時控制后臺能將檢測的空氣質量數據發送給住戶，也能遠程控制實現通風或者封閉功能的智能窗戶，從而起到保證室內空氣質量的目的。窗戶同時也能根據污染程度用機械臂進行智能清潔，保持窗戶自身的潔凈。

一、系統設計

1.傳感器監測系統設計。利用夏普GP2Y1010AU0 粉塵傳感器、溫濕傳感器AM2301 元件檢測出系統需要工作的相關數值，通過將所檢測的相關數據經A/D 轉換成數字量發送到單片機系統。傳感監測模塊設置于窗外，用于監測外部空氣信息情況，例如PM2.5 濃度檢測、有毒氣體檢測、溫度檢測、濕度檢測等，獲取相關參數信息。

2.單片機控制系統。STM32 單片機系統實現能與不同的現場設備進行通信。本系統通過運用ZigBee 和藍牙無線傳輸功能做到實時信號傳輸，將各系統信息傳輸到云平臺主控制信息顯示端，在OLED 屏幕上進行顯示，以保證系統的信號監測以及無線控制，并將控制信號傳輸到室內空氣凈化系統使其運行，同時用戶也能隨時隨地通過手機APP 來實現精準控制。

3.清洗系統。設計機械臂裝置，通過陀螺儀傳感器來操作擦窗方向的控制，采用壓力傳感器來進行機械臂的伸縮控制，通過這種方式把機械臂設計成可伸縮模式，就能夠對不同尺寸的窗戶進行擦洗，方便實用。

4.智能警報系統。當本設計其他系統工作出現故障或是數值預警報告時，通過無線傳輸模塊系統傳送到用戶，達到預警功能。

5.電力系統及相關元件選擇。設計相關的電路，來確保本設計各個系統的電力保障，做好備用電力系統的相關設計，設計的電路線路和所選擇使用的各種元件要能防水，并能在惡劣天氣持續工作，減少系統的損耗，保證系統的使用壽命。

二、工作過程及原理

當獲得相關信息后，傳感檢測模塊將信息通過無線發射模塊和無線接收模塊傳送至控制模塊，控制模塊對參數信息進行判斷，如果在合適范圍內，則開始判斷當前窗戶是否處于打開狀態，如果是打開狀態，則不進行任何操作，保證窗內和窗外的空氣流動，如果當前窗戶是處于關閉狀態，則使位置檢測模塊開始工作，再使電機傳動模塊開始工作，電機轉動，使窗戶打開，此時當位置檢測模塊感應到窗戶達到窗框的邊界極限位置時，則通知控制模塊，此時控制模塊關閉電機傳動模塊后再關閉位置檢測模塊。此時，窗戶打開，窗內和窗外開始空氣流通。同樣地，如果傳感檢測模塊將信息由無憑通訊模塊傳送至控制模塊后，控制模塊判斷當前的空氣參數不在合適范圍內，例如PM2.5 濃度超標，則開始判斷當前窗戶是否處于打開狀態，如果是關閉狀態，則將報警信號通過無線傳輸傳達給用戶，用戶決定是否啟動清潔系統，清潔系統采用機械臂加陀螺儀，在窗內和窗外的隔絕的同時確保窗戶干凈：如果當前窗戶是處于打開狀態，則使位置檢測模塊開始工作，再使電機傳動模塊開始工作，電機轉動，使窗戶關閉，此時當位置檢測模塊感應到窗戶達到窗框的邊界極限位置時，則通知控制模塊，此時控制模塊關閉電機傳動模塊后再關閉位置檢測模塊，此時，窗戶關閉，窗內和窗外相互隔絕，再由用戶決定是否啟動清潔。

進行以上操作時，如果傳感檢測模塊檢測到空氣質量不在合適范圍時，可以同時開啟報警模塊，警告相關人員，得到報警應答后取消報警。原理如圖1 所示。

圖1 系統流程圖

三、結語

本文所提到的窗戶的智能監測和清洗系統，針對目前智能家居對空氣質量的需求結合高層建筑玻璃窗和玻璃幕墻的清潔方式存在的不足，提出一種基于STM32 單片機的窗戶自動監測及清洗系統解決方案。對系統整體功能和總體設計方案進行了描述，介紹了各個功能模塊的設計步驟和核心思想。通過在實驗室試驗平臺上進行測試，表明本系統的性能達到設計目標，實現了預期的各種功能，能夠在成本、效率、簡便度等方面取得一個較好的平衡點。同時機械清洗降低了人工對高層建筑物窗戶外側清洗時不安全不方便的因素；設計的思想對于建筑物自動化清洗領域也有著重要的參考意義。