基于4G網絡的智能開窗器控制系統的研究

周亞運，任青玲，莫 沛，莫家威，鄧 朋，殷曉宇

（柳州工學院信息科學與工程學院 廣西 柳州 545616）

1 引言

隨著我國經濟的不斷發展，人們對居住場所的要求越來越高，家庭是我們每個人每天生活必在的場所，一方面希望住所能舒適溫馨，另一方面又希望住宅家居能夠更加智能和先進。智能家居多種多樣，窗戶是人們日常生活中最常見的家居之一，它已經成為智能家居研究非常有意義的部分。從以往的窗戶研究和分析，不難發現它們有許多缺點和使用上的不便。首先，開關窗戶需要人手動操作[1]。其次，窗戶的設計不能保證室內環境的舒適性，因為它不能響應外部環境的變化。當房間里沒有人或者由于突然下雨等惡劣天氣，不能及時關閉窗戶，因此，基于4G網絡的智能開窗器控制系統的研究就顯得尤為重要了。

2 系統整體設計

圖1為本設計整體方案框圖，本設計采用直流推桿電機的正反轉模擬開窗器的開關狀態。開窗器的光控，采用光敏電阻傳感器進行光照強度采集判斷進行控制，實現根據光照就行開窗關窗的操作。窗戶的雨滴控制，采用雨滴模塊檢測是否有雨，當檢測到室外有雨時自動關窗，沒雨的時候開窗。使用DHT11數字式溫濕度傳感器采集環境溫濕度，使用OLED顯示屏實時顯示并及時判斷溫度是否超限，超限后能夠進行窗戶的關閉控制。手動模式采用4G網絡進行控制，當Wi-Fi模塊跟路由器或者熱點建立連接之后，通過遠程遙控，實現手動開關窗戶，根據手機軟件選擇控制模式，實現開窗器的自動開關控制[2]。

圖1 整體設計方案框圖

3 硬件電路設計

本設計選擇STM32單片機作為主控芯片，電機采用步進電機，電機模塊采用L298N模塊作為直流推桿電機的驅動模塊，OLED顯示屏作為顯示模塊，電源模塊采用USB轉12V接口的電源線進行供電[3]。硬件設計原理見圖2。

圖2 硬件設計原理圖

4 軟件系統設計

本課題的設計采用模塊化編程，將整個程序分為主程序、模塊驅動程序、OLED顯示程序以及遠程遙控程序等。主程序主要實現各個模塊的初始化，初始化完成后，調用各個子程序模塊并完成相應的功能。主程序控制流程見圖3。

圖3 主程序流程圖

4.1 光照模塊控制軟件流程

圖4為光照模塊控制軟件流程圖，模塊上電，初始化完成。采集到光照強度數據后，返回給單片機。單片機處理接收數據，根據處理結果去驅動L298N模塊，驅動完成，進而驅動直流推桿電機完成相應的動作，達到自動開關窗的目的。

圖4 光照模塊軟件流程

4.2 雨滴模塊控制軟件流程

圖5為雨滴模塊控制軟件流程圖，模塊上電，初始化完成。采集到模塊數據后，返回給單片機。單片機處理接收數據，根據處理結果去驅動L298N模塊，驅動完成，進而驅動直流推桿電機完成相應的動作，達到自動開關窗的目的。

圖5 雨滴模塊軟件流程

4.3 溫濕度模塊控制軟件流程

圖6為溫濕度模塊控制軟件流程圖，模塊上電，初始化完成。采集到模塊數據后，返回給單片機。單片機處理接收數據，根據處理結果將環境溫濕度實時發送到OLED屏，并驅動L298N模塊，驅動完成，進而驅動直流推桿電機完成相應的動作，達到自動開關窗的目的。

圖6 溫濕度模塊軟件流程

4.4 Wi-Fi模塊控制軟件流程

圖7為Wi-Fi模塊控制軟件流程圖，模塊上電，初始化完成。通過ESP調試助手發送指令，設置手動模式和功能；返回給單片機。單片機處理接收數據，根據處理結果，驅動L298N模塊，驅動完成，進而驅動直流推桿電機完成相應的動作，達到手動開關窗的目的。

圖7 Wi-Fi模塊軟件流程

4.5 手機APP設計

本設計使用機智云平臺進行設計，在機智云官網下載的是能入公網的固件和源碼，將固件寫入Wi-Fi模塊，配合源碼編程即可實現遠程控制。機智云軟件開發界面見圖8。

圖8 機智云開發界面

5 結語

本設計是基于STM32單片機和4G網絡的智能開窗器控制系統，設計主要實現了能夠根據光照、有無下雨情況自動控制窗戶的開關，并且具備溫濕度采集和控制窗戶開關的功能，系統還具備手機APP遠程控制開窗器進而控制窗戶開關的功能，系統使用OLED顯示屏顯示界面，能夠實時顯示當前的環境信息和窗戶開關的信息。在未來，即使出門在外也能隨時隨地了解家里的情況并可以隨意操控家居環境，科技改變未來。