智能窗控系統的設計與實現

（重慶工商職業學院 重慶 401520）

1 引言

隨著科技的發展，人們對生活的追求除了舒適、便捷以外，還有朝信息化、智能化發展。物聯網時代的到來，促使人們追求更加舒適便捷的生活，因此誕生了各式各樣的與生活相關智能化家居，智能窗控系統就是在這樣的背景下孕育而生。當前智能辦公、智能教育等場所中采用的窗控系統大多為原始的手動窗控系統或半自動窗控系統，利用人體紅外感應等模塊控制窗戶與窗簾，這種類型的智能窗控系統沒有考慮空氣的質量，不能根據天氣是否晴朗、光照是否充足等外界環境參數變化自動實現窗戶與窗簾的智能控制，其智能化程度不高，應用上存在一定的局限性。基于此，本文設計了以STM32 單片機為核心，搭載光強傳感器、溫濕度傳感器、雨滴傳感器、PM2.5 傳感器以及電機等器件的智能窗控系統，該系統能夠根據外界環境參數變化自動驅動電機實現窗戶與窗簾的智能控制，真正實現窗戶與窗簾的智能化控制。

2 系統總體方案設計

系統總體設計框圖如圖1 所示，系統以STM32F103 單片機最小系統為控制核心，主要處理各類型3 傳感器所采集的外界環境數據，并對控制窗動電機驅動模塊下達相應的控制指令。傳感器模塊主要由溫濕度傳感器模塊、PM2.5 傳感器模塊、光強傳感器模塊、雨滴傳感器模塊等組成，用于采集室外環境中的光強、溫濕度、PM2.5 等各類數據，并將檢測到的數據傳輸至單片機處理器進行處理。電源模塊的主要功能為單片機控制模塊、傳感器模塊以及電機驅動模塊提供電源。電機驅動模塊的功能是根據單片機控制模塊發出的指令對窗戶與窗簾進行控制，實現窗戶與窗簾的開關。遠程控制端的主要功能由WiFi等無線傳輸設備組成，可以將數據傳輸至云平臺，也可以通過串口顯示。按鍵式參數輸入模塊主要功能為設置日期、時間、定時開關，根據用戶的需求調節光強度、PM2.5 值、溫濕度的對比參數。

圖1 系統設計框圖

3 系統硬件設計

本文設計的智能窗控系統其硬件組成部分主要由如下4 個：

3.1 傳感器模塊

本文設計的智能窗控系統主要運用的傳感器有數字光強傳感器模塊、數字溫濕度傳感器模塊、PM2.5 傳感器模塊、雨滴傳感器模塊這四種傳感器進行室外環境參數檢測。各種傳感器的型號、參數、特點等如表1 所示。

表1 傳感器參數表

3.2 窗動（簾動）電機驅動模塊

本設計選用ULN2003 五線四相步進電機驅動模塊作為智能窗控系統的窗動（簾動）電機驅動模塊，ULN2003 電機驅動芯片和5V 的5 線4 相步進電機組成，利用電機模塊控制電機的正反轉以實現窗戶與窗簾的開關。

3.3 遠程控制模塊

遠程控制端的主要功能由WiFi 無線傳輸設備以及上位機構成，可以將數據傳輸至云平臺，通過云平臺實現對窗戶與窗簾的遠程控制。

3.4 電源模塊

在智能窗控系統中各功能模塊連接方式為并聯，各類模塊所需電壓均為U=5V，電流為各功能模塊所需電流之和，單片機最小系統的供電方式為USB 供電，供電電壓U=5V、電流I=500mA。在本設計中各支路所需電流如表2 所示；

表2 智能窗控系統硬件系統各類功能模塊電源需求表

4 系統軟件設計

本文選用的KeiL uVision5 為軟件開發平臺，采用模塊化的設計理念，根據不同的環境需求添加相應的功能軟件模塊。本設計中包含了八大功能軟件模塊，分別是主程序、溫濕度采集程序、光照強度采集程序、雨滴傳感數據采集程序、PM2.5 傳感數據采集程序、定時功能程序、窗動（簾動）電機驅動程序、遠端控制程序等，所有的功能模塊都寫成子程序，主程序中調用相應的子程序實現具體功能，系統主程序如圖2 所示。

圖2 智能窗控系統主程序流程框圖

子程序主要獲取光照強度數據、溫濕度數據、PM2.5 值數據、雨滴量等感應數據，并與系統預設值進行比較，進而判斷是否開啟窗戶或窗簾。例如系統將采集的光照強度數據、PM2.5 值數據、溫濕度數據、雨滴量等數據進行分析處理，當光照強度數據達到經過按鍵輸入的預設值后，系統會向簾動電機發送指令，系統電機開啟窗簾；當雨滴傳感器采集到室外存在下雨天氣后，輸出高電平到單片機中，系統將會控制窗動電機關閉窗戶，如果主人出門在外，出門忘記關窗或天氣突然下雨，房屋主人可以通過訪問云平臺，通過云平臺查看窗戶的狀態，并向系統發送指令，關閉窗戶。雨滴傳感器控制流程圖如圖3所示，其余功能子程序與之類似。

5 系統測試

在本設計中，分別對智能窗控系統的硬件系統與軟件系統進行單獨的調試與驗證后，得出的結論是智能窗控系統的硬件系統和軟件系統驗證通過，主要測試內容如下：

（1）通電測試。檢查硬件系統中是否存在線路脫落和各硬件模塊是否存在端口接錯等問題后進行通電測試，然后再利用萬用表測試各測試點的電流、電壓，查看測試結果是否符合要求。

（2）各模塊功能測試。系統硬件電路沒有問題后，對各模塊功能進行測試。測試時選擇單個模塊單獨測試，確認一個模塊功能沒有問題后再測試其他模塊功能。將光強傳感器遮住，使其處于無光環境中，系統的簾動電機反轉，可以實現開啟窗簾；將光強傳感器置于強光照下，系統的簾動電機正轉，可以實現關閉窗簾。將溫濕度傳感器、PM2.5 傳感器、雨滴傳感器置于不同的環境中，窗動電機可以實現開啟或關閉窗戶。

圖3 雨滴傳感器控制流程圖

（3）系統整體功能測試。各模塊功能測試無誤后進行系統整體功能測試，所有的功能模塊都通上電后，將系統置于多種不同的環境中，模擬真實的環境，測試系統的整體功能是否正常。

經多次驗證，智能窗控系統數據傳輸穩定，各功能模塊運作正常，整體設計符合要求，達到了預期設計目標。

6 結束語

隨著科技的進步以及智能家居的發展，更加智能化、便捷化、多樣化的智能窗控系統將會逐漸替代現有的產品，人們的居家生活將更加舒適、方便，未來智能窗控系統將有著廣闊的應用前景和市場范圍。只有不斷創新與嘗試，開發功能更為完備、系統更為穩定的、使用更為便捷、科技含量更高的人性化智能窗控系統將會吸引更多的消費群體，并占據市場領導地位。