基于单片机的节能型智能窗帘设计

朱旭陈，姜凌云，汤东扬，薛同川，张勤龙，周学礼

（常熟理工学院 物理与电子工程学院，江苏 常熟 215500）

智慧社区利用物联网技术，力求为社区居民打造一个更加安全、便利与人性化的生活环境. 其中，智能窗帘系统由于其使用简便、性价比高，受到人们广泛关注. 目前市场上所设计的智能窗帘综合过多功能，冗余复杂，致使用户在使用时操作十分烦琐［1］. 因此，设计一种操作简便的智能窗帘系统对提高用户生活质量，推动智能家居发展具有重要意义. 本文设计了一种基于单片机的节能型智能窗帘系统，应用多种传感器，能够监控室内温湿度、照明、人员侵入等环境信息，同时采用蓝牙模块与手机APP，实现了用户远程控制系统的功能. 此外，系统采用太阳能供电，节能环保.

图1 系统框图

1 系统整体设计方案

系统整体设计框图如图1所示. 系统以STM32为主控芯片，将环境检测模块、蓝牙模块、安防模块、窗帘控制模块连接至单片机，利用传感器获取室内环境信息并显示到液晶模块上. 单片机通过对接收到的环境信息进行判断，从而控制直流电机驱动模块和报警模块的工作. 其中，光照监测模块、温湿度监测模块和液晶模块构成环境检测模块；人体红外感应模块、报警模块构成安防模块；直流电机驱动模块、直流电机构成窗帘控制模块；由太阳能电池板构成的电源模块，为各模块和单片机供电，维持整个系统的稳定工作. 本系统力求做到安全性、便捷性、节能性统一，符合智慧社区的发展理念.

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片

本系统的主控芯片为STM32F407ZGT6. 该芯片是基于ARM Coretex-M4架构下的32位高性能RISC处理器［2］. 正常情况下该芯片最高工作频率为168 MHz，具有1 M片内FLASH和3通道的12位ADC，硬件资源丰富，适合作为本系统的主控芯片.

2.2 窗帘控制模块

采用直条双轴减速电机控制窗帘的升降，该电机一般简称为直流减速电机. 该电机可以被6～12 V电压驱动，空载转速为200±10% rmp，具有强磁、抗干扰的特性.

直流电机驱动电路由L298构成. L298电路结构简单，常用于驱动电机［3］. 将电机的引子接至L298的OUT1、OUT2，单片机数据引脚PF6、PF7接到L298IN1、IN2上. 当PF6、PF7输出分别为高低电平时，电机带动窗帘主轴转动，窗帘升起. 当PF6、PF7输出分别为低高电平时，电机带动窗帘主轴转动，窗帘下降.当PF6、PF7输出分别为低低电平时，窗帘保持不动.

2.3 蓝牙模块

蓝牙模块采用HC-06模块. HC-06工作电压为3.3 V，功耗低，体积小. 该模块采用蓝牙2.0协议，遵循数字2.4 GHz收发协议［4］，默认的工作频率为9 600 bps. 使用串口通信的方式将手机APP上的指令传递给单片机. 蓝牙模块通过PA9、PA10与单片机连接.

2.4 室内环境检测模块

室内环境检测模块由温湿度监测模块、光照监测模块和液晶模块组成. 温湿度采集模块采用的是DHT11数字温湿度传感器. DHT11通过温湿度传感器技术将数字信号校准输出，具有极高的可靠性与稳定性［5］. DHT11工作电压在3.3～5.5 V之间，温度测量范围为0～50 ℃，测量误差不超过2 ℃. 此外，DHT11与单片机PF8连接.

光照监测模块采用的是光敏电阻串联定值电阻组成电路. 光敏电阻阻值与光照呈负相关，光照越强，光敏电阻阻值越小，因此测量定值电阻的电压就可以推断室内的光照情况. STM32F407自带读电压功能，所以不需要准备其他的A/D转换芯片，通过主控芯片就可以将定值电阻的电压读取出来. 光照监测模块与单片机PA5连接.

液晶模块选用一款4.3′，分辨率为 800×480的TFT-LCD. TFT-LCD色彩还原度高，响应速度快，穿透率高，具有良好的广视角. TFT-LCD与单片机的连接如下： LCD_CS片选信号接单片机PG12，WR/CLK接单片机PD5，LCD数据位D1、D2至D15接单片机PD0、PD1至PD15. RS接单片机PF12，LCD与单片机通信引脚为PB3、PB4、PB5.

2.5 安防模块

安防模块由蜂鸣器报警模块、人体红外感应模块组成. 报警模块使用蜂鸣器报警警示［6］. 蜂鸣器报警模块包含了三极管、蜂鸣器和电阻. 三极管放大主控芯片的输出电流，从而驱动蜂鸣器. 若主控芯片输出一个高电平，蜂鸣器两端压降相同，不会被驱动发出报警声；若主控芯片输出一个低电平，蜂鸣器两端出现压降差，则蜂鸣器发出报警声. 蜂鸣器报警模块与单片机PF12相连.

人体红外感应模块采用HC-SR501模块. HC-SR501采用红外线技术，其中红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路［7］. 工作电压在4.5～20 V，功耗低. 当有人进入感应范围时，HC-SR501对外输出高电平；当人离开感应范围时，HC-SR501对外输出低电平. 另外，HC-SR501高低电平转换时会出现锁存时间，需要设定一个锁存时间段［7］，这样可以避免干扰信号. 人体红外感应模块与单片机PF11连接.

2.6 电源模块

电源模块由3个部分组成：太阳能电池板、蓄电池、降压模块和过冲和缓冲保护电路.

太阳能电池板尺寸为40 cm ×100 cm，大约提供100 W的能量. 使用蓄电池是为了能够更加充分高效地利用太阳能这一清洁能源，在太阳能充足时将其储存起来，在太阳能不足时释放出来. 蓄电池选择户用型的GEL（凝胶）蓄电池. 光伏发电用GEL（凝胶）具有良好的容量放电性能，充电后可以回复实际容量的95%以上，具有可靠的均衡性，存储量偏差小［8］. 降压模块采用芯片7805降压，将蓄电池提供的12 V直流电压转成5 V. 为了延长蓄电池使用年限需要使用过冲和缓冲保护电路 . 在 Proteus［9］中仿真太阳能充放电保护电路：过充时，系统不再充电并通过LED显示告知用户，当欠压时，开启充电. 具体电路图见图2.

图2 太阳能充放电保护电路

3 系统软件设计

3.1 系统工作流程

系统软件整体设计思路如图3所示. 首先进行系统初始化，其次响应人工模式、安防模式、自动模式3种中断.其中人工模式中断优先级最高，自动模式优先级最低. 当响应人工模式时，主控芯片执行手机APP发送的命令. 当响应安防模式时，系统根据室内人员入侵情况对报警器进行控制. 当响应自动模式时，系统采集室内环境信息显示在LCD上，并根据室内环境信息更改窗帘的位置.

3.2 人工模式

人工模式的功能依靠对蓝牙模块HC-06与手机APP进行编程达到所需要实现的预期效果［10］.

在手机端，当用户打开APP，选择“连接设备”，并点击控件按钮时，APP向蓝牙模块发送按键对应的键值码.对于单片机端而言，由于蓝牙工作频率为9 600 bps［11］，所以单片机串口通信波特率为9 600 bps［12］才能与蓝牙模块正常通信［13］. STM32通过蓝牙模块接收键值码，并根据键值码分析执行对应的命令. 由此达到用户使用手机APP控制系统的目的.

3.3 安防模式

人体红外监测采用的是HC-SR501人体红外感应模块和蜂鸣器报警模块［14］. 当有人进入HC-SR501人体红外感应的范围时，该模块会输出高电平，主控芯片检测到该模块的输出引脚为高电平，驱动蜂鸣器发出声音报警，警示用户有人闯入. 当HC-SR501人体红外感应范围内没有非法物体时，该模块输出引脚为低电平［15］，主控芯片检测到该模块的输出引脚持续保持低电平，蜂鸣器保持安静.

图3 系统主程序流程图

3.4 自动模式

自动模式利用传感器光照监测模块、温湿度监测模块采集室内环境信息.

由于主控芯片STM32F407自带ADC功能，所以不需要额外的A/D转换芯片，直接读取与光敏电阻串联的定值电阻两端的电压值，并通过该数值与设定的阈值电压（1 V，3 V）做比较. 当数值超过亮度最大阈值电压3 V时，主控芯片驱动直流减速电机关闭窗帘；当数值小于亮度最小阈值电压1 V时，主控芯片驱动直流减速电机开启窗帘. 另外，读取光照监测模块的电压速度为每250 ms读取一次，确保读取速度不会太快导致数值变化不明显，同时也保证读取速度不会太慢无法跟上室内光照变化的频率. 程序流程图如图4所示.

首先将DHT11初始化，并且监测温湿度模块是否初始化正常. 当初始化失败时，应该重新初始化直到初始化成功［12］. 当温湿度模块正常工作时，会将温湿度的整数部分显示在液晶模块上. 流程图如图5所示.

图4 光照检测模块程序流程图

图5 温湿度模块程序流程图

4 结果与分析

本系统实现的基于单片机的节能型智能窗帘设计，功能分为人工模式、自动模式、安防模式. 首先室内温湿度可显示在液晶屏上，其次在人工模式下，用户可以使用手机APP控制窗帘升降. 在自动模式下，当光照太强时，窗帘自动降落；当光照太弱时，窗帘自动升起. 在安防模式下，有非法人员闯入室内时，蜂鸣器会发出警报声. 与此同时，太阳能板为整个系统提供充足电源.

测量环境数据时，数据可以准确反应室内温湿度情况，结果如图6所示（Temp表示温度，Humi表示湿度）. 经过反复测试，误差不超过±5%，符合设计要求.

在人工模式下，打开手机APP，点击“连接设备”按钮，用户根据液晶屏上显示的环境信息选择“打开窗帘”或者“关闭窗帘”按钮，如图7所示.

在安防模式中，当HC-SR501监测到距离传感器7 m以内并在＜100°锥角内出现人员时，向单片机输出高电平，主控芯片驱动蜂鸣器发出警报，警示用户室内出现非法人员.

自动模式中，测量模块中定值电阻的电压作为室内光照情况判断的标准. 当电压为2～3 V时，判定室内光照正常，当小于或者大于阈值区间时，判定室内光线不足或者太强. 经过反复测试，误差不超过±3%，符合设计要求.

电源采用蓄电池户用型的GEL（凝胶）蓄电池，该电池具有良好的低温放电性能，充电后可以回复实际容量的95%以上，容量偏差小.

图6 室内环境数据

图7 手机APP

5 结束语

随着物联网技术的发展，智慧社区的发展概念越来越深入人心. 本文设计了一种基于单片机的节能型智能窗帘系统，以STM32单片机为核心，利用传感器采集室内温湿度、光照等环境信息，使用蓝牙模块实现用户无线控制，使用太阳能电池板作为电源. 经过运行测试，本系统可以有效提高用户生活质量，节能环保，符合智慧社区的发展理念，具有良好的实用和推广价值.