一種智能開關窗系統的設計與研究

何仁宇 邵逸帆 石慧君

（江蘇大學，江蘇 鎮江 212013）

1 概述

近年來，人們的生活水平飛速提高，物聯網技術蓬勃發展，智能家居概念漸漸走入人們的視野之中，進入市場。人們對門窗的開關要求越來越高，相對于傳統門窗，人們越來越傾向于智能開關門窗[1]。智能開關窗系統可通過對環境信息的檢測，及時自動調整窗戶開或者關，以避免不必要的損失。目前市場上智能門窗選擇較少、價格偏高，同時更換窗戶也將造成一部分資源浪費，智能開關窗系統就成為了一個合適的過渡選擇。現有智能開關窗系統設計多為對外推式窗戶，無法滿足平推式窗戶的家庭需求，因此本文設計一種能夠直接安裝在原平行推拉式窗上的智能開關窗系統，安裝使用方便、成本低廉，滿足了人們對智能化的需求。

2 系統總體設計與功能

本文設計的智能開關窗系統包括窗戶開關器和測控系統。窗戶開關器基于平推式窗戶結構，將步進電機固定安裝在窗臺或者窗內墻上，將步進電機與絲桿相連，帶動絲桿轉動；再在絲桿上裝一螺母滑臺，沿窗戶導軌槽移動；最后通過一固定器將螺母滑臺與窗戶相連接，實現系統對窗戶的開關控制[2]。窗戶開關器安裝完成后，需手動開關窗，依據開關的狀態設置窗戶的開狀態與關狀態極限位置，并分別安裝限位開關，以供系統識別記錄限位狀態，當超出限位范圍之后系統將不再向超出方向運動，以免造成窗體損傷。

測控系統如圖1 所示，包括單片機主控制器，環境傳感器及限位開關檢測模塊、步進電機驅動控制模塊、手動按鍵及其輸入接口、報警模塊及其輸出接口、WIFI 無線設計模塊及接口等。系統運行時，將自動檢測室外風速、雨量、光照度、溫度、濕度和PM2.5 數據，室內溫度、濕度、有害氣體濃度數據，以及窗戶開關狀態數據，并將數據通過WIFI 無線發送至移動終端顯示。系統將自動根據室內外環境信息，判斷當前窗戶狀態是否合適，當超出指定的預警范圍之時，通過報警器或者移動終端自動發出開關窗預警提示；當超出指定的開關窗范圍之時，系統將直接通過控制步進電機，實現窗戶的自動開或者關。自動運行過程中遇到障礙物，系統將會自動停止，等待障礙物清除后再繼續運行。同時，用戶也可通過移動終端或按鍵手動控制進行窗戶的開或者關。

圖1 測控系統組成結構圖

3 測控系統硬件設計

3.1 主控制器設計

本系統選用ATmega2560 單片機芯片作為主控制器。該芯片具有54 路數字輸入/ 輸出端口，16 路模擬輸入端口，4 路UART 串口，運行速度可達16MHz，能夠達到本設計的要求，同時成本較低，因此選用該芯片。

3.2 步進電機驅動模塊

本系統選用28BYG 兩相四線步進電機，靜力矩可達6N.cm，能夠承載大部分窗戶進行運動。同時選用DM430 作為步進電機驅動器，該驅動器具有200-51200 的大細分，可滿足不同速度需求，同時具有過壓、欠壓、過流等保護功能，能夠滿足本系統要求。

3.3 報警模塊

使用蜂鳴器作為報警裝置，與單片機IO 口相連，當系統檢測到危險信息時，單片機將IO 口電位拉低，蜂鳴器震蕩，發出警報。

3.4 傳感模塊

本系統使用的傳感器主要有檢測環境信息的風速傳感器、光照度傳感器、雨滴傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、粉塵傳感器、防止碰撞的激光傳感器和限位開關等。選用的各傳感器的型號、參數、特點如表1 所示。

表1 傳感器參數表

將溫濕度傳感器、煙霧傳感器安裝于室內，檢測室內溫濕度、有害氣體濃度信息；將風速傳感器、溫濕度傳感器、粉塵傳感器、雨滴傳感器安裝于室外，檢測室外風速、溫濕度、PM2.5 濃度、是否下雨等；將激光傳感器和限位開關安裝于滑臺前，檢測系統運動過程中是否遇到障礙物，以及開關窗狀態等。下圖為各傳感器與主控制接口電路圖，其中激光傳感器作為檢測障礙物的傳感器需要更快的反應速度，同時檢測到障礙物時需停止系統運行，需要與中斷口相連（圖2）。

圖2 各傳感器與主控制器接口電路圖

3.5 通訊模塊

通訊模塊使用ESP8266WiFi 模塊實現單片機與移到終端之間的無線通訊。ESP8266 芯片無線傳輸速率最高可達54Mbps，頻率范圍2.41GHz～2.484GHz。同時有WIFI STA+WIFI AP 工作模式，用戶可通過互聯網控制無縫切換，操作方便。

3.6 按鍵及接口電路

本系統設計通過按鍵手動控制窗的開啟與關閉，在使用時停止其他動作，優先進行手動控制，需要與中斷口相連，同時分別加裝紅色與綠色發光二極管作為指示燈，當按下開窗鍵時，紅色發光二極管導通，亮紅光；當按下關窗鍵時，綠色發光二極管導通，亮綠光。

圖3 按鍵與主控制器接口電路圖

4 測控系統軟件設計

本系統軟件設計選用Arduino 作為軟件開發平臺，設計主程序及多個功能子程序，用于控制步進電機、采集各傳感器參數、計算處理數據、判斷發出警報、遇到限位開關停止子程序等。同時設計遇到障礙物停止中斷子程序和手動控制中斷子程序。主程序主要進行環境信息的檢測及集成處理，并將結果發送至移動終端，同時進行智能處理。當室內溫濕度傳感器檢測濕度過高時，自動驅動窗戶進行關閉；當室外雨滴傳感器檢測有雨時，自動驅動窗戶進行關閉；當室外光照強度傳感器檢測光強過高或過低時，自動向移動終端發送信息；當室外風速傳感器檢測風速過高時，自動驅動窗戶進行關閉；當室外粉塵傳感器檢測粉塵濃度（主要檢測PM2.5 濃度）濃度過高時，自動驅動窗戶進行關閉；當室內有害氣體傳感器檢測有害氣體濃度過高時，自動驅動窗戶進行開啟，同時震蕩蜂鳴器，發出警報，并發送危險提示至遠程終端。當限位開關被觸發，表示到達開窗或關窗極限位置，則關閉電機驅動。圖4 為主程序流程圖。

圖4 主控程序流程圖

同時，系統設計遇到障礙物停止中斷子程序和手動控制中斷子程序，分別通過激光傳感器與按鍵作為中斷程序入口。當激光傳感器檢測到障礙物時進入遇到障礙物停止中斷子程序；當檢測到開窗或關窗按鍵按下時，進入手動控制中斷子程序。遇到障礙物停止子程序中斷優先級高于手動控制。若運行手動控制子程序時遇到障礙物，則退出手動控制子程序，進入遇到障礙物停止子程序。以下為遇到障礙物停止中斷子程序流程圖及手動控制中斷子程序（以開窗為例）(圖5、6)。

圖5 遇障停止子程序流程圖

圖6 手動控制開窗子程序流程圖

結束語

本文設計了一種包括窗戶開關器和測控系統的智能開關窗系統。窗戶開關器可直接安裝于傳統平推窗之上。測控系統通過程序運行，實現針對不同環境狀態自動開關窗戶的智能化功能。所設計的智能開關窗系統能夠在不改變傳統窗的結構情況下完成智能化功能，安裝便捷，功能實用，非常適合作為傳統家居到智能家居的過渡產品。