基于物联网的门窗智能启闭器系统设计

杨子靖 苏俊维

（广西民族师范学院数理与电子信息工程学院 广西壮族自治区崇左市 532200）

1 引言

随着经济的发展，智能家居的概念逐步走进了人们的生活，人们对于门窗的要求也越来越高。相对于传统门窗的单一性和不可调整性，人们越来越倾向于智能门窗[1]。智能窗系统能通过各传感器收集、分析数据后，将数据传入至数据服务器和用户的手机客户端，方便用户及时发出指令，做出调整，但由于市场上智能门窗选择少、价格昂贵，再加上更换窗户程序繁琐、成本高昂[2-6]。因此，本文设计了一款智能门窗启闭系统，可直接对传统门窗进行改造，安装方便，价格低廉。

2 系统功能

门窗智能启闭系统的设计与实现主要由门窗智能启闭器、后台数据管理中心以及手机客户端三部分组成，系统的总体框图如图1所示。

门窗智能启闭器安装在不同家庭，通过连入家庭的Wi-Fi 路由器后与数据中心的设备管理相连，上传设备的温度、湿度、空气质量以及报警信息等数据至数据服务器，同时下载数据服务器的控制指令。门窗公司工作人员登入网页，访问数据服务器，验证每个家庭中不同设备的密钥，查看设备所属用户、设备位置、状态、故障信息，方便门窗公司进行后期服务。数据中心收集设备的空气质量信息，随着用户的增多可以统计各区域的空气情况，并且可以将这些数据上传到环保局，以供分析这片区域的温度、湿度、空气质量变化规律。数据中心同步发送相关设备的数据至手机客户端，方便用户实时查看室内的温度、湿度、空气质量以及警告信息，同时保存用户的远程控制指令，下传至对应设备。

3 硬件系统设计

3.1 主控制器设计

本系统选用ATMEGA328P 芯片作为硬件系统的中央控制器，完成传感器数据收集、电机控制、外部通信等任务。ATMEGA328P是ATMEL 公司设计的一款经典AVR 单片机，具有丰富的硬件资源，可以满足本系统的设计。

3.2 传感器单元设计

温湿度传感器。DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。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。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。

雨滴传感器。用于检测雨水，把有雨水的信号转化为模拟信息号，在门窗启闭系统，系统如果设置为自动模式，雨滴传感器一旦检测到雨水，就回自动关闭门窗。

图1：系统总体框图

图2：电机驱动电路电路图

空气质量传感器。空气质量传感器主要结构TGS2602。TGS2602 是一款可以快速检测空气质量的传感器，其输出的信号为模拟信号，设定了基准值后，就可以有效的判断空气质量情况。

红外线人体感应器。红外人体感应器HC-SR501，在夜间监视动情，只要人在≤8 米时，视野角度120°就能感应并输出信号与单片机进行通讯。该红外人体感应模块采用了双元传感单元，这种传感有以下优点：

（1）既有高灵敏度；

（2）人体感模块具有体积小实用方便、工作可靠检测灵敏，探测角度大，感应距离远。

3.3 控制电路设计

图3：ESP8266 电路图

图4：主芯片的工作流程图

图5：伪从芯片工作流程图

控制电路设计。主要由显示电路、电机驱动电路、ESP8266 Wi-Fi 电路、BPI-D1 开源IP 摄像头以及传动连接器组成。其中，电机驱动电路和ESP8266 Wi-Fi 电路是重点、难点。

电机驱动电路的设计。使用的是42 步进电机，双电机模式，单片机主要是发送PWM 信号控制电机的速度。设计的步进电机驱动电路还考虑芯片的散热情况，可以轻松的带动门窗传动结构。电机驱动电路电路图如图2所示。

ESP8266 Wi-Fi 电路设计。ESP8266 是现有一款经济型的Wi-Fi芯片，其具有引脚简洁，TCP，UDP 协议稳定性好、延时短的特点。单片机只需要通过UART 通讯就能与ESP8266 进行数据交换，通过Wi-Fi 上传数据和下载命令数据，从而进行整个系统的联动操作。ESP8266 电路图如图3所示。

4 软件系统设计

4.1 窗户自动启闭设计

窗户自动启闭主要包括雨水自动关窗和空气质量差自动开窗这两个功能。上电后先进行系统初始化，然后读取上次窗位状态，窗门自动归位关窗，空气质量传感器采集数据，送至控制中心分析判断，并作出应答，同时将判断后的控制指令，通过Wi-Fi 上传数据服务器。其中，在进行数据上传和开关窗等操作过程中，采用双芯片控制设计，一个芯片主要是用于接收Wi-Fi 数据和读取传感器数据，另一个驱动显示电路和蜂鸣器电机驱动和限位开关，我们作如下约定：第一种为主芯片，第二个伪从芯片。

主芯片的工作流程图如图4所示。

主芯片完成初始化后，立即读取Wi-Fi 返回的控制命令，判断控制命令是否与上次相同，如果不同，控制指令执行流程图操作流程，即判断上传的数据类型，如果是摄像头控制指令，则进行打开或者关闭摄像头指令，否则即进行开窗和关窗操作。

伪从芯片的主要工作是读取主芯片发送的命令，执行相应的操作，主芯片发送的显示数据温度、湿度、空气质量，还是有报警的一些信息，通过从芯片接收数据，操作显示电路显示相应的数据。同时进行一些报警动作，比如蜂鸣器、红色指示灯闪烁等等。从芯片工作流程图如图5所示。

4.2 后台数据管理中心设计

设备注册设计。设备注册，是门窗智能启闭器出厂后，用户第一次使用，对设备接入备管理后台进行验证，同时对使用进行验证，如果不是第一次使用，验证则不通过，也保持了门窗智能启闭器的使用情况。

后台数据交互设计数据交换，门窗智能启闭器关键是上传数据和下载命令。所以说保证后台数据交换的运行是尤其重要，数据交换的前提是，此设备必须是通过验证的设备，当设备发送请求时，后台可以进行判断设备是否注册，所属用户情况是否正常，然后再进行数据交换。

数据库设计。数据库主要功能是数据的接收和下发，完成数据对接，其主要由设备控制记录表、设备控制任务表、设备列表、设备数据上传表、设备注册表、报警信息表、用户表、摄像头列表组成。

手机客户端设计。手机客户端界面针对用户设计，具有人机交互界面简洁，操作简单，客户端软件兼容性强等特点，用户可以通过手机客户端实时查看室内温度、湿度、空气质量、报警信息，以及进行远程控制开关窗和开关摄像头操作。

5 结束语

门窗智能启闭器直接对传统门窗进行升级，具有设备廉价，门窗改造成本低、功能集成度高且人性化、后台和客户端界面功能完善等创新点和优势点，从而提高用户体验和设备普及率，未来市场前景光明。