基于stm32單片機的智能窗戶預(yù)關(guān)閉系統(tǒng)

曹建斌 郭龍飛 李雯 宋偉薇 陳鶴天 陳志彬

摘要：隨著當今社會的進步，智能家居是未來發(fā)展的必然趨勢，需要思考如何讓智能的生活更快的走進人們的日常生活。對此本項目通過對窗戶研究和改造。讓窗戶具備一些智能的功能。讓窗戶變得自動化以及智能化。來降低因忘記關(guān)閉窗戶，而導(dǎo)致對私人財產(chǎn)的損失。本項目主要采用stm32為核心，采用各類傳感器模塊，網(wǎng)絡(luò)模塊。自動的感知天氣參數(shù)，以及從網(wǎng)絡(luò)中獲取天氣預(yù)報等功能。實現(xiàn)當天氣發(fā)生突變時或者用戶想要直接關(guān)窗戶時，完成相應(yīng)的操作。

關(guān)鍵詞：智能窗戶;stm32單片機;自動檢測;無線通信;遠程操作

引言

目前我國的智能家居多集中在北上廣深等一線城市，由于其高昂的售價難以讓其方便普通人的生活。本設(shè)計通過使用STM32芯片這一低成本但功能強大的單片機實現(xiàn)對家中窗戶的智能控制。智能窗戶通過分析當前天氣狀況，判斷是否進行關(guān)窗的操作。除此之外，本項目在人機交互方面既可以進行遠程監(jiān)控，也可以使用手機進行控制窗戶的開啟或關(guān)閉，無論房主在何地都可以隨時控制窗戶的開閉狀態(tài)。

1 項目構(gòu)架

1.1系統(tǒng)構(gòu)架

該機器能夠通過溫濕度傳感系統(tǒng)對天氣狀況進行分析，來實現(xiàn)對窗戶開閉的功能。如果檢測到空氣中的溫度、濕度不在預(yù)測值的范圍內(nèi)時，對窗戶進行關(guān)閉關(guān)閉或打開處理，同時通過無線通信模塊向用戶手機發(fā)送窗戶要進行關(guān)閉或打開的信號。用戶通過無線通信模塊，使用手機向系統(tǒng)發(fā)送指令，從而使系統(tǒng)進行相應(yīng)的動作。

1.2結(jié)構(gòu)構(gòu)架

該設(shè)計的結(jié)構(gòu)搭建由3D打印機打印完成，采用平開窗的結(jié)構(gòu)，借鑒了緩沖閉門器的機械結(jié)構(gòu)，將窗戶與步進電機連接將主控安裝在窗戶背面與窗戶機械臂相連，將數(shù)據(jù)采集模塊安裝在窗戶正面，進行數(shù)據(jù)采集，當讀取到的數(shù)據(jù)感知到為雨雪天氣時，控制步進電機開始工作，使窗戶進行工作，我們利用solidworks軟件對于其整體結(jié)構(gòu)進行了一個簡單的描繪，如圖1所示。

2系統(tǒng)的電路硬件設(shè)計

2.1主控芯片

采用STM32F103ZET6芯片作為主控，該系列微處理器工作頻率為72MHz，內(nèi)置高達128K字節(jié)的Flash存儲器和20K字節(jié)的SRAM，具有豐富的通用I/O端口[1]，可快速處理各種復(fù)雜事件，計算能力強悍，與各種模塊相互配合，快速準確的判斷天氣狀況以及向舵機發(fā)出指令。

2.2傳感器模塊

（1）使用DHT22溫度濕度傳感器進行空氣中溫濕度的判斷，該傳感器具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上。產(chǎn)品連接方便，可直接插接到Arduino傳感器擴展板上。

（2）使用光感雨滴傳感器對雨的大小進行判斷，當玻璃上沒有雨滴時，由發(fā)出的大部分光都折射出擋風(fēng)玻璃，反射回來被接收的光強很少;當玻璃上雨滴較多時，被擋風(fēng)玻璃反射回來由接收的光強增加，于是傳感器輸出發(fā)生變化。

（3）使用HA2003 光照傳感器對陽光強度進行判斷，采用先進光電轉(zhuǎn)換模塊，將光照強度值轉(zhuǎn)化為電壓值，再經(jīng)調(diào)理電路將此電壓值轉(zhuǎn)換為0～2V或4～20mA。高精度的光照強度測量體積小巧，IP65防護等級設(shè)計傳感器結(jié)實、耐腐蝕響應(yīng)速度快，<1秒可選用電壓或電流輸出，電流輸出在長纜線傳輸?shù)臅r候沒有信號衰減，可以精準的測量出光照強度。

2.3電機驅(qū)動模塊

本作品采用L298N作為直流電機驅(qū)動模塊，L298N是一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V;輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A;額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載;采用標準邏輯電平信號控制;具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作;可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。

2.4 顯示模塊

選用用led顯示器模塊進行傳感器模塊檢測的參數(shù)，實時顯示使用用戶家中的溫濕度的變換以及窗戶的狀態(tài)。led顯示器采用二極管制與半導(dǎo)體的結(jié)合其生產(chǎn)材質(zhì)與制作的工藝，突破了原有光亮、顏色的限制，大量應(yīng)用藍色二極管、純綠色發(fā)光二極管，提升了顯示光亮度。進而提升了LED顯示屏幕在室外環(huán)境中的優(yōu)勢，可適應(yīng)不同顯示要求，提升LED在不同環(huán)境中的有效價值。

2.5 人機交互

（1）通過制作小程序來實時了解室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，該軟件具有跨平臺，無需安裝，便于升級維護，用戶體驗優(yōu)良等優(yōu)點。小程序中具有用戶中心，進行保存用戶的搜索記錄及用戶關(guān)注的項目，便于用戶下次登錄時直接查看。

（2）通過無線通信模塊（型號為NRF24LO1）以及Wi Fi模塊對窗戶的開關(guān)進行遙控，并對工作模式進行切換。利用該設(shè)備就能夠無線接入網(wǎng)絡(luò)并接收數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)向串口設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，對串口設(shè)備遠程無線控制的功能。無線通信具有性能好，穩(wěn)定性強的特點。

3 作品設(shè)計

3.1 窗體機械設(shè)計結(jié)構(gòu)

該窗體主要有窗框、窗戶、電機及無線通信模塊等構(gòu)成，小程序?qū)χ鳈C傳送指令，通過電機的正反轉(zhuǎn)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，進一步實現(xiàn)遠程監(jiān)控窗戶的開關(guān)，窗體機械設(shè)計結(jié)構(gòu)以及窗戶預(yù)覽圖如圖2，圖3所示。

3.2 窗體機械設(shè)計結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以Keil 為編程軟件，以C語言為編程語言，以STM32為控制中心，結(jié)合各類傳感器檢測數(shù)據(jù)，通過控制電機轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)窗戶的自動開啟與關(guān)閉功能。該系統(tǒng)擬采用兩種工作模式，即自動模式與小程序遠程控制模式，用戶可通過小程序切換工作模式。自動模式工作流程如圖4所示，小程序遠程控制模式工作流程如圖5所示。

4 智能窗戶的調(diào)試

本款智能窗戶以STM32單片機為主控板，結(jié)合相應(yīng)傳感器及時獲取室內(nèi)外環(huán)境的相應(yīng)情況，通過將信息傳回主控板處理，得出室內(nèi)環(huán)境的相關(guān)信息，同時，根據(jù)其具體情況做出應(yīng)對措施，并用屏幕顯示相關(guān)信息。利用無線通信模塊實現(xiàn)自動模式與遙控模式的切換，完成遙控模式下對窗戶打開與閉合的操作。智能窗戶系統(tǒng)運行情況如圖6所示。

5結(jié)語

以現(xiàn)有的實體窗戶為基礎(chǔ)，將單片機控制技術(shù)和傳感器應(yīng)用技術(shù)等有機地融合到一起，共同構(gòu)建了智能窗戶平臺。通過該智能窗戶的實踐，達到了預(yù)期的效果。智能窗戶的應(yīng)用越來越廣泛，該裝置的研究對后續(xù)同類產(chǎn)品的研究具有重要意義。

參考文獻

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