基于AVR+WSN 的智能門控/窗控系統研制

金文慧，王靜

（安徽新華學院 電子工程學院，安徽合肥，230000）

0 引言

智能門窗是指具有報警、防盜、自動開關窗等功能的門窗，由于價格昂貴，目前多廣泛運用于高檔商品房、豪華會所、高端商場等特殊場合。但隨著安全需求的認識加深，普通家庭也逐漸意識到其重要性，逐漸有了市場的需求?？墒歉甙旱膬r格、不夠全面的功能和信息采集的不實時處理，都大大限制了智能門窗的發展和普及。

基于上述原因，本系統是基于價格低廉、功能強大的AVR單片機和通訊可靠的ZigBee 技術的設計，集聲、光、電、通訊及視頻為一體的安全、環保、可靠、性價比高的家用設計，是智能家居的理想選擇。

1 系統方案設計

在當今快節奏的生活中，工作壓力的不斷增大，使得人們常常會因為不清楚自己是否及時打開或關閉窗戶而擔心不已；樓層的不斷增高，使得飽受風雨的窗戶外層即便骯臟模糊，也不能人工擦拭；頑皮的幼兒無意識的靠近，甚至攀爬上窗戶，大人未能及時發現而終生痛苦；陌生人長時間逗留于門前或窗邊，未能獲得任何提醒而帶來的財物丟失、甚至人身安全的威脅；危險氣體的泄露，因為門窗緊閉而不能及時排放；窗簾的開關需要人力操作……

我們需要使用簡單可靠的系統，通過高智能的精準控制和協同，解決上述的種種不方便及可能的安全隱患，讓我們的生活變得更簡單、更舒適、更節約、更生態。智能門窗不僅將成為不可替代的家庭必須品，更將成為智能家居、家庭云系統中重要的一員。因此，智能家居作為一個藍海項目，前景不可估量。而作為智能家居系統的子系統——智能門控/窗控系統，同樣具有非常重要的社會意義和實用價值。

智能門窗是指具有報警、防盜、自動開關窗等功能的門窗，由于價格昂貴，目前多廣泛運用于高檔商品房、豪華會所、高端商場等特殊場合。但隨著安全需求的認識加深，普通家庭也逐漸意識到其重要性，逐漸有了市場的需求?？墒歉甙旱膬r格、不夠全面的功能和信息采集的不實時處理，都大大限制了智能門窗的發展和普及。

基于上述原因，本系統是基于價格低廉、功能強大的AVR單片機和通訊可靠的ZigBee 技術的設計，集聲、光、電、通訊及視頻為一體的安全、環保、可靠、性價比高的家用設計，是智能家居的理想選擇。本智能門窗控制系統的核心研究內容主要有：

（1）智能管理控制

本智能門窗控制系統集合了溫濕度傳感器、PM2.5 傳感器、風雨傳感器、氣體傳感器、人體紅外傳感器和攝像頭等各類用于環境監測的傳感器，再利用ZigBee 技術將采集到的各類信息及時傳送到AVR 單片機上進行處理和分析，同時做出相應的指令，通過無刷電機進行不同情形下的處理，如窗戶的自動開合、洗刷外窗玻璃、升降金屬護網，并將報警信息和處理結果通過網關連入Internet 或移動通信網絡，最終展現在用戶的手機APP 或PC 終端上，方便用戶及時了解家居環境的狀況。

因此，該智能門窗是一種集機械傳動技術、傳感技術、智能控制技術等先進技術為一體的機電一體化控制系統，通過自動打開或者關閉房子內所有窗戶，實現自動控制功能，達到對室內環境的調節和防盜報警的目的，使家庭與外部在信息交流上保持暢通，人們的生活方式得以優化，人們的時間可以有效安排，家居生活更具安全性。

（2）顯示終端

數字顯示終端是基于M2M（機器對機器的無線通信）技術的智能門窗控制系統唯一最終面向用戶的部分，采用ZigBee技術、USB OTG 技術與相關的無線設備組建無線局域網，完成對無線傳感器節點的監控和數據的查詢、記錄。并由基站將采集到得數據匯總封裝后，通過M2M 網關連接入Internet或移動通信網絡，并最終傳送到用戶的手機APP 或PC 終端上，同時也可通過手機或PC 機進行遠程監控和操作。

2 智能門窗控制系統設計

智能門窗控制系統如圖1 所示，由主機(AVR 微處理器)、溫、濕度等多種傳感器、防盜報警等各類報警終端、遙控器和機電傳動執行機構組成。該系統將聲、光、機、電、通訊等現代技術集為一體，系統能夠實現智能遙控開關窗門、窗簾，智能防風（遇刮風天氣自動關窗），智能防雨（遇下雨天氣自動關窗），智能防盜（遇非法從窗戶入侵自動關窗）、智能報警（遇警情時能迅速通知主人），防小孩墜樓（遇小孩攀爬窗戶自動關窗），智能監控燃氣泄漏（煙霧達到一定濃度或遇燃氣泄漏自動開窗），自動凈化空氣（檢測到有毒氣體開啟排氣扇或自動開窗）等多種功能，是一款完美結合安防、智能控制系統與建材的高科技產品。

圖1 智能門窗控制系統

（1）傳感器數據的采集和傳輸

本系統首先將各類傳感器采集到的溫度、濕度、風雨指數、光照、PM2.5 值、特殊有害氣體，以及人體感應數據傳輸至AVR 單片機，進行合理的分析和處理，對于超出所設警戒值的數據，及時啟動家居環境中的簡易聲光報警系統，并將報警信息傳送至用戶手機或PC 終端，同時給出及時的應急處理。

（2）無刷電機的合理設置

在本系統設計中，當檢測到有風雨時，可通過無刷電機及時關閉窗戶，避免風雨入戶；當檢測到幼兒或陌生人員靠近打開的窗戶時，可通過無刷電機及時放下防護網，保護幼兒及家產的安全；當檢測到外窗玻璃臟時，可通過無刷電機驅動雨刷擦拭玻璃，實現窗明幾凈的居住環境；當檢測到家里特殊氣體的濃度超過了警戒值時，可通過無刷電機及時打開窗戶，起到通風散味的作用。

由此可見，無刷電機在本系統處于一個非常重要的地位，實現功能多樣復雜，需要認真學習和研究，理清各種功能實現間的關系，才能避免功能交錯、出現實操上的BUG。

（3）控制網關

網關是智能門窗的最核心設備，類似于家用電器的總開關，與普通網關相比，它還兼容了802.11 和ZigBee 無線通信功能。這也是本項目的難點和關鍵問題之一。

（4）安全問題

由于本系統中的所有數據都需要聯網，通過Internet或GPRS 傳送至手機或PC 終端，因此安全問題也是本項目的關鍵。在這里采用密碼、口令、指紋等綜合安全措施來保證安全性。

3 智能門窗控制系統功能實現

智能門窗安裝于窗門框架內，能夠實現低噪音平穩運行，具有設計巧妙、體積小、隱蔽性強、安裝簡便的特點，在各種樣式的塑鋼門窗、鋁合金門窗上都適用，原有的窗戶、窗簾、索拉門結構完全不用改變，即可輕松將普通門窗升級改造成智能門窗。本系統實現的功能包括以下幾個方面。

（1）智能防盜

通過安裝靈敏度高、抗干擾性強的微波傳感器。當人體信號被紅外線檢測到后，會立即自動關閉窗戶，遇到人為強行入侵，高分貝聲音報警器可以發出報警信號，同時將警情發送至主人手機，也可以發送到小區保安處，保安通過顯示器能準確定位警情發生的位置。家庭與商用防盜問題可以得以有效解決，小偷將徹底被拒之窗（門）外。

（2）自動防風防雨

當你在外突遇大雨，焦慮因未關門窗家里被雨水沖洗，擔心家用電器被雨水浸泡，但又無能為力，望雨興嘆的時候，如果安裝了智能門窗，就可以讓你免遭損失。智能門窗外側安裝了風雨感應器，當雨水打在傳感器上或風力達到3 級時，可以立即自行關閉窗戶，無論你身在何處，都再也不必擔憂。

（3）監控液化氣泄漏

當智能系統檢測到室內發生天然氣、液化氣等可燃氣體泄漏時，將打開自動窗戶，也可以直接啟動廚房里的換氣扇，將可燃氣體排到窗外，同時通過蜂鳴報警信號提醒主人，可以有效地避免人中毒事件和火災、爆炸事故的發生。

（4）全息智能遙控開關門窗

在室內任意位置可以利用遙控器開、關窗門，控制其停留在你想要的位置。也可通過手機APP 或PC 機實現遠程遙控。

（5）防小孩墜樓

目前，孩子的安全問題時刻牽動著全家人的心弦，也成為家庭關注的重點。監護人不可能隨時盯著小孩，有了智能門窗后，孩子如果攀爬窗戶，當手剛伸出窗口的時候，人體信號就能被傳感器檢測到，防護網會自動沿軌槽下拉，孩子就會被擋在室內，墜樓事件也將不會的發生。

（6）凈化室內空氣

室內空氣中常常會含有大量的丙酮、甲醛、苯、乙胺、庚烷、香煙粒子等，當有害物質超標時，渾濁氣體信號就會被傳感器檢測到，各個方位的窗戶都會自動開啟，形成通風對流，室內有害氣體迅速得以稀釋，環境也會變得健康舒適。

（7）凈化外窗玻璃

當檢測到外窗玻璃臟時，可通過無刷電機驅動雨刷擦拭玻璃，實現窗明幾凈的舒適居住環境。

（8）遠程管理

智能門窗的主要特點是便捷和舒適，因此上一層次的決策管理至關重要。智能門窗系統最終可以實現在手機軟件APP 上管理家電系統。因此本項目的重點工作之一就是基于Android 系統的手機APP 開發。通過該APP 能實時查看門窗的開合狀態，遠程控制其開和關，同時具備安防防盜等功能。

（9）Android 應用程序開發

手機端的控制程序會在Android 平臺上，該APP 的開發平臺是Android Studio，開發出來的軟件能遠程查看家庭門窗的安全狀況，防盜報警，遠程門禁、遠程控制等功能。

4 結束語

本系統基于AVR 單片機和ZigBee 技術研制了一款智能門控/窗控系統，實現了智能防盜、自動防風防雨、監控液化氣泄漏、全息智能遙控開關門窗、防小孩墜樓、凈化室內空氣、凈化外窗玻璃、遠程管理及Android 應用程序開發等功能，實現效果良好。