基于Arduino的一種多控制式智能窗簾設計

林彬煒 李斌鴻 熊昌炯 韓沛暄 黃彬

摘要：傳統窗簾和智能窗簾有很大區別：家用傳統窗簾通常需要人為操作，而智能窗簾是由智能系統自動控制或通過預定程序來控制。因為這些差異，在實用性和便捷性等方面智能窗簾是優于傳統窗簾的。本次所設計的智能窗簾設計是基于傳統收拉窗簾的方式，以Arduino為智能網關，安裝了光敏電阻、藍牙模塊等傳感器，設置自動模式，利用光敏電阻檢測外界光照強弱實現窗簾自動收拉，除了手機控制、自動模式之外還可通過Wi-Fi聯網，實現人不在時也可遠程控制，將溫濕度的實時數據傳輸至云端的功能，從而可通過手機監控房間實時的溫度與濕度信息，通過顯示模塊與人交互，來計算人的真實體感溫度，使人們的居住環境更加智能化。

關鍵詞：智能窗簾；自動控制；Arduino；DHT11溫濕度傳感器；HC50藍牙模塊

中圖分類號：TP391? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）30-0041-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

隨著電子信息技術，控制技術的日益提升，信息化社會在改變人們生活習慣和工作方式的同時，人們對家居的要求早已不再只是簡單的物質空間[1]，更為關注的是一個高度安全、舒適以及美觀方便的居住環境，先進的通信設施，完備高效的信息終端，自動、智能的家電，網絡化的資源管理及購物方式等?，F今社會人們日益膨脹的需求使得家居智能化已然成為一種趨勢。隨著智能家居的逐漸普及，不同的智能家居具有不同的價值，對于不同的消費群體來說將會有更多的選擇，但實用性往往是消費者最先考慮的。以下是基于Arduino設計的一種多控制式新型智能窗簾，其結構簡單、使用方便、穩定性好、使用壽命長、故障率低。通過自動檢測天氣情況和人工通過藍牙控制實現自動控制窗簾收放的功能。

新興設備也更能夠吸引潛在客戶，帶給客戶更好的體驗。產品在機構設計中也根據需求最大限度地簡化其結構，降低了成本，還可以通過此設計理念衍生出更多產品，因此具有一定的市場價值和消費群體，從而印證了本課題的研究意義。

2 方案設計

2.1 工作原理

該產品由窗簾布、滑軌、57電機和智能網關等部分組成。與傳統窗簾相比較，智能窗簾的核心部分即智能網關，具有接收和執行用戶發送指令的功能，Arduino板接收各傳感器的數據信號并對其進行數據分析，然后下達指令，驅動電機轉動滑軌轉軸，轉軸帶動窗簾實現多智能化自動控制窗簾打開和關閉[2]。

2.2 硬件搭建

實現窗簾的自動化就必須含有以下功能：數據的讀取、按鈕控制和用于打開和關閉窗簾的限位器。

圖3所示的光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光信號經過光敏傳感器收集轉換成電信號饋入Arduino板中，Arduino根據反饋的亮度大小做出計算分析窗簾是否開關的情況。亮度判斷依據如下：當亮度處于0～100時屬于偏暗；當亮度處于100～200時屬于正常光；當亮度處于200～500時屬于偏亮。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉換為光信號的變化即可。

圖4所示的HC-50是一個藍牙模塊，連接到微控制器的串行端口，允許微控制器通過藍牙連接與其他設備通信。模塊本身可以在主從模式下運行，并且可以用于各種應用，例如：智能家居應用、遠程控制、數據記錄應用、機器人和監控系統等。智能窗簾的第二種功能便是通過手機App與藍牙模塊連接，以指令的接收和執行控制窗簾的開關。當手機App發出指令1時為窗簾拉上狀態，由步進電機驅動轉軸正轉，轉軸上連接的工作滑塊也隨之往左移動，工作滑塊上安裝有菱形伸縮架，菱形伸縮架一端與限位器固定，下方有鉤子可掛窗簾，工作滑塊移動時將帶動菱形伸縮架移動，下方的窗簾隨著菱形伸縮架的移動組件逐漸被拉上使之達到關窗簾的效果；當使用手機App輸入另一個指令2時，即可讓電機反轉從而將窗簾反向拉回去使之達到開窗簾的效果，實現一種遠程控制窗簾開關的功能。

Arduino不直接控制步進電機，因此選用DM542控制電機驅動聯軸器帶動轉軸轉動，從而拉動窗簾。DM542型細分型兩相混合式步進電機驅動器采用直流18V～50V供電，適合輸入電壓為24V的57步進電機，低速運行很平穩，幾乎沒有振動和噪音。

綜上，智能網關是采用Arduino為控制核心的系統，由降壓器（220V→24V）、備用電池充電模塊、電源開關、HC-50藍牙模塊、光敏電阻模塊、DM542驅動和57電機等組成，如圖6所示。

2.3 工作流程

如圖7所示為窗簾自動控制系統工作流程。自動模式是智能窗簾設計最為重要的一部分，核心程序會根據具體的光照環境，自動控制窗簾的打開/閉合：當室內亮度高時，窗簾將自動閉合；當室內亮度暗時，窗簾將自動拉開。當遇到停電等情況時，還可切換為手動模式，電流啟動閥值設定為200，當超過閥值時，電機將帶動窗簾開關/閉合。并檢測紅外模塊數據，確定限位位置。

3 方案改進設計

綜上所述，以上設計能夠達到兩種預期效果，一方面可通過自動控制模塊控制窗簾以調節室內亮度；另一方面實現遠程控制窗簾的開關。除了App控制系統、自動控制系統之外還設有手動系統，當意外發生時撥動開關即可控制電機正反轉，起到了安全保護作用。正常情況下該裝置使用插座供電，在停電的時候將切換為備用電源供電，使停電時依舊可以自動控制窗簾。如圖8所示，在原有方案設計基礎上增加了兩個創新：

1）由于Arduino還留有算力及接口，可再加上DHT11溫濕度傳感器，通過顯示模塊與人交互，由于溫濕度是影響人體感溫度的主要因素，所以將通過虛擬終端計算出人體的真實體感溫度。

2）將藍牙模塊替換為Wi-Fi 模塊，與使用藍牙模塊的功能相比，實現人不在家時可遠程控制窗簾，范圍更廣，還可以通過互聯網將溫濕度實時數據傳輸給手機，通過手機監控房間實時的溫度與濕度信息。

在Wi-Fi模塊的設計中，使用ESP8266Wi-Fi模塊作為數據通信模塊，將Gizwits固件下載到模塊中，使用MCU串口與模塊通信，并連接到Gizwits移動App。在使用過程中，使用手機連接Wi-Fi，通過App配置模塊的網絡，并提供模塊的Wi-Fi連接。關閉電源并重新啟動模塊，以自動連接到當前配置的Wi-Fi。

溫濕度傳感器設計。DHT11數字溫濕度傳感器專門用于監測周圍環境的溫濕度情況[3]，和COM8處理核心元件進行數據傳輸工作，利用周圍環境中的水分影響其電阻值的方式測量濕度，利用NTC電阻對溫度比較敏感的特性測量溫度。調試時的精準數據會被其收錄在存儲器中，以便工作時對照分析。又因為只有一個核心數據傳輸接口，因此能夠精確地集中數據并傳輸到指定位置。由于小體型和消耗資源小的特點，可以應對各種復雜嚴苛的程序，其集成了4針引腳，以便連接。如圖9所示，溫濕度傳感模塊由Arduino328開發板、DHT11溫濕度傳感器、串口模塊組成，還放置了虛擬終端，用來觀察串口輸出的數據。

4 機構設計

如圖10所示，基于傳統收拉窗簾的方式，設計了雙光軸滾珠絲桿滑臺，具有傳動效率高的特點。其結構包括：①機架導軌體；②工作滑塊；③精密滾珠絲桿；④鋁型材底板；⑤多連桿機構組成的菱形伸縮架。選用⑥57步進電機通過⑦法蘭片和⑧聯軸器與滾珠絲桿連接，工作滑塊與菱形伸縮架通過鉚釘連接。取代了傳統機型上復雜的滾輪架機構，進一步簡化滑動機構，從而保證在工作滑塊推動菱形四桿機構在機架導軌體中作伸縮滑動過程中的流暢性。針對市面上的自動窗簾裝置中的導軌結構復雜、使用舊吊輪之間直接接觸摩擦的因素導致磨損，影響使用的缺點，本產品在原有的機構上進行創新，設計了菱形伸縮桿件，機構更靈活，還可以實現自由延伸。相對于原有的掛布吊輪，不易磨損，更加耐用且維護方便。

在設計完智能操作系統的同時，以Arduino為核心的控制系統會根據溫濕度顯示器、光照傳感器和Wifi/藍牙的反饋去改變窗簾收拉程度，窗簾機構通過安裝板固定在墻上，兩邊各安裝一個步進電機，進而可朝兩側收拉窗簾，使得開窗簾時能夠保證陽光能充分照進室內；關窗簾時能夠充分遮擋光照的進入，避免了僅安裝單邊窗簾而可能帶來的收拉長度不夠等局限。另外還裝有備用電源，在停電的時候將切換為備用電源供電。

5 結論

智能窗簾自動控制功能體現在當打開或重新啟動時，Arduino首先讀取各傳感器的數據，并將其與預設條件進行判斷以執行開啟或關閉窗簾的任務。又因為系統設計了限位觸發器，所以窗簾能夠很好地達到完全開啟或關閉狀態而不會出現故障，也不會出現窗簾未閉緊或未完全打開的情況。該控制系統設有三級，其中手動模式具有最高優先級，因其具有當意外發生時其他模式可能發生失效，這時便能起到安全保護作用[5]；第二級為遠程控制模式；第三級為自動控制模式。此設置的目的在于為家庭用戶提供更多選擇：當長時間不在家時，可以將系統置于完全關閉模式；如果需要完全打開窗簾，可將系統設置為完全打開模式。為了延長窗簾的使用壽命，當系統運行時可將其設置為長時期處于自動狀態，當系統進入自動模式時，每個傳感器都會收集數據，并根據溫濕度、光照強度等參數確定窗簾的開關狀態。同時有了限位器的保護功能，每次窗簾伸縮程度還有時間都會得到控制；傳感器記錄的溫濕度和亮度將實時通過虛擬終端顯示，Arduino將會通過Wi-Fi模塊將接收到的環境數據和狀態信息傳輸到手機App等，使人們的居家生活?更具智能化、人性化。此外，本產品已申請實用新型專利，具有一定的市場價值和競爭性。

參考文獻：

[1] 賈海云.智能家居中智能窗簾的設計[J].電腦知識與技術，2021，17（10）：202-204.

[2] 熊昌炯，鐘林鑫，賴潘枝，等.一種新型窗簾組件：CN214433589U[P].2021-10-22.

[3] 高生霞，凡偉，王念一.基于WiFi的智能家居控制系統[J].數字化用戶，2019，19：217-218.

[4] 張子超.Proteus基于Arduino DHT11溫濕度傳感器仿真實驗[EB/OL].[2021-10-20]. https：//zoyi14.smartapps.cn/pages/note/index？slug=7ac841c36 acb&origin=share&_swebfr=1&_swebFromHost=baiduboxapp.

[5] 李小為，張健.智能家居中電動窗簾的設計與實現[J].電腦知識與技術，2018，14（2）：161-163.

【通聯編輯：梁書】