基于Arduino的全自動環(huán)境監(jiān)測智能窗戶開關(guān)裝置

張躍 虎龍

[摘? ? 要]文章提出了一種基于Arduino控制的智能一體化窗戶開關(guān)裝置設(shè)計方案，它通過藍(lán)牙模塊與煙塵、溫濕度、雨水等傳感器相連接，對環(huán)境變化實時監(jiān)測實現(xiàn)對窗戶的自動控制，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

[關(guān)鍵詞]Arduino;智能;藍(lán)牙;傳感器

[中圖分類號]TQ051.85 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–00–02

Intelligent Window Switch Device for Automatic Environmental

Monitoring Based on Arduino

Zhang Yue，Hu long

[Abstract]This paper presents a design scheme of intelligent integrated window based on Arduino control， which is connected with smoke， temperature， humidity， rain and other sensors through Bluetooth module to monitor the environmental changes in real time， realize the automatic control of doors and windows， and realize data sharing.

[Keywords]tarduino; intelligence; bluetooth; sensor

隨著社會的快速發(fā)展，環(huán)境問題已經(jīng)日趨嚴(yán)峻，人們的生命健康容易受到室外粉塵、PM2.5、霧霾等空氣污染物的威脅。

然而，目前絕大多數(shù)門窗是通過人體的感知能力，并作出相應(yīng)的判斷，然后控制手臂來實現(xiàn)對窗戶的開關(guān)動作。人工控制窗戶一方面無法對室外環(huán)境做出實時的準(zhǔn)確的判斷，造成與期望值有較大的偏差，另一方面對安裝在高處的窗戶的高空操作難以保證人身安全。現(xiàn)代社會講究高質(zhì)量生活，健康養(yǎng)生問題越來越受到重視，因此自動監(jiān)測環(huán)境質(zhì)量的自動控制窗戶開關(guān)系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用前景。

為此，提出了基于Arduino利用煙塵傳感器、驅(qū)動電機控制的自動窗戶開關(guān)裝置，另外還增加了溫度濕度傳感器、雨水傳感器及藍(lán)牙模塊，實現(xiàn)對雨水煙塵溫濕度的有效監(jiān)測并對窗戶進(jìn)行有效控制。

1 裝置整體方案

整個裝置所需要的技術(shù)和設(shè)備包括：窗戶框架、藍(lán)牙控制模塊、主控板、電機、煙塵傳感器、雨水傳感器、溫度濕度傳感器，需要使用的技術(shù)包括無線控制技術(shù)、組態(tài)設(shè)計技術(shù)。該裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

2 主要結(jié)構(gòu)

2.1 機械結(jié)構(gòu)

該裝置機械結(jié)構(gòu)由智能窗及智能窗下方的用于控制智能窗自動開關(guān)的控制系統(tǒng)組成。智能窗包括固定在墻體上的框架、設(shè)置在框架外部的與框架鉸接的窗體、設(shè)置在框架下端的用于驅(qū)動窗體開關(guān)的多個伸縮氣缸，如圖2所示。

該窗體結(jié)構(gòu)特征：①框架用于安裝窗體的一側(cè)面為內(nèi)凹面，且其內(nèi)設(shè)置有鐵柱，鐵柱的數(shù)量與伸縮氣缸的數(shù)量一致。②窗體朝向框架的上側(cè)設(shè)置有第一鉸接座，鉸接座上鉸接有用于推拉窗架的活動桿。③伸縮氣缸的頂端設(shè)置有用于鉸接活動桿的第二鉸接座，所述鉸接座套在鐵柱上，且與鐵柱間隙配合。④控制系統(tǒng)包括用于感應(yīng)風(fēng)雨的雨水模塊、與雨水模塊連接的用于處理雨水感應(yīng)信號的信號處理器，與信號處理器連接的用于轉(zhuǎn)換雨水感應(yīng)信號的信號轉(zhuǎn)換器[2]，與信號轉(zhuǎn)換器連接的用于做出最終指令的智能家居系統(tǒng)，及與信號轉(zhuǎn)換器連接的用于控制伸縮氣缸開關(guān)智能窗的Arduino控制模塊等。

2.2 煙塵傳感器

空氣進(jìn)入了煙塵傳感器留有的開口中，在這個時候發(fā)光二極管會產(chǎn)生間歇性的紅外光用來監(jiān)測有無煙塵。在空氣中存在煙霧的情況下，紅外光照射到光敏元件上，煙霧濃度感應(yīng)器判定煙霧存在電路隨即開始工作[3];空氣中沒有煙霧的情況下，紅外光照射不到光敏元件，電機無法轉(zhuǎn)動。

2.3 溫度濕度傳感器

溫度濕度傳感器就是模擬量加數(shù)字化的集成，將環(huán)境中的各種相對溫度和相對濕度轉(zhuǎn)換成為了與之相對應(yīng)的模擬信號，采用數(shù)字集成傳感器做探頭，比如0～5 V、0～10 V，或者4～20 mA。而溫度濕度一體化的傳感器將兩種不同傳感器集合，同時轉(zhuǎn)化兩種信號，做到兩種信號的接收與傳遞。是直接把各種標(biāo)準(zhǔn)化的模擬信號和儀器連接[4]。在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，模擬量有多種傳輸方式，0～5 V、0～10 V或者4～20 mA是最典型的幾種，比如4～20 mA的信號轉(zhuǎn)換：量程為-80 ～+80 ℃，4～20 mA輸出，當(dāng)輸出的信號為15 mA的時候，計算此時的溫度值。因為當(dāng)前儀器的量程跨度為160 ℃用15 mA電流信號來輸出，10.67 ℃/mA，

即電流1 mA溫度變化10.67 ℃;測量值15 mA-4 mA=11 mA，11 mA×10.67 ℃=117.37 ℃，117.37 ℃+（-80 ℃）=37.37 ℃，即當(dāng)前環(huán)境溫度為37.37 ℃。

2.4 雨水傳感器

雨水傳感器主要是用來檢測是否下雨，傳感器包含感應(yīng)墊與模塊兩個組件，見圖3。

（1）感應(yīng)墊包含外露銅跡線，通常放在屋頂?shù)嚷短焯帯．?dāng)空氣的雨水降落到感應(yīng)墊上時，感應(yīng)墊隨即產(chǎn)生電子介質(zhì)，在環(huán)境中發(fā)生反向電流，因此傳感器的電阻與下雨量成反比，雨水越多則電阻越低，相反，雨水越少，其電阻值越高。傳感器通過輸出電阻的大小控制電壓，然后產(chǎn)生電信號，實現(xiàn)對雨量的感應(yīng);

（2）模塊與Arduino相連接，并且根據(jù)感應(yīng)墊所給出的電阻產(chǎn)生輸出電壓，并在模擬輸出端（AO）用引腳輸出。相同的信號被饋送到LM393高精度比較器以對其進(jìn)行數(shù)字化，并在數(shù)字輸出（DO）引腳處可用。

3 藍(lán)牙控制接線

連接方法如圖4所示：VCC：接Arduino的5 V。GND：接Arduino的GND。TXD：接Arduino的RX。RXD：接Arduino的TX[5]。

4 手機藍(lán)牙連接設(shè)置

智能手機與藍(lán)牙模塊連接后，通過智能手機上鍵盤輸入數(shù)字，這里設(shè)置的是“0”和“1”來控制窗戶的關(guān)閉和開啟，實物硬件會根據(jù)輸入的指令做出相應(yīng)的變化，以達(dá)到智能開關(guān)的效果，如圖5、圖6所示。

5 總結(jié)

智能窗戶以其系統(tǒng)可靠的特點為人們提高生活品質(zhì)的同時，也優(yōu)化了人們的生活方式，幫助人們有效地安排時間，增強了家居生活的便利性。但也只能在有限的距離中控制，后續(xù)該設(shè)計會進(jìn)一步利用wifi控制，增加自由度以便更好地完成控制工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 姜衍等.一種智能開關(guān)窗戶[P].CN108457554A，2018.

[2] 劉意，楊金林，時啟兵，等.一種基于Arduino控制的智能越障小車[P].CN211123759U，2020.

[3] 聶茹.基于Android手機藍(lán)牙控制的智能小車設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型電腦應(yīng)用，2015，31（9）：68-69.

[4] 陳希陽.互聯(lián)網(wǎng)+智慧用能綜合能源服務(wù)平臺的構(gòu)建[J].科技資訊，2018，16（14）：31，33.

[5] 金軍，嚴(yán)飄萍.嘉興綜合能源服務(wù)平臺的研究與設(shè)計[J].中國高新區(qū)，2019（13）：265-266.