基于AVR+WSN 的智能门控/窗控系统研制

金文慧，王静

（安徽新华学院 电子工程学院，安徽合肥，230000）

0 引言

智能门窗是指具有报警、防盗、自动开关窗等功能的门窗，由于价格昂贵，目前多广泛运用于高档商品房、豪华会所、高端商场等特殊场合。但随着安全需求的认识加深，普通家庭也逐渐意识到其重要性，逐渐有了市场的需求。可是高昂的价格、不够全面的功能和信息采集的不实时处理，都大大限制了智能门窗的发展和普及。

基于上述原因，本系统是基于价格低廉、功能强大的AVR单片机和通讯可靠的ZigBee 技术的设计，集声、光、电、通讯及视频为一体的安全、环保、可靠、性价比高的家用设计，是智能家居的理想选择。

1 系统方案设计

在当今快节奏的生活中，工作压力的不断增大，使得人们常常会因为不清楚自己是否及时打开或关闭窗户而担心不已；楼层的不断增高，使得饱受风雨的窗户外层即便肮脏模糊，也不能人工擦拭；顽皮的幼儿无意识的靠近，甚至攀爬上窗户，大人未能及时发现而终生痛苦；陌生人长时间逗留于门前或窗边，未能获得任何提醒而带来的财物丢失、甚至人身安全的威胁；危险气体的泄露，因为门窗紧闭而不能及时排放；窗帘的开关需要人力操作……

我们需要使用简单可靠的系统，通过高智能的精准控制和协同，解决上述的种种不方便及可能的安全隐患，让我们的生活变得更简单、更舒适、更节约、更生态。智能门窗不仅将成为不可替代的家庭必须品，更将成为智能家居、家庭云系统中重要的一员。因此，智能家居作为一个蓝海项目，前景不可估量。而作为智能家居系统的子系统——智能门控/窗控系统，同样具有非常重要的社会意义和实用价值。

智能门窗是指具有报警、防盗、自动开关窗等功能的门窗，由于价格昂贵，目前多广泛运用于高档商品房、豪华会所、高端商场等特殊场合。但随着安全需求的认识加深，普通家庭也逐渐意识到其重要性，逐渐有了市场的需求。可是高昂的价格、不够全面的功能和信息采集的不实时处理，都大大限制了智能门窗的发展和普及。

基于上述原因，本系统是基于价格低廉、功能强大的AVR单片机和通讯可靠的ZigBee 技术的设计，集声、光、电、通讯及视频为一体的安全、环保、可靠、性价比高的家用设计，是智能家居的理想选择。本智能门窗控制系统的核心研究内容主要有：

（1）智能管理控制

本智能门窗控制系统集合了温湿度传感器、PM2.5 传感器、风雨传感器、气体传感器、人体红外传感器和摄像头等各类用于环境监测的传感器，再利用ZigBee 技术将采集到的各类信息及时传送到AVR 单片机上进行处理和分析，同时做出相应的指令，通过无刷电机进行不同情形下的处理，如窗户的自动开合、洗刷外窗玻璃、升降金属护网，并将报警信息和处理结果通过网关连入Internet 或移动通信网络，最终展现在用户的手机APP 或PC 终端上，方便用户及时了解家居环境的状况。

因此，该智能门窗是一种集机械传动技术、传感技术、智能控制技术等先进技术为一体的机电一体化控制系统，通过自动打开或者关闭房子内所有窗户，实现自动控制功能，达到对室内环境的调节和防盗报警的目的，使家庭与外部在信息交流上保持畅通，人们的生活方式得以优化，人们的时间可以有效安排，家居生活更具安全性。

（2）显示终端

数字显示终端是基于M2M（机器对机器的无线通信）技术的智能门窗控制系统唯一最终面向用户的部分，采用ZigBee技术、USB OTG 技术与相关的无线设备组建无线局域网，完成对无线传感器节点的监控和数据的查询、记录。并由基站将采集到得数据汇总封装后，通过M2M 网关连接入Internet或移动通信网络，并最终传送到用户的手机APP 或PC 终端上，同时也可通过手机或PC 机进行远程监控和操作。

2 智能门窗控制系统设计

智能门窗控制系统如图1 所示，由主机(AVR 微处理器)、温、湿度等多种传感器、防盗报警等各类报警终端、遥控器和机电传动执行机构组成。该系统将声、光、机、电、通讯等现代技术集为一体，系统能够实现智能遥控开关窗门、窗帘，智能防风（遇刮风天气自动关窗），智能防雨（遇下雨天气自动关窗），智能防盗（遇非法从窗户入侵自动关窗）、智能报警（遇警情时能迅速通知主人），防小孩坠楼（遇小孩攀爬窗户自动关窗），智能监控燃气泄漏（烟雾达到一定浓度或遇燃气泄漏自动开窗），自动净化空气（检测到有毒气体开启排气扇或自动开窗）等多种功能，是一款完美结合安防、智能控制系统与建材的高科技产品。

图1 智能门窗控制系统

（1）传感器数据的采集和传输

本系统首先将各类传感器采集到的温度、湿度、风雨指数、光照、PM2.5 值、特殊有害气体，以及人体感应数据传输至AVR 单片机，进行合理的分析和处理，对于超出所设警戒值的数据，及时启动家居环境中的简易声光报警系统，并将报警信息传送至用户手机或PC 终端，同时给出及时的应急处理。

（2）无刷电机的合理设置

在本系统设计中，当检测到有风雨时，可通过无刷电机及时关闭窗户，避免风雨入户；当检测到幼儿或陌生人员靠近打开的窗户时，可通过无刷电机及时放下防护网，保护幼儿及家产的安全；当检测到外窗玻璃脏时，可通过无刷电机驱动雨刷擦拭玻璃，实现窗明几净的居住环境；当检测到家里特殊气体的浓度超过了警戒值时，可通过无刷电机及时打开窗户，起到通风散味的作用。

由此可见，无刷电机在本系统处于一个非常重要的地位，实现功能多样复杂，需要认真学习和研究，理清各种功能实现间的关系，才能避免功能交错、出现实操上的BUG。

（3）控制网关

网关是智能门窗的最核心设备，类似于家用电器的总开关，与普通网关相比，它还兼容了802.11 和ZigBee 无线通信功能。这也是本项目的难点和关键问题之一。

（4）安全问题

由于本系统中的所有数据都需要联网，通过Internet或GPRS 传送至手机或PC 终端，因此安全问题也是本项目的关键。在这里采用密码、口令、指纹等综合安全措施来保证安全性。

3 智能门窗控制系统功能实现

智能门窗安装于窗门框架内，能够实现低噪音平稳运行，具有设计巧妙、体积小、隐蔽性强、安装简便的特点，在各种样式的塑钢门窗、铝合金门窗上都适用，原有的窗户、窗帘、索拉门结构完全不用改变，即可轻松将普通门窗升级改造成智能门窗。本系统实现的功能包括以下几个方面。

（1）智能防盗

通过安装灵敏度高、抗干扰性强的微波传感器。当人体信号被红外线检测到后，会立即自动关闭窗户，遇到人为强行入侵，高分贝声音报警器可以发出报警信号，同时将警情发送至主人手机，也可以发送到小区保安处，保安通过显示器能准确定位警情发生的位置。家庭与商用防盗问题可以得以有效解决，小偷将彻底被拒之窗（门）外。

（2）自动防风防雨

当你在外突遇大雨，焦虑因未关门窗家里被雨水冲洗，担心家用电器被雨水浸泡，但又无能为力，望雨兴叹的时候，如果安装了智能门窗，就可以让你免遭损失。智能门窗外侧安装了风雨感应器，当雨水打在传感器上或风力达到3 级时，可以立即自行关闭窗户，无论你身在何处，都再也不必担忧。

（3）监控液化气泄漏

当智能系统检测到室内发生天然气、液化气等可燃气体泄漏时，将打开自动窗户，也可以直接启动厨房里的换气扇，将可燃气体排到窗外，同时通过蜂鸣报警信号提醒主人，可以有效地避免人中毒事件和火灾、爆炸事故的发生。

（4）全息智能遥控开关门窗

在室内任意位置可以利用遥控器开、关窗门，控制其停留在你想要的位置。也可通过手机APP 或PC 机实现远程遥控。

（5）防小孩坠楼

目前，孩子的安全问题时刻牵动着全家人的心弦，也成为家庭关注的重点。监护人不可能随时盯着小孩，有了智能门窗后，孩子如果攀爬窗户，当手刚伸出窗口的时候，人体信号就能被传感器检测到，防护网会自动沿轨槽下拉，孩子就会被挡在室内，坠楼事件也将不会的发生。

（6）净化室内空气

室内空气中常常会含有大量的丙酮、甲醛、苯、乙胺、庚烷、香烟粒子等，当有害物质超标时，浑浊气体信号就会被传感器检测到，各个方位的窗户都会自动开启，形成通风对流，室内有害气体迅速得以稀释，环境也会变得健康舒适。

（7）净化外窗玻璃

当检测到外窗玻璃脏时，可通过无刷电机驱动雨刷擦拭玻璃，实现窗明几净的舒适居住环境。

（8）远程管理

智能门窗的主要特点是便捷和舒适，因此上一层次的决策管理至关重要。智能门窗系统最终可以实现在手机软件APP 上管理家电系统。因此本项目的重点工作之一就是基于Android 系统的手机APP 开发。通过该APP 能实时查看门窗的开合状态，远程控制其开和关，同时具备安防防盗等功能。

（9）Android 应用程序开发

手机端的控制程序会在Android 平台上，该APP 的开发平台是Android Studio，开发出来的软件能远程查看家庭门窗的安全状况，防盗报警，远程门禁、远程控制等功能。

4 结束语

本系统基于AVR 单片机和ZigBee 技术研制了一款智能门控/窗控系统，实现了智能防盗、自动防风防雨、监控液化气泄漏、全息智能遥控开关门窗、防小孩坠楼、净化室内空气、净化外窗玻璃、远程管理及Android 应用程序开发等功能，实现效果良好。