針對高原氣候的窗戶智能控制系統的設計與實現

馬柯研，高紅梅，楊強，王蘇童

（1.西藏大學 信息科學技術學院，西藏拉薩，850000；2.西南交通大學 計算機與人工智能學院，四川成都，610031）

0 引言

由于西藏地處高原地區，海拔高度大，紫外線輻射強度大，日夜溫差大，氣候多變等特點導致室內舒適度十分不穩定。隨著物聯網技術的發展，設計一款智能窗戶能改善室內環境，提高生活質量。

目前很多智能窗戶僅限于類似電動開關的控制器設計，少量結合氣候變化自動開關的設計，但內地的窗戶控制系統并不適合于西藏地區的自身情況，在西藏地區的使用體驗并不盡如人意，針對西藏氣候的智能窗戶設計并也不可見。研究一款根據西藏高原氣候設計的窗戶智能控制系統，為長期居住于西藏的人們營造一種舒適的生活環境很有必要。

STC89C52單片機以其簡單的結構和低廉的價格在智能控制方面取得了廣泛應用，在此單片機基礎上開發的應用研究有：林關成[1]設計了一款pH值測量儀，可以準確測量氣體PH值。郭強等[2]設計了一套智能信號控制系統，可以由上位機使用達林頓陣列、繼電器隊列和LED燈組進行控制。韓興國[3]采用溫度傳感器和無線遙控模塊，設計了溫度高時能自動換擋的智能風扇控制系統。張哲等[4]采用藍牙串口模塊、紅外熱分解模塊、電機驅動模塊設計智能全自動洗衣機控制系統，系統無線設置洗滌模式和洗滌時間。喻偉闖等[5]采用紅外避障模塊、超聲波測距模塊、電機驅動模塊，實現自動避障，將車停在車庫。孔育琴[6]設計了一套家庭智能安防系統。如果發生火災或煤氣泄漏，系統會自動提醒您并提供防盜功能。這些研究為本設計提供了技術支撐。

1 系統功能和總體設計

1.1 系統功能

本文以STC89C52單片機為控制器，通過感應外界溫度、濕度、光照、PM2.5、有害氣體、可疑人物等外界條件的變化，實現自動地開窗、關窗、報警等操作，同時還可以通過OneNet平臺對其進行遠程監控。最終實現使室內無論是否有人都可以一直處于一種較為舒適的環境，達到改善生活質量的目的。

1.2 機械結構

如圖1所示，該設計為一款可以放置于窗戶外沿處的裝置。它可以實時監測光強、溫度、氧氣濃度等并自動地實現開、關窗等操作。本窗戶由窗框、玻璃、操作電機、手動操作把手、聯合控制轉動系統組成。通過步進電機的轉動，以及把手的操作，實現了對窗戶的自動開關。

圖1 窗戶機械結構示意圖

可以根據外界光線的強弱來進行自動開關窗戶，光線強弱的上下限可以上下調節。傳感器測量的數字值用于與用戶定義的預設值進行比較，并通過程序設計了一組用于打開和關閉窗口的邏輯。例如，如果光強超過設定的閾值，窗口將自動關閉。紅外傳感器應用實現防盜報警功能。用戶可以通過獨立的按鈕和紅外遙控器控制系統，例如手動開窗和自定義控制邏輯。

1.3 系統模塊設計

本設計的核心處理器為C51，總體結構如圖2所示。包括單片機、信息采集、電源、顯示等功能模塊。液晶實時顯示模塊顯示目前的狀態，包括溫度、濕度、煙霧濃度、光線強度、時間等信息。信息采集模塊包括光強傳感器、煙霧傳感器、溫度濕度傳感器和紅外傳感器溫度、濕度、煙霧等數據進行采集、分析、判斷，實現了窗戶的智能開關。例如光強傳感器可以通過光線強弱的上下限進行上下調節，傳感器測量的數字值用于與用戶定義的預設值進行比較，設計了一組用于打開和關閉窗口的邏輯。如果光強超過設定的閾值，窗口將自動關閉。

圖2 控制系統結構圖

1.4 單片機結構

單片機結構如圖3所示。圖中所采用的單片機型號是STC89C52，內有8K字節的存儲區域，可以達到所需的要求。光敏電阻部分用于檢測光強，外界光照會引起光敏電阻的阻值變化，進而起到檢測光照強度的作用；MQ2對于空氣中的微小顆粒形成的PM2.5值進行檢測；DHT11數字溫濕度傳感器可以檢測周圍環境的溫度和濕度；紅外傳感器可以識別人體所發出的電磁輻射，可以用于防盜。用LCD1602顯示，LCD1602采用5V供電，具有低功耗、長壽面、高可靠性等優點。

圖3 單片機結構圖

2 各模塊工作流程及部分電路設計

2.1 系統總體工作流程

如圖4所示，系統的各個傳感器會對外界信息進行檢測，并產生相應的電信號，這個信號會和實現設置好的參數臨界值大小進行對比，進而判斷出此時窗戶應該處于開啟狀態還是關閉狀態，然后再基于窗狀態檢測電路檢測的當前窗狀態，實現脈沖信號的輸出對步進電機進行調整，利用步進電機順向或者是逆向轉動來帶動滑輪組進行轉動，這樣就能夠實現窗戶的開啟和關閉工作。溫濕度傳感器模塊檢測窗戶周邊的溫濕度，通過A/D采樣傳輸到單片機、顯示器，經單片機處理后，當溫度超過30℃時，電機正轉開窗，當溫度低于10℃時，電機反轉關窗。人體紅外探測器模塊檢測窗外是否有人。經單片機處理后，當有人時，控制電機關窗，蜂鳴器響，否則控制電機保持原狀。紅外接收模塊采集紅外遙控信號輸出到單片機，控制電機正向開窗，反向關窗。碰撞傳感器模塊檢查窗戶是完全關閉還是打開。 經單片機處理后，如果窗戶完全關閉或打開，則控制電機停止轉動。

圖4 系統工作流程圖

設計開機后自動進入系統初始化階段，完成后進入自動控制運行模式。當啟用自動控制操作模式時，系統通過檢測標志位，定位窗口，并在窗口打開或檢測到時從外部傳感器接收監控數據來關閉或打開窗口。手動控制的操作系統是一個獨立的系統，其控制優先級高于自動化和遠程控制的操作系統。如果自動或遙控系統出現異常，在不影響系統運行的情況下，可以使用手動控制系統。如果自動控制操作系統和遠程控制操作系統影響系統運行，則斷開連接。

2.2 氣體檢測工作流程

自治區地處高原，空氣稀薄，氧氣含量較低，因此西藏的居民需要及時地開窗通風，我們根據這一問題研究出氣體檢測功能。如圖5所示，當C51單片機接收到室內氣體傳感器傳輸的氣體濃度數值（如二氧化碳、氧氣）大于或小于設定數值時，若窗體為關閉狀態，則控制步進電機打開窗體；若窗體為開啟狀態，則控制步進電機關閉窗體。1602顯示會同步顯示情況，反映實時數據。

圖5 氣體檢測工作流程圖

2.3 光照強度檢測

如圖6所示，系統通過光敏電阻來判斷光照強度是否達到了所設定的光照閾值，如果光照強度過高，將引起蜂鳴器報警并向用戶發送紫外線過高的警報。在本設計中探測元件所選擇的是一種型號為LY-C1的光敏傳感器。通常情況下光敏電阻對于周圍環境中的光的強弱很敏感，所以經常被用于對周圍環境的光強進行檢測。該傳感器能夠調節輸出狀態的靈敏度。如果周圍環境光強沒有達到閾值的時候，那么D0口就會進行高電平的輸出；相反如果光強比閾值大的話，那么D0口就會進行低電平的輸出。因此通過該光敏傳感器就能夠針對外界環境亮度進行監測，對天色進行判斷，在天黑的時候，信號端就會實現高電平的輸出。在該設計中傳感器的D0端口與單片機的P3.6口進行連接。這樣系統的單片機就能夠對這個I/O口的變化進行檢測，并且發送信號給單片機，單片機控制電機轉動，從而對窗戶的開啟或關閉進行自動控制[8]。

圖6 光照檢測流程及電路圖

2.4 溫濕度檢測

如圖7所示，本設計選用DHT11溫濕度傳感器對周圍環境的溫濕度進行檢測，該傳感器使用溫濕度傳感技術以及數字模塊采集技術[9]。在傳感器的內部，集成了一個NTC測溫元件以及一個電阻式感濕元件，同時和一個八位單片機進行連接。所以該傳感器具有非常優異的效率，較強的抗干擾能力以及極高的性價比[10]。包括DHT11的所有的產品在出廠之前都通過了專門的濕度校驗室完成過精準的校準。其中校準系數是以一個程序的形式在OTP內存中進行儲存，傳感器在處理檢測信號的時候就會對這些校準系數進行調用。該傳感器采取的是一種單線制串行接口，通過該接口的設置能夠使得系統集成更為方便。該傳感器由于體積較小，傳輸距離較長，目前在很多場合中都得到了運用。當周圍環境達到溫濕度閾值標準時，將會檢測當前窗體的開關情況，若窗體處于打開狀態，則控制電機將窗體關閉，并將溫濕度數據實時地顯示在1602顯示屏上[11]。

圖7 溫濕度檢測流程及電路圖

2.5 沙塵與煙霧檢測

西藏地區氣候干燥，地處高原多有大風，人們常常會受到沙塵的困擾，因此本設計針對這一現狀增加了沙塵檢測的功能。如圖8，沙塵的檢測原理與煙霧檢測大體相同。其中，當沙塵傳感器檢測到外界有沙塵時，將會立即地將窗體關閉，并及時地向用戶發送警報[12]。而當煙霧傳感器檢測到有煙霧時，會先檢測煙霧是在室內還是室外，若煙霧在室內，系統會判斷窗體當前的位置狀態，若窗體處于關閉狀態，將會控制電機將窗體打開；若煙霧在室外，系統將發出警報，向用戶手機發送警報信息并關閉窗戶。

圖8 沙塵以及煙霧檢測流程圖

在這個模塊中選擇的元器件是MQ-2煙霧傳感器，該傳感器是二氧化錫半導體氣敏材料制成的，二氧化錫半導體氣敏材料是一種面離子式N型半導體。若溫度處在200℃～ 300℃之間，二氧化錫就會吸附空氣里面含有的氧氣，產生氧的負離子吸附，能夠使半導體內部的電子密度變低，進而提高電阻值[13]。該型號傳感器尤其在面對液化石油氣或者是天然氣等煙霧時，靈敏度非常高，特別在檢測到烷類煙霧的時候，將會擁有更高的敏感性。同時該傳感器的抗干擾性能非常好，能夠對非可燃性煙霧所造成的干擾進行有效地排除。

2.6 遙控工作控制

如圖9所示，用戶可以用手機掃描檢測當時單片機發送的環境檢測狀態和窗戶開/關狀態，并進行遠程控制。 打開和關閉窗口可以防止用戶打開和關閉窗口，避免因篡改硬件或軟件而造成不必要的損失。

圖9 遙控工作控制流程圖

2.7 紅外檢測

西藏地區多為平房，這使得竊賊有了可乘之機。因此我們針對這一問題設計了紅外檢測功能用于防盜。如圖10所示，當有物體伸出窗戶一定范圍時，單片機會接收到紅外傳感器的信息使蜂鳴器報警，并通過GSM系統向用戶發送短信通知。這將有效地減少被盜竊的概率。

圖10 紅外檢測流程圖

在紅外檢測模塊中采用了激光防盜電路的設計思路，該設計的紅外探測器由發射頭和接收頭兩個部分構成。當處于正常情況下時，發射頭會發射紅外線，并使這個紅外線會被接頭接收到，此時探測器就會導通進而不發生動作。一旦紅外線被遮擋住，那么接收頭將無法接收紅外線，相應的探測器就會斷開，之后進行低電平的輸出[14]。在該系統設計中，紅外探測器一共設置了兩組，其中兩個接收頭所對應的輸出端分別和系統單片機的P3.3口以及P3.4口。從而能夠保證整個窗戶面達到防盜的效果。

3 系統電路設計

3.1 單片機電路

該系統設計采用STC89C52單片機，該單片機如圖11所示，有8k字節Flash、512字節RAM以及32位I/O口線，并且該單片機內置看門狗定時器，4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16位定時器/計數器，4個外部中斷，7向量4級中斷結構（兼容傳統的515向量2級中斷結構），全雙工串口。此外，STC89C52可以降低到0Hz靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的省電模式。在空閑模式下，CPU停止工作并允許RAM、定時器/計數器、串行端口和中斷繼續工作[15]。

圖11 單片機電路原理圖

在掉電保護模式下，RAM內容被保存，振蕩器凍結，所有微控制器操作停止，直到下一次中斷或硬件復位。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。在嵌入式領域得到了廣泛應用。

3.2 晶振電路

結合單片機內部的電路，該設計提供單片機所必備的時鐘頻率為系統提供最基本的時鐘信號[16]。該單片機中的18與19都是它的晶振引腳，其大小為11.0592MHz，如圖12所示。外加兩個大小為20pF的電容以實現晶振起振并維持振蕩信號的穩定。

圖12 晶振電路原理圖

4 系統硬件測試

4.1 硬件連接性測試

在進行硬件測試之前，需要根據設計的電路原理圖以及各個元器件的規格說明書和管腳說明材料，按照順序將各個重要模塊通過焊錫焊接的方式連接起來，最后依據電路原理圖檢查每個模塊之間的管腳連接是否正確，各管腳是否定義準確、連接通暢。系統的焊接難點就是各個傳感器模塊的分布位置，因為模塊較多，需要按照各個傳感器之間的關系合理分配空間。本設計的實物連接圖如圖13所示。

圖13 實物連接圖

4.2 硬件功能測試

硬件連接性測試完成之后，給整個系統上電，溫濕度傳感器、光線傳感器、氣體傳感器、紅外傳感器采集環境數據傳遞給STC89C52單片機，單片機進行數據處理之后驅動液晶顯示模塊LCD1602顯示信息。液晶顯示界面如圖14所示。

圖14 液晶顯示界面

當溫濕度傳感器檢測到溫度或者濕度達到閾值，就會傳遞信號給單片機，單片機控制步進電機轉動，模擬開關窗過程。當煙霧傳感器檢測到有毒氣體濃度達到閾值的時候，同樣執行上面的過程。

當紅外探測器檢測到有物體移動的時候，同樣會傳遞信號給單片機，單片機控制電機轉動，模擬關窗過程，同時單片機控制蜂鳴器發出警報，以起到警示作用，同時可以遙控關閉警報。

4.3 系統穩定性測試

該文將整個系統放置于海拔3500米的室外進行高壓測試，持續運行24小時，測試期間并未出現短路、斷路現象，經過測試，整個系統功能正常，供電穩定，程序未出現亂碼現象。由此得出，該系統穩定性較好。

經過上述硬件測試過程，結果各個模塊均正常顯示。

5 結語

該文針對西藏地區的特殊環境設計并實現了一種基于STC89C52單片機的窗戶控制系統。該系統可以針對西藏地區的環境特點有效地改善居住于西藏地區人們的生活質量。系統研發過程兼顧了應用價值與實驗需求以檢測設備便攜化、無線化的市場需求為研究出發點，注重了功能性與現場適應性。