淺談智能窗戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新思路

鄭路 劉輝恒 李曉梅

摘 要 本文設(shè)計(jì)的“智能窗戶系統(tǒng)”是窗戶和窗簾兩個(gè)部分的智能結(jié)合體。此系統(tǒng)以單片機(jī)為主控制器，運(yùn)用傳感器技術(shù)、通信技術(shù)使窗戶窗簾成為有機(jī)結(jié)合的智能系統(tǒng)。此系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于分為“有人在家”，“無人在家”兩種工作模式，兩種模式實(shí)現(xiàn)不同情況下運(yùn)用不同的功能，更加人性化，營造出高效、舒適、便捷的居住環(huán)境。

關(guān)鍵詞 智能窗戶系統(tǒng);傳感器技術(shù);單片機(jī);兩種工作模式

前言

“窗戶”給了人們向外看的機(jī)會(huì)，但在物理層面將人們隔離，既向外探求，又制造安全地帶。從古至今，出現(xiàn)在我們眼前的窗戶琳瑯滿目，巧奪天工。隨著智能時(shí)代、信息時(shí)代的到來，特別是現(xiàn)在5G時(shí)代的到來，隨著生活水平的提高，人們對(duì)智能化產(chǎn)品的個(gè)性化需求不斷提高。中國正在引領(lǐng)5G發(fā)展，世界將處于萬物互聯(lián)的時(shí)代，智能技術(shù)，通信技術(shù)，傳感器技術(shù)已經(jīng)用到了生活的方方面面。因此有著幾千年歷史文化的窗戶必將在智能化的道路上給人們不一樣的體驗(yàn)。智能家居系統(tǒng)也已經(jīng)非常成熟，各種各樣的智能窗戶也被設(shè)計(jì)出來。但是現(xiàn)階段的智能窗戶大多還是單一的自動(dòng)開關(guān)系統(tǒng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)個(gè)性化的需求了。本文設(shè)計(jì)的“智能窗戶系統(tǒng)”是窗戶和窗簾兩個(gè)部分的智能結(jié)合體。此系統(tǒng)以單片機(jī)為主控制器，結(jié)合各種傳感器，運(yùn)用通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)使窗戶窗簾成為有機(jī)結(jié)合的智能系統(tǒng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的窗戶，窗簾，“智能窗戶系統(tǒng)”更能滿足人們對(duì)于生活品質(zhì)的追求。在春夏秋冬的交替變化中，隨著不同的天氣變化，人們對(duì)于窗簾、窗戶。打開與閉合的需求大多是不同的;在“早中晚”一天的變化中，及時(shí)間段的不同，人們對(duì)于窗簾、窗戶打開與閉合的需求也是不一致的，以及有人在家和無人在家對(duì)窗戶的功能需求也是不同的。這也就為智能窗戶系統(tǒng)的研發(fā)提供了市場價(jià)值。此系統(tǒng)分為“有人在家”，“無人在家”兩種工作模式，兩種模式實(shí)現(xiàn)不同情況下運(yùn)用不同的功能，更加人性化，營造出更高效、更舒適、更便捷的居住環(huán)境，讓我們一起去感受智能窗戶系統(tǒng)給我們帶來的舒適體驗(yàn)[1]。

1基于單片機(jī)技術(shù)的智能窗戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1.1 系統(tǒng)的總體框圖

此系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控制器，利用單片機(jī)的GPIO、定時(shí)器，中斷，通信等功能結(jié)合光敏傳感器，濕度傳感器，溫度傳感器，雨滴檢測傳感器，PM2.5檢測等各種傳感器來智能化我們的窗戶系統(tǒng)。根據(jù)家里有人無人兩種情況，編寫不同的程序代碼，分為“有人在家”和“無人在家”兩種工作模式，每種模式下對(duì)應(yīng)不同的功能。單片機(jī)作為主控制器通過與傳感器輸入輸出操作來檢測室內(nèi)外溫濕度，空氣質(zhì)量，光線強(qiáng)度等等指標(biāo)，再與我們?cè)O(shè)置的個(gè)性化參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，最后智能控制電機(jī)來開關(guān)窗戶、窗簾，顯示器顯示需要的參數(shù)。通過無線通信技術(shù)手機(jī)可以用手機(jī)更加高效的控制我們的窗戶系統(tǒng)，無人在家時(shí)，火災(zāi)報(bào)警，防盜報(bào)警系統(tǒng)也能通過手機(jī)把消息通過手機(jī)及時(shí)傳遞給我們[2]。

1.2 單片機(jī)主控模塊

此系統(tǒng)以STM32F407單片機(jī)作為主控制器，STM407是ST公司2011年推出基于Cortex M4內(nèi)核的STM32F4系列產(chǎn)品。STM32的IO口非常的多，而且與其他外設(shè)模塊通常是復(fù)用的，在不同的外設(shè)中IO口的設(shè)置也是不一樣的。STM32的定時(shí)器也非常多，主要用到兩個(gè)部分：用定時(shí)器產(chǎn)生PWM和定時(shí)觸發(fā)ADC。還有中斷，USART串口通信等強(qiáng)大功能，完全可以滿足我們多傳感器，多外設(shè)的龐大智能窗戶系統(tǒng)[3]。

1.3 硬件電路設(shè)計(jì)思路

用STM32F407單片機(jī)主控制器，結(jié)合各種電路，制造結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)靈敏，功耗低，實(shí)用性高的智能窗戶系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)窗戶的智能通風(fēng)，換氣，智能改變室內(nèi)光照，調(diào)節(jié)濕度，溫度。提供了更方便、快捷、舒適安全的生活環(huán)境。

（1）電源電路：窗戶是能長時(shí)間接受日曬的地方，因此可以用太陽能作為整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力來源，非常節(jié)能。符合國家清潔能源的倡導(dǎo)。

（2）數(shù)據(jù)檢測傳感電路：一是用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器來檢測溫濕度，該傳感器是一款含有已交準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，數(shù)據(jù)端口采用串行數(shù)據(jù)，單總線的。二用PM2.5傳感器檢測空氣質(zhì)量，也叫粉塵傳感器，可用來檢測我們周圍空氣中的粉塵濃度。三是用HC-SR501人體傳感器來制作紅外防盜電路，無人在家模式時(shí)用來防盜報(bào)警。四是用煙霧傳感器設(shè)計(jì)火災(zāi)報(bào)警電路，該傳感器是用來檢測煙霧的濃度來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的。五用雨滴檢測傳感器，用于檢測下雨及雨量的大小，根據(jù)雨滴沖擊能量的變化進(jìn)行檢測。檢測到下雨及時(shí)關(guān)窗。

（3）窗驅(qū)動(dòng)電路：開關(guān)窗驅(qū)動(dòng)電路，用步進(jìn)電機(jī)28BYJ48和ULN2003驅(qū)動(dòng)板來控制窗戶的開關(guān)

（4）液晶顯示電路：用OLED顯示屏模塊來顯示工作模式的菜單以及顯示需要的參數(shù)[4]。

1.4 兩種工作模式

根據(jù)檢測家里有無人，或者手動(dòng)設(shè)置工作模式，可以使系統(tǒng)工作在不同的模式下，不同的模式下對(duì)應(yīng)不同的功能。

（1）“無人在家”功能：①家里無人通過檢測雨水，下雨時(shí)自動(dòng)關(guān)閉窗，玻璃自動(dòng)清洗。②外出開啟報(bào)警系統(tǒng)：發(fā)生火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警，有人通過玻璃進(jìn)入偷盜自動(dòng)報(bào)警。③室外空氣質(zhì)量（PM2.5，溫濕度）好的情況下，定時(shí)開窗通風(fēng)換氣④手動(dòng)控制：該功能是根據(jù)用戶的需求通過手機(jī)進(jìn)行窗簾的開關(guān)，此功能可以使窗簾的開閉處于任何一種狀態(tài)[5];

（2）“有人在家”功能：①根據(jù)個(gè)人喜好可以用紅外遙控和手機(jī)智能控制開關(guān)窗簾與窗戶。②根據(jù)室內(nèi)外光照強(qiáng)度變化，窗簾自動(dòng)開關(guān)，甚至窗簾打開幅度可以有效控制。③顯示屏顯示室內(nèi)外溫濕度對(duì)比提醒用戶外出穿衣厚薄，及是否適合通風(fēng)。④時(shí)間顯示及鬧鐘系統(tǒng)：可以自行設(shè)置鬧鐘時(shí)間，到達(dá)指定時(shí)間后，窗戶會(huì)自動(dòng)更換空氣。

1.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)現(xiàn)在都是普遍使用keil的環(huán)境下，用C語言編程。C語言是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語言，它支持當(dāng)前程序設(shè)計(jì)中廣泛采用的由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)。此外，C語言程序具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法提供了有力的保障。而且STM32有著非常成熟的一套C語言庫函數(shù)調(diào)用起來非常方便。因此可以寫一套完整的C語言程序來控制我們的智能窗戶系統(tǒng)[6]。

2結(jié)束語

信息時(shí)代的大背景下，特別是現(xiàn)在5G時(shí)代的到來，萬物互聯(lián)的步伐更加快速前進(jìn)。全面小康社會(huì)的建設(shè)，人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)智能化的要求更高。

這種系統(tǒng)可以為我們營造出高效、舒適、便捷的居住環(huán)境。因?yàn)樗谴皯簟⒋昂焹烧咧悄芙Y(jié)合的產(chǎn)物，因此它可以牽動(dòng)一大批產(chǎn)業(yè)。如此廣泛的應(yīng)用，其前景也必將非常廣闊。智能窗戶系統(tǒng)是現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展帶給人們的高科技新產(chǎn)物，它涉及窗戶和窗簾的智能開關(guān)，利用了傳感技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)等，為人們的繁忙的生活減輕了負(fù)擔(dān)，提供了方便，同時(shí)也為室內(nèi)的空氣質(zhì)量提供了保障。有人在家和無人在家對(duì)窗戶的需求是不同的。這也就為智能窗戶系統(tǒng)的研發(fā)提供了市場價(jià)值。因此設(shè)計(jì)一個(gè)智能窗戶系統(tǒng)，有非常廣闊的應(yīng)用前景和推廣前景。此項(xiàng)目還有很好的拓展性，比如窗戶是接受日曬最多的地方，因此完全可以采用太陽能作為此系統(tǒng)的動(dòng)力來源。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙負(fù)圖.新型傳感器集成電路應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2009：117.

[2] 韓磊.家居進(jìn)入“智能窗時(shí)代”[J].環(huán)境與生活，2008（1）：17-19.

[3] 張毅剛.新編MSC-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)（第三版）[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008：27.

[4] 李全利，遲榮強(qiáng).單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2004：57.

[5] 馬忠梅，單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003：61.

[6] （英）Robin Heydon.低功耗藍(lán)牙開發(fā)權(quán)威指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：79.

作者簡介

鄭路（1998-），男;現(xiàn)就讀學(xué)校：大連大學(xué)，學(xué)生，專業(yè)：通信工程。