基于Esp32單片機(jī)的智能窗戶的設(shè)計(jì)

高偉杰?聶旭?門(mén)紫薇?周濤?曹子潔

摘? 要：通過(guò)對(duì)智能窗戶模塊化的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步滿足了用戶的多樣化需求。設(shè)計(jì)包含了主控模塊、電源模塊、識(shí)別模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、Esp32無(wú)線收發(fā)模塊、報(bào)警模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)智能識(shí)別控制：在陰雨天氣關(guān)窗、火災(zāi)報(bào)警關(guān)窗、有小孩靠近報(bào)警關(guān)窗、遠(yuǎn)程控制窗戶等功能。它可以有效解決陰雨天上班族沒(méi)法回家關(guān)窗，家中起火時(shí)自動(dòng)關(guān)窗避免火勢(shì)增大，孩子在家長(zhǎng)不注意時(shí)靠近窗戶危險(xiǎn)墜落等問(wèn)題。必要時(shí)可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)窗戶的開(kāi)關(guān)。

關(guān)鍵詞：智能窗戶;單片機(jī);多樣化需求;智能識(shí)別控制;遠(yuǎn)程控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）06-0055-04

Design of Intelligent Window Based on Esp32 Single-Chip Microcomputer

GAO Weijie， NIE Xu， MEN Ziwei， ZHOU Tao， CAO Zijie

（College of Electronic Information and Automation， Tianjin University of Science and Technology， Tianjin? 300222， China）

Abstract： Through the modular design of intelligent windows， it further meets the diversified demands of users. The design includes the main control module， power supply module， identification module， drive module， Esp32 wireless transceiver module and alarm module， which can realize intelligent identification control： closing the windows in rainy weather， closing the windows in case of fire alarm， closing the windows in case of children approaching the alarm， remote control the windows and other functions. It can effectively solve the problems that office workers cannot go home to close the windows in rainy days， automatically close the windows in case of a fire at home to avoid the increase of fire， and children dangerous fall near the windows when their parents are not paying attention. If necessary， the windows can be switched and off remotely through the Internet of Things.

Keywords： intelligent window; Single-Chip Microcomputer; diversified demand; intelligent identification control; remote control

0? 引? 言

城市上班族工作繁忙，但在生活中仍需要照顧家庭起居，如白天開(kāi)窗通風(fēng)透氣，照顧孩童等。為了減輕上班族的生活壓力，使家用產(chǎn)品更加方便化、智能化，對(duì)傳統(tǒng)的窗戶進(jìn)行有計(jì)劃性的改進(jìn)，設(shè)計(jì)一款服務(wù)于上班族的智能窗。智能窗以單片機(jī)為控制核心，可以在下雨時(shí)自動(dòng)關(guān)閉窗戶;發(fā)生火災(zāi)時(shí)自動(dòng)關(guān)閉窗戶;有人靠近時(shí)自動(dòng)關(guān)閉窗戶;人們可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)窗戶的開(kāi)關(guān)[1]。

1? 系統(tǒng)工作原理

通過(guò)采集和處理雨水、火焰、人體傳感器收集到的外界信息，當(dāng)下雨、發(fā)生火災(zāi)、有人靠近時(shí)，會(huì)給主控模塊傳輸一個(gè)高電平信號(hào)，主控模塊再通過(guò)L298N控制直流電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)窗戶的開(kāi)關(guān)[2]。其中檢測(cè)人體方位的識(shí)別模塊包括HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊，當(dāng)感應(yīng)到人體靠近或遠(yuǎn)離的時(shí)候，將對(duì)人體的紅外熱輻射的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，無(wú)人環(huán)境電信號(hào)維持中值，人體靠近模塊時(shí)輸出高電平，人體遠(yuǎn)離模塊時(shí)輸出低電平，基于此，我們?cè)偈褂肏C-SR04超聲波測(cè)距模塊，當(dāng)接收到高電平信號(hào)并且超聲波測(cè)距模塊測(cè)得距離小于安全距離（50 cm）時(shí)，關(guān)閉窗戶，并通過(guò)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。Esp32主控通過(guò)內(nèi)置的Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)窗戶聯(lián)網(wǎng)功能，客戶端可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程關(guān)閉窗戶;電源模塊為系統(tǒng)供電。再配合軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能窗的各項(xiàng)功能[3]。智能窗示意圖如圖1所示。

2? 硬件設(shè)計(jì)

智能窗采用模塊化設(shè)計(jì)，包括主控模塊、電源模塊、識(shí)別模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、Wi-Fi模塊、報(bào)警模塊等[4]。各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。

2.1? 主控模塊

主控采用Esp32單片機(jī)，它是一款集成Wi-Fi功能的微控制器，擁有強(qiáng)大的性能，可以用來(lái)開(kāi)發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用，內(nèi)置32位雙核處理器，最高頻率為240 MHz。Esp32性能強(qiáng)大、響應(yīng)速度快、功耗低等優(yōu)勢(shì)，除此之外，自帶Wi-Fi和Bluetooth功能，因此本文用來(lái)實(shí)現(xiàn)客戶端聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)窗戶的功能[5]。B2E4DCE8-F4BA-4326-AEF4-D3D14658842B

2.2? 識(shí)別模塊

識(shí)別模塊由雨滴感應(yīng)模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、人體傳感器模塊組成，其中雨滴和火焰?zhèn)鞲衅骺梢灾苯硬杉晁突鹧嫘畔ⅲ珽sp32接收到相關(guān)信息并處理后依據(jù)控制邏輯及時(shí)關(guān)窗并發(fā)出警報(bào)提醒用戶。人體感應(yīng)傳感器包括HC-SR501人體感應(yīng)傳感器和HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，當(dāng)有小孩靠近小于安全距離時(shí)，會(huì)及時(shí)關(guān)閉窗戶并發(fā)出警報(bào)[6]。

2.3? 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊可以通過(guò)單片機(jī)連接蜂鳴器實(shí)現(xiàn)，蜂鳴器電路如圖3所示，用NPN三極管（S8050）驅(qū)動(dòng)，其中R67電阻用于防止蜂鳴器的誤發(fā)聲。

2.4? 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊由直流推桿電機(jī)和L298N驅(qū)動(dòng)板組成，12 V電源給驅(qū)動(dòng)板供電，驅(qū)動(dòng)板5 V輸出口給主控ESP32單片機(jī)供電，該驅(qū)動(dòng)板可以驅(qū)動(dòng)2路直流電機(jī)，推桿電機(jī)的兩個(gè)引腳連接到L298N的OUT1、OUT2口，在使能端ENA高電平時(shí)有效。通過(guò)推桿電機(jī)的伸縮可以實(shí)現(xiàn)窗戶的開(kāi)關(guān)功能，控制原理及推桿電機(jī)狀態(tài)如表1所示。

2.5? Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊采用Esp32的STA模式，在Arduino IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，把Esp32設(shè)置為一個(gè)站點(diǎn)接入路由器，同時(shí)客戶端通過(guò)手機(jī)或者電腦連接路由器，整體模式如圖4所示。

在瀏覽器登錄Esp32創(chuàng)建的HTTP服務(wù)器的IP地址，登錄網(wǎng)站后如圖5所示，客戶端可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)窗、關(guān)窗的功能，以及通過(guò)停止鍵控制開(kāi)關(guān)窗戶的程度。

3? 軟件設(shè)計(jì)

3.1? 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

打開(kāi)總電源后，若電源指示燈呈紅色閃爍狀態(tài)，則提示用戶充電后使用;若電量充足，電源指示燈呈現(xiàn)綠色常亮狀態(tài)。系統(tǒng)初始化，Esp32模塊自動(dòng)連接家庭Wi-Fi。初始化完成后，開(kāi)始檢測(cè)用戶是否發(fā)出開(kāi)關(guān)指令，在此期間，所有傳感器停止工作;若用戶未發(fā)出指令，但檢測(cè)到火焰信號(hào)時(shí)，執(zhí)行關(guān)窗命令發(fā)出警報(bào)[7];接著通過(guò)人體感應(yīng)功能來(lái)防止孩童靠近從高空墜落;最后一步再去實(shí)現(xiàn)下雨關(guān)窗的功能[8]。智能窗戶工作系統(tǒng)控制流程如圖6所示。

3.2? 人體方位識(shí)別模塊的設(shè)計(jì)

本文使用HC-SR501人體感應(yīng)傳感器和HC-SR04超聲波傳感器搭配工作。當(dāng)HC-SR501接收到高電平信號(hào)時(shí)，啟用超聲波傳感器測(cè)量人與窗戶口的具體距離，當(dāng)距離小于安全距離（50 cm）時(shí)，關(guān)上窗戶并發(fā)出警報(bào)。實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。

3.2.1? HC-SR501人體感應(yīng)傳感器

人體感應(yīng)模塊是基于紅外線技術(shù)的控制產(chǎn)品，其特點(diǎn)是可重復(fù)觸發(fā)，在感應(yīng)到人靠近輸出高電平后，會(huì)有一段延時(shí)，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)如果有人在感應(yīng)范圍內(nèi)活動(dòng)，將繼續(xù)保持高電平，直到人離開(kāi)后才延時(shí)變?yōu)榈碗娖健＿@項(xiàng)特點(diǎn)保證了小孩在靠近窗戶時(shí)，檢測(cè)的可靠性，同時(shí)本智能窗在三個(gè)方向上裝置了HC-SR501，在很大程度上提供了安全保障。

3.2.2? HC-SR04超聲波傳感器

基本原理：TRIG引腳負(fù)責(zé)發(fā)送超聲波脈沖串。此引腳應(yīng)設(shè)置為高電平10μs，此時(shí)HC-SR04將以40 kHz發(fā)出8個(gè)周期的聲波脈沖。發(fā)出聲波爆發(fā)后，ECHO引腳將變?yōu)楦唠娖健CHO引腳是數(shù)據(jù)引腳用于進(jìn)行距離測(cè)量。發(fā)送超聲波脈沖串后，ECHO引腳將變?yōu)楦唠娖?，它將保持高電平，直到檢測(cè)到超聲波脈沖串為止，此時(shí)它將變?yōu)榈碗娖健?/p>

只要測(cè)出ECHO引腳從拉高到拉低的時(shí)間就可以知道距離了。

計(jì)算公式如下：

因?yàn)槌暡òl(fā)送出去和回來(lái)是測(cè)量距離的兩倍，已知聲速是346 m/s（空氣溫度25 ℃）。假設(shè)測(cè)量距離為L(zhǎng)（m），ECHO引腳從拉高到拉低的時(shí)間為T(mén)（T一般由控制器的定時(shí)器得出，單位為μs）可得方程如下：

2L=346 · T · 10-6

整理得出：

T · 173 · 10-6=L（m）

進(jìn)一步得出：

L（cm）=T · 0.017 3

取：

0.017 2≈1/58.0

所以最終得出：

L（cm）=T/58.0

3.3? Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)控制的實(shí)現(xiàn)

本文定義服務(wù)器端口號(hào)為80，服務(wù)器對(duì)象實(shí)例為server。在Arduino IDE環(huán)境下，用Esp32創(chuàng)建HTTP服務(wù)，本文采用HTTP的請(qǐng)求方法是GET，客戶端向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求。為對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)的按鍵控制，本文定義Windows回調(diào)函數(shù)，把客戶端請(qǐng)求的數(shù)值返回賦給state，進(jìn)行判斷，如果state==“on”則打開(kāi)窗戶，state==“off”則關(guān)閉窗戶，state==“stop”則電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。部分代碼如圖8所示。

4? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)的智能窗戶，面向廣大的上班族，具有操作簡(jiǎn)單、功能豐富實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。上班族只需要在出門(mén)時(shí)打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，就可以在一天中，安心忙于工作，不用擔(dān)心天氣和安全隱患了。這樣一個(gè)智能化的產(chǎn)品是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的必然產(chǎn)物，對(duì)于提高生活質(zhì)量和安全保障方面有著極其重要的意義，必將受到社會(huì)的廣泛認(rèn)可，具有廣闊的市場(chǎng)潛力。

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作者簡(jiǎn)介：高偉杰（2000—），男，漢族，江蘇泰州人，本科在讀，研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)智能控制、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。B2E4DCE8-F4BA-4326-AEF4-D3D14658842B