智能窗控制系统设计

侯盈竹

丹东市第二中学，辽宁丹东 118000

随着科学技术的飞跃发展，生活水平的不断提高，人们对安全、舒适、健康的生活需求变得日益迫切。而近年来，智能家居概念已经逐渐深入到国民的生活之中，且不断地影响着人们的思维[1]。因智能家具控制系统布线简单、功能灵活，扩展容易而被人们广泛接受和应用。智能窗户就是再这样的环境下应运而生的，具有广阔的市场空间和应用前景[2]。

智能窗是智能家居的一种，它结构简单，控制方便[3，4]。主要由机械传动和智能控制两大部分组成。应用软玻璃代替传统玻璃，运用智能检测系统检测甲烷等有毒气体，保障居家安全；运用蓝牙模块，保持手机与窗之间的通信，查询屋内温湿度，控制窗户的开关。该设计结构简单，成本低廉。

1 系统总体方案设计

1.1 总体方案框架 （见图1）

图1 系统框图

由于智能窗需要通过传感器采集数据并实现远程网络监控，再加上需要考虑成本、功耗及现实应用等问题。整个智能控制系统由各种传感器构成的检测单元、以微处理器为核心的中央处理单元、包括有线通讯和无线通讯的通讯单元三部分组成。系统中的采集终端需要采集温湿度、可燃气体、风速等数据，同时支持有线网络和无线网络数据传输，能够嵌入一个嵌入式Web服务器及相应的协议，驱动步进电机等任务，因此对数据处理能力和存储量属于中低端的需求。综合考虑51内核8位单片机、ARM系列的微处理器和Cortex-M 系列微处理器，Cortex-M3的性价比最高，设计中选用Cortex-M3系列的STM32F103VET6。

常用的无线通信方式有蓝牙、ZigBee、WiFi等，综合考虑几种无线传输方式，由于无线传输主要用于市内，传输距离短，而且传输速度不需要很快，因此可以考虑采用蓝牙和WIFI的传输方式。为支持 Internet 网络，采用模块化、代码少，便于移植到到资源有限的嵌入式硬件平台上的TCP/IP 协议栈。

检测单元主要通过MQ-2气体传感器检测液化气、丙烷、氢气，DHT11湿度传感器检测温湿度、风速传感器检测风速。

2 系统硬件设计

2.1 传感器的选择

2.1.1 MQ-2气体传感器

MQ-2气敏元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大，使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测很理想，使用寿命长。

2.1.2 DHT11湿度传感器

DHT11数字温湿度传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。产品为4针单排引脚封装，供电电压为 3～5.5V。DHT11温湿度传感器体积超小、功耗极低，信号传输距离可达20m以上。

2.1.3 风速传感器

选用的 LAM-H4 压力传感器采用应变电桥原理，将作用在表面的微小压力转化为差分电压，输出的信号经放大后再输入微处理器处理，经换算即可表示风力等级。传感器精度可保证测量风速精度为0.1 m/s[3]。

2.2 执行机构

采用 42BYG250B 两相混合式步进电机作为机械部分的驱动装置，经减速后带动叶片转动，选择 L298N 作为步进电机的驱动芯片。

3 系统软件设计

中央处理单元将命令分级，最高级别为报警命令，当室内有危险气体时，会强行开窗；二级命令为手机命令，手机可以遥控窗户的开关；三级命令为自动命令，检测屋内温度湿度酌情开关窗。通信单元通过蓝牙模块保持手机与窗之间的通信，可查询屋内温湿度。程序流程图见图2，手机控制页面截图见图3。

图2 程序流程图

图3 手机控制页面截图

4 整机机构及工作原理

如图4所示，整个机构由电源3供电，控制器位于控制盒14内，步进电机10的绕线轴11与钢丝连接，并通过两组滑轮13与软玻璃9相连，通过电机正反转带动钢丝旋转，从而带动软玻璃卷曲或伸直，完成窗户的开关。当检测单元检测到有毒气体、温湿度变化时，通讯单元接收反馈结果，发出关窗指令，步进电机即时工作，通过两组滚轮改变钢丝方向，钢丝与软玻璃连接，软玻璃受到向下的力，缓缓向下运动，限位开关15与软玻璃最下方接触后发出信号，步进电机停止工作，关闭窗户成功。当需要打开窗户时，步进电机反转，软玻璃受到弹簧1扭转的力向上运动，窗户完全打开后，玻璃受到弹簧弹力的作用保持静止。

图4 整体机构简图

5 结语

整个系统结构简单，成本较低。设计中应用软玻璃代替传统玻璃，使控制起来更为方便；同时能检测甲烷等有毒气体，保障居家安全；应用手机蓝牙，不用手动开关窗，方便、快捷。使设计具有智能化、人性化、网络化，时尚、方便、安全等特点，可有效提升人们的生活品质。

[1] 王仲文，马原，段瑞珍，等. 智能窗CAN总线控制系统设计[J]. 哈尔滨理工大学学报，2013，18（4）：20-24.

[2] 孙宾，王茂森，戴劲松，等. 基于CAN总线的家用门窗自动开关控制系统[J]. 四川兵工学报，2011，32（3）：82-84.

[3] 李硕，贾子庆，张明玮. 基于多传感器的智能窗系统设计[J]. 电子设计工程，2011，4：6-9.

[4] 宰文娇，汪华章. 基于步进电机的智能窗户控制系统设计[J]. 微特电机，2015，43（6）：83-86.

[5] 李胜多，张还，佟春明. 基于PLC的多功能智能窗的设计[J]. 青岛农业大学学报，2010，27（1）：84-88.

[6] 程绪长. 基于MSP430的智能窗控制系统的研究[J]. 电子技术与软件工程，2015，21：70-72.