智能窗戶控制系統(tǒng)設計研究

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摘要:為解決人們?nèi)粘３鲂袝r忘記開窗通風、突降大雨來不及關窗、外界噪聲干擾、老人小孩開窗不便、破窗盜竊等問題，設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術的新型智能窗戶控制系統(tǒng)。其以AT89S52為控制芯片，通過各類傳感器自動采集和處理外界環(huán)境信息，并通過LCD1602液晶屏進行顯示，驅(qū)動步進電機和報警器，以實現(xiàn)窗戶自動開關、安全報警等功能。用戶可以使用移動端隨時遠程操控窗戶，有效提升了生活品質(zhì)。

關鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)技術;智能窗戶;AT89S52

隨著我國市場經(jīng)濟快速發(fā)展，國家經(jīng)濟實力增強，人民群眾的物質(zhì)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(xiàn)安全化、智能化。目前，大多數(shù)家庭采用的是平拉式窗戶，窗戶嵌設在墻體內(nèi)。人們通常會在外出前打開窗戶給室內(nèi)通風，若出門后突降大雨，往往來不及回家關窗，導致室內(nèi)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(tǒng)，能夠可靠地進行日常開關操作，在陽光明媚的時候，能實現(xiàn)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(jiān)測，以防家中被盜。

1物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)是基于全球互通設備網(wǎng)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(xiàn)共同的目標。在物聯(lián)網(wǎng)中，各種類型的執(zhí)行器和傳感器通過無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)連接到互聯(lián)網(wǎng)中，可以找到數(shù)十億個對象。物聯(lián)網(wǎng)提供的潛力使大量應用的開發(fā)成為可能，如智能家居、智能電網(wǎng)、智能醫(yī)療行業(yè)、智能航運和物流以及社交網(wǎng)絡等，均具有廣闊的應用前景［1］。

2系統(tǒng)總體方案設計

智能窗戶控制系統(tǒng)由控制器模塊、電機驅(qū)動模塊、LCD顯示模塊、無線通信系統(tǒng)模塊、外部環(huán)境監(jiān)測模塊、紅外線報警控制模塊等組成。智能窗戶控制系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。1)外部環(huán)境監(jiān)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(huán)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(huán)境相關數(shù)據(jù)，便于用戶實時地了解外部環(huán)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(qū)動，實現(xiàn)窗戶的自動打開與關閉。同時，還可通過移動端給MCU發(fā)送指令，控制電機運行，實現(xiàn)開關窗。2)紅外線報警控制模塊用來監(jiān)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(fā)送提醒信息，并立即啟動應急系統(tǒng)，報警器響起。

3系統(tǒng)硬件設計

3．1電機驅(qū)動模塊設計

為了精確地控制窗戶開關，系統(tǒng)采用四相六線步進電機控制窗戶開關，步進電機由ULN2003芯片驅(qū)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(zhuǎn)，若通電相序相反，則電機反轉(zhuǎn)。

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CMOS8位微控制器芯片，內(nèi)含8000字節(jié)的ISP，系統(tǒng)內(nèi)可編程，可反復擦寫1000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(jié)構(gòu)［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(jīng)濟高效的解決方案。

3．3外部環(huán)境檢測模塊設計

1)濕度檢測設計。采用DHT11進行環(huán)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(shù)據(jù)以數(shù)字信號輸出，具有響應速度快、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、性價比高等優(yōu)點［6］。當檢測濕度時，DTH11需要對采集的濕度進行內(nèi)部校準，標準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)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1s的緩沖時間，由于電波干擾，DHT11在此期間不穩(wěn)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(huán)境光非常敏感，當光強變化時，其自身電阻值發(fā)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(jù)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號。系統(tǒng)采用ADC0832轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，光敏電阻接到ADC0832芯片的引腳CH1。3)噪聲檢測設計。系統(tǒng)使用小麥克風采集聲音，經(jīng)LM358放大信號后，采用ADC0832進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終轉(zhuǎn)換成分貝值。

3．4無線通信模塊設計

為了實現(xiàn)系統(tǒng)與用戶的交互，采用nRF2401收發(fā)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(fā)射功率和數(shù)據(jù)傳輸速率高，是一款適用于全球2．4～2．5GHzISM頻段的單芯片無線電收發(fā)器，支持與單片機的數(shù)據(jù)接口。該節(jié)點負責從內(nèi)部網(wǎng)絡接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關的單片機單元。nRF24L01可以設置為接收模式、發(fā)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(xiàn)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(chǎn)生一個輸入高電平，該高電平是延時出現(xiàn)的，如果物體超出了這個探測范圍，那么該模塊則會出現(xiàn)2種結(jié)果，即自動地產(chǎn)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(xiàn)紅外報警。

4系統(tǒng)軟件設計

智能窗戶控制系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

4．1外部環(huán)境檢測軟件設計

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

4．2電機驅(qū)動模塊軟件設計

四相雙四拍步進電機的驅(qū)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(nèi)容是否為“1”，若為“1”，表示步進電機正轉(zhuǎn)，則51H單元中的8位循環(huán)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(zhuǎn)，則51H單元中的8位循環(huán)左移，代表步進電機通電繞組AB，BC，CD，DA逐次反向通電。

4．3紅外報警軟件設計

智能窗戶控制系統(tǒng)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(fā)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(shù)據(jù)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。

5結(jié)束語

智能窗戶控制系統(tǒng)運用物聯(lián)網(wǎng)技術智能驅(qū)動窗戶開關，以實現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)。

作者：王偉勝 熊蔣芹 譚玉姣 田澤強 柯銘慧 許四平 單位：湖北理工學院 數(shù)理學院