智能家用窗戶窗簾控制及物聯網系統

謝亞明 馬浩倫

摘 要：隨著生活水平的提高，人們對環境質量和解放勞動的工具的要求越來越高，這使得家居設備的智能化和自動化受到廣泛關注。文中主要根據通風透光的功能要求，設計了一款基于物聯網技術并兼顧自動化功能的窗戶窗簾系統。該系統能接收當前廣受關注的PM2.5含量、光照強度、溫濕度等數據，自動控制窗戶和窗簾，具有白天自動打開、夜間自動關閉的功能。該系統將數據實時顯示在控制核心板的屏幕上，上傳至機智云云平臺及機智云手機APP，便于遠程查看。

關鍵詞：自動化;物聯網;智能設備;通風透光;窗戶窗簾控制;環境質量

中圖分類號：TP23;TN919文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對舒適健康的家居生活有了強烈的需求[1]。室內外空氣質量逐漸成為了影響家居生活健康的重要因素：一方面，人們需要打開窗戶窗簾通風，排出室內空氣中的有害氣體，凈化室內空氣。另一方面，當遇到霧霾天氣、下雨天時，窗戶打開反而又會帶來不好的影響，如吸入污染物可能損害身體健康，此時便需要關閉窗戶;有時紫外線太強，容易對人的皮膚造成傷害，而光照強度對眼睛也有一定的損害，因此需要關閉窗簾。對于現代人來說，生活自動化程度提高是趨勢，如早上自動打開窗戶窗簾，晚上自動關閉窗戶窗簾，對勞累一天的人們來說，無疑減輕了負擔[2]。

針對上述問題，本文運用物聯網技術研制了實用的智能家用窗戶窗簾控制及物聯網系統。該系統白天自動打開、夜間自動關閉，可以收集多個傳感器數據并進行組合式處理[3]，包括PM2.5含量、溫濕度、光照強度數據，然后根據空氣質量，濕度水平和光照水平自動控制窗戶窗簾的開關，實現通風或阻隔污染物。同時將上述數據通過屏幕顯示并上傳到機智云云平臺和機智云手機APP，便于人們了解室內環境，提高人們的生活質量。

1 智能系統設置

智能家用窗戶窗簾控制及物聯網系統將光照強度、溫濕度、PM2.5等傳感器接收模塊安裝在窗戶附近，利用單片機驅動傳感器接收數據。經過一定的邏輯算法，我們將不同環境值，如霧霾天氣、雨天、強光環境、黑夜及白天對應的值作為系統預設參數。使用時，系統接收到各傳感器數據后，通過與預設參數對比，得出需要進行的操作，然后單片機控制電機，驅動轉軸轉動，實現窗戶和窗簾的打開與關閉，實現系統的自動化和智能化功能。本系統還包括人為干預控制和校準功能，便于使用者調整系統的偏差。同時也考慮了家庭主人外出時，若存在了解該系統狀態的需求，則可利用WiFi模塊將數據上傳至云平臺及手機APP，便于用戶查看。智能系統結構組成如圖1所示。

2 硬件系統設計

2.1 控制核心

控制核心采用兩塊32位單片機，第一塊是STM32F103ZET6，用于接收、顯示及控制電機;第二塊是STM32F103C8T6，用于上傳數據。兩塊單片機都具有72 MHz的主頻，工作電壓2.0～3.6 V，至少3個串口，外設豐富[4]。第二塊使用占用更少資源的STM32F103C8T6單片機，它在分擔數據上傳責任的同時，減少了系統功耗。

2.2 傳感器模塊

傳感器包括PM2.5傳感器、光照強度傳感器和溫濕度傳感器。其中PM2.5傳感器為攀藤PMS7003G7，它是利用光散射原理制做的顆粒傳感器[5]，具有成本低、技術成熟、精度高等優點。它的最小分辨率達0.3 μm，單位是μg/m3，通過通用串口與單片機通信。光照強度傳感器為BH1750，通過軟件模擬I2C協議[6]與單片機連接，減少了單片機硬件資源的使用。溫濕度傳感器為DHT11，通過單總線傳輸信息至單片機。

2.3 數據顯示模塊

系統使用一塊0.96寸OLED顯示屏作為顯示模塊，該模塊具有功耗低的優點。其分辨率為128×64，使用32×32的漢字和16×16的字母進行顯示。OLED屏幕利用模擬I2C協議與單片機連接[7]，使用的引腳資源少，利于開發。

2.4 數據通信模塊

使用ESP8266 WiFi模塊作為數據通信模塊，下載機智云固件至模塊中，利用單片機串口與模塊通信，與機智云平臺及機智云手機APP連接。機智云平臺給開發者提供了自助式開發工具及云服務，開發者無需關心模組與機智云間的傳輸協議[8]，技術門檻低，可以有效降低研發成本[9]。使用時，利用手機連接WiFi并通過APP給模塊配網，從而實現模塊的WiFi連接。模塊在斷電重啟后可以自動連接當前已配網的WiFi。

2.5 控制模塊

控制模塊使用兩塊5 V直流步進電機28BYJ4和電機驅動板ULN2003，使用四相的驅動方法。該型步進電機具有電壓低、功耗低、控制精準的優點。第一塊步進電機與窗戶控制結構和單片機連接，第二塊與窗簾控制結構和單片機連接。每一塊步進電機驅動分別與單片機上的I/O口相連，順序或逆序使單個I/O口輸出高電平來驅動電機運行。

2.6 數據儲存模塊

AT24C02模塊有2 Kb的儲存單元，屬于串行E2PROM，具有掉電不丟失數據的特點。它通過I2C協議與單片機通信[10]，使用前兩個地址儲存數據，分別儲存窗戶和窗簾的位置數據。

3 軟件系統設置

3.1 軟件自動控制

智能家用窗戶窗簾控制及物聯網系統具有自動控制功能。上電或重啟時，單片機首先讀取AT24C02的數據，并將其與系統里預設的窗戶和窗簾關閉數據進行對比，如果兩組數據相符，則系統驅動窗戶、窗簾進入關閉狀態。其次系統提供校準功能，通過微調電機使窗戶和窗簾達到完全關緊的狀態。系統具有選擇按鍵，包括全關模式、全開模式和自動模式。全關模式具有最高優先級，此模式下，其他模式都無法運行。全開模式具有第二高的優先級，只有全關模式取消后才可以進入。自動模式具有最低優先級，當全開和全關模式都取消時，才可以進入。這樣設置的目的是為了讓家庭主人有更多的選擇：如長期不在家時，可讓系統進入全關模式;需要窗戶窗簾全開時，設置系統進入全開模式;想減少精力投入到窗戶窗簾上時，可設置系統長期進入自動狀態。當系統進入自動狀態時，各傳感器接收窗戶附件數據，根據PM2.5含量、濕度、光照強度和時間參數共同決定窗戶和窗簾的開關。單片機二通過串口二與單片機連接，接收單片機一發送的環境數據和狀態信息，并把數據和狀態信息上傳至機智云云平臺和機智云手機APP。軟件系統工作流程如圖2所示。

3.2 數據遠程通信

為實現使用者在遠離家庭的地方獲取室內各傳感器數據及系統狀態的目標，第二塊單片機連接WiFi模塊，將數據及系統狀態實時傳輸至機智云云平臺及機智云手機APP，便于查看。上傳數據流程如圖3所示。

4 測試及結果

當系統運行時，機智云手機APP及控制核心板上數據顯示如圖4所示，機智云云平臺上的數據顯示如圖5所示。在機智云云平臺上，機智云手機APP和系統控制核心板的OLED屏幕上都可以看到系統上傳的數據。當設置系統為全關模式時，其他模式無法進行，此時窗戶窗簾完全關閉。當設置系統為全開模式時，窗戶窗簾緩緩打開至完全開啟狀態。當設置系統為自動模式，且將運行時間設置為6點至22點時，若當前時間未在此范圍內，窗戶窗簾全關;若當前時間處于設置的時間范圍內，則系統進入自動模式下的默認狀態，即窗戶半開，窗簾全開，等待下一步指令。

窗戶附件用強光照射，窗戶保持狀態不變，窗簾關閉一半;用噴霧對窗戶附件加濕，模擬下雨天氣，則窗戶全關，窗簾保持原狀態;將灰塵散落在窗戶附件上模擬PM2.5含量過高的情形，此時窗戶全關，窗簾保持不變。夜晚時，光照強度為0，此時窗戶窗簾全關;天亮時，光照強度恢復正常水平，窗戶打開一半，窗簾全開。測試結果滿足目標要求。

5 結 語

將物聯網和自動化技術融入家居，是未來科技發展的趨勢之一。本智能窗戶窗簾控制及物聯網系統，包含窗戶和窗簾兩個控制部分，增加控制窗簾的功能在于應對強光照射，減少人工操控，更加自動化。本系統借助物聯網智能化，通過綜合利用傳感器、單片機、電機和WiFi模塊來實現。窗戶窗簾通過接收外部環境數據，與預設參數對比實現自動控制，同時也將數據及狀態上傳至云平臺和手機APP，便于使用者觀察。隨著人們對空氣質量、自動化要求的不斷提高，本系統可以有效滿足要求，方便人們的生活。

注：本文通訊作者為謝亞明。

參考文獻

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