基于物聯網技術的智能窗戶控制系統設計

王偉勝，熊蔣芹，譚玉姣，田澤強，柯銘慧，許四平

(湖北理工學院 數理學院，湖北 黃石 435003)

隨著我國市場經濟快速發展，國家經濟實力增強，人民群眾的物質和精神生活水平不斷提高，人們對住宅的功能需求也越來越多，除了舒適、溫馨外，還要體現安全化、智能化。

目前，大多數家庭采用的是平拉式窗戶，窗戶嵌設在墻體內。人們通常會在外出前打開窗戶給室內通風，若出門后突降大雨，往往來不及回家關窗，導致室內進水，而且開關窗對行動不便的老年人、年齡尚小的孩子來說并不是一件簡單的事。因此,人們迫切需要一種更加智能化的家居自動開關式的窗戶控制系統，能夠可靠地進行日常開關操作，在陽光明媚的時候，能實現自動開窗通風；在雨天和外界嘈雜時能自動關窗，讓人們安心工作、學習和休息，同時還可以通過移動端進行紅外監測，以防家中被盜。

1 物聯網概述

物聯網是基于全球互通設備網絡愿景的新范例。其基本思想是各種各樣的物體能夠相互交互、合作以實現共同的目標。在物聯網中，各種類型的執行器和傳感器通過無線傳感器網絡(WSN)連接到互聯網中，可以找到數十億個對象。物聯網提供的潛力使大量應用的開發成為可能，如智能家居、智能電網、智能醫療行業、智能航運和物流以及社交網絡等，均具有廣闊的應用前景[1]。

2 系統總體方案設計

智能窗戶控制系統由控制器模塊、電機驅動模塊、LCD顯示模塊、無線通信系統模塊、外部環境監測模塊、紅外線報警控制模塊等組成。智能窗戶控制系統設計框圖如圖1所示。

圖1 智能窗戶控制系統設計框圖

1)外部環境監測模塊是指各類傳感器安裝在窗戶框架外部，用于實時收集外部環境(如濕度、噪聲、光強)信息，再由LCD顯示模塊即LCD1602液晶顯示屏作為顯示器，來顯示外部環境相關數據，便于用戶實時地了解外部環境相關信息。當外界條件達到一定的臨界值時，微控制單元(MCU)就能夠控制電機驅動，實現窗戶的自動打開與關閉。同時，還可通過移動端給MCU發送指令，控制電機運行，實現開關窗。

2)紅外線報警控制模塊用來監測有無物體穿越窗戶，若有物體穿過，則MCU通過無線通信模塊向移動終端發送提醒信息，并立即啟動應急系統，報警器響起。

3 系統硬件設計

3.1 電機驅動模塊設計

為了精確地控制窗戶開關，系統采用四相六線步進電機控制窗戶開關，步進電機由ULN 2003芯片驅動[2]。步進電機的工作方式及控制字見表1[3]。由表1可知，設四相雙四拍的相序為AB→BC→CD→DA ，當四相八拍相序為A→AB→B→BC→C→CD→D→DA 時，步進電機正轉，若通電相序相反，則電機反轉。

表1 步進電機的工作方式及控制字

3.2 控制器模塊設計

控制器模塊即微控制單元(MCU)，采用AT89S52單片機作為主控制芯片[4]。AT89S52是一款低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器芯片，內含8 000字節的ISP，系統內可編程，可反復擦寫1 000次flash的只讀程序存儲器，采用了ATMEL公司的高密度非易失性存儲器技術，兼容標準的MCS-51指令集和80C51引腳結構[5-6]。芯片集成了通用的8個中央處理器和ISP閃存單元，是一個功能強大的單片機，可為許多嵌入式控制應用提供經濟高效的解決方案。

3.3 外部環境檢測模塊設計

1)濕度檢測設計。采用DHT11進行環境濕度檢測。DHT11是一種多功能傳感器，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，可以測量溫度和濕度。DTH11以串行單線與8位AT89S52單片機相連，采集到的數據以數字信號輸出，具有響應速度快、抗干擾能力強、穩定性好、性價比高等優點[6]。當檢測濕度時，DTH11需要對采集的濕度進行內部校準，標準系數以程序的形式儲存在OTP內存中。濕度測量值一般在20%～90%之間波動，精度可達到0.05。上電后，DHT11需要1 s的緩沖時間，由于電波干擾，DHT11在此期間不穩定，所以應該在VDD和GND端子上增加一個額外的電容。

2)光強檢測設計。光敏電阻LY-C1對環境光非常敏感，當光強變化時，其自身電阻值發生變化。當光敏電阻兩端的電壓固定時，若光強變大，則電阻變小、電流變大。因此，采用光敏電阻LY-C1檢測元件，根據電流的變化來計算光強。光敏電阻輸出的為模擬信號，需要將其轉換成數字信號。系統采用ADC0832轉換器實現模數轉換，光敏電阻接到ADC0832芯片的引腳CH1。

3)噪聲檢測設計。系統使用小麥克風采集聲音，經LM358放大信號后，采用ADC0832進行模數轉換，最終轉換成分貝值。

3.4 無線通信模塊設計

為了實現系統與用戶的交互，采用nRF2401收發器[7]。其包含一個高速單片機和高性能射頻核心,其特點是接收靈敏度高、發射功率和數據傳輸速率高，是一款適用于全球2.4～2.5 GHz ISM頻段的單芯片無線電收發器，支持與單片機的數據接口。該節點負責從內部網絡接收數據，并將數據發送到網關的單片機單元。nRF24L01可以設置為接收模式、發送模式、待機和掉電模式。

3.5 紅外線報警控制模塊

采用HC-SR501作為紅外線報警控制模塊。HC-SR501是基于紅外線技術的自動控制模塊，具有較高的敏感度，而且能夠在電壓很低的情況下工作，還可以通過多種方式實現完全自動延時感應。例如，當有物體直接進入檢測范圍時，該模塊會自動產生一個輸入高電平，該高電平是延時出現的,如果物體超出了這個探測范圍，那么該模塊則會出現2種結果，即自動地產生延時輸入高電平，或自動地使輸入高電平關閉,并且輸出一個低電平。HC-SR501配合蜂鳴器即可實現紅外報警。

4 系統軟件設計

智能窗戶控制系統工作流程圖如圖2所示。

圖2 智能窗戶控制系統工作流程圖

4.1 外部環境檢測軟件設計

外部環境處理流程圖如圖3所示。溫濕傳感器DHT11檢測到的數據、麥克風收集到的聲音和光敏電阻輸出的模擬信號由ADC0832轉換器轉換為模擬數據，并在LCD1602液晶顯示屏顯示。取值范圍為0～255，數值越小，濕度及噪聲越低、光照越弱；數值越大，濕度及噪聲越大、光照越強，并在LCD1602液晶顯示屏顯示。假設當濕度達到100%或噪聲達到60 dB時，若窗戶沒有關閉，則驅動電機關閉窗戶；假設噪聲小于60 dB且光照強度大于100 Lx，若未開窗，則驅動電機開窗。

圖3 外部環境處理流程圖

4.2 電機驅動模塊軟件設計

四相雙四拍步進電機的驅動程序流程圖如圖4所示。先判斷單片機存儲單元51H中的內容是否為“1”，若為“1”，表示步進電機正轉，則51H單元中的8位循環右移，代表步進電機通電繞組AB，BC，CD，DA逐次正向通電；若為“0”，表示步進電機反轉，則51H單元中的8位循環左移，代表步進電機通電繞組AB，BC，CD，DA逐次反向通電。

圖4 四相雙四拍步進電機的驅動程序流程圖

4.3 紅外報警軟件設計

智能窗戶控制系統兼具防盜功能。當檢測到有人從窗戶進來時，紅外傳感器可以激活蜂鳴器，并發送短信通知。紅外報警處理流程圖如圖5所示。紅外傳感器檢測到的數據處理為“真”或“假”，表示是否檢測到人體。為了防止檢測錯誤，降低紅外檢測范圍，同時可在傳感器周圍放置障礙物，以降低檢測錯誤的概率。

圖5 紅外報警處理流程圖

5 結束語

智能窗戶控制系統運用物聯網技術智能驅動窗戶開關，以實現自動防雨、防噪、通風等功能。以AT89S52芯片為核心，利用溫濕度傳感器、光敏電阻、紅外傳感器、LCD顯示屏等元件，實現了濕度檢測、噪聲檢測、光強檢測、紅外安全、無線遙控、液晶顯示等功能，能幫助人們有效解決外界噪音干擾、老人和小孩開窗不便以及家中安全等一系列生活問題，提升生活品質。