针对高原气候的窗户智能控制系统的设计与实现

马柯研，高红梅，杨强，王苏童

（1.西藏大学 信息科学技术学院，西藏拉萨，850000；2.西南交通大学 计算机与人工智能学院，四川成都，610031）

0 引言

由于西藏地处高原地区，海拔高度大，紫外线辐射强度大，日夜温差大，气候多变等特点导致室内舒适度十分不稳定。随着物联网技术的发展，设计一款智能窗户能改善室内环境，提高生活质量。

目前很多智能窗户仅限于类似电动开关的控制器设计，少量结合气候变化自动开关的设计，但内地的窗户控制系统并不适合于西藏地区的自身情况，在西藏地区的使用体验并不尽如人意，针对西藏气候的智能窗户设计并也不可见。研究一款根据西藏高原气候设计的窗户智能控制系统，为长期居住于西藏的人们营造一种舒适的生活环境很有必要。

STC89C52单片机以其简单的结构和低廉的价格在智能控制方面取得了广泛应用，在此单片机基础上开发的应用研究有：林关成[1]设计了一款pH值测量仪，可以准确测量气体PH值。郭强等[2]设计了一套智能信号控制系统，可以由上位机使用达林顿阵列、继电器队列和LED灯组进行控制。韩兴国[3]采用温度传感器和无线遥控模块，设计了温度高时能自动换挡的智能风扇控制系统。张哲等[4]采用蓝牙串口模块、红外热分解模块、电机驱动模块设计智能全自动洗衣机控制系统，系统无线设置洗涤模式和洗涤时间。喻伟闯等[5]采用红外避障模块、超声波测距模块、电机驱动模块，实现自动避障，将车停在车库。孔育琴[6]设计了一套家庭智能安防系统。如果发生火灾或煤气泄漏，系统会自动提醒您并提供防盗功能。这些研究为本设计提供了技术支撑。

1 系统功能和总体设计

1.1 系统功能

本文以STC89C52单片机为控制器，通过感应外界温度、湿度、光照、PM2.5、有害气体、可疑人物等外界条件的变化，实现自动地开窗、关窗、报警等操作，同时还可以通过OneNet平台对其进行远程监控。最终实现使室内无论是否有人都可以一直处于一种较为舒适的环境，达到改善生活质量的目的。

1.2 机械结构

如图1所示，该设计为一款可以放置于窗户外沿处的装置。它可以实时监测光强、温度、氧气浓度等并自动地实现开、关窗等操作。本窗户由窗框、玻璃、操作电机、手动操作把手、联合控制转动系统组成。通过步进电机的转动，以及把手的操作，实现了对窗户的自动开关。

图1 窗户机械结构示意图

可以根据外界光线的强弱来进行自动开关窗户，光线强弱的上下限可以上下调节。传感器测量的数字值用于与用户定义的预设值进行比较，并通过程序设计了一组用于打开和关闭窗口的逻辑。例如，如果光强超过设定的阈值，窗口将自动关闭。红外传感器应用实现防盗报警功能。用户可以通过独立的按钮和红外遥控器控制系统，例如手动开窗和自定义控制逻辑。

1.3 系统模块设计

本设计的核心处理器为C51，总体结构如图2所示。包括单片机、信息采集、电源、显示等功能模块。液晶实时显示模块显示目前的状态，包括温度、湿度、烟雾浓度、光线强度、时间等信息。信息采集模块包括光强传感器、烟雾传感器、温度湿度传感器和红外传感器温度、湿度、烟雾等数据进行采集、分析、判断，实现了窗户的智能开关。例如光强传感器可以通过光线强弱的上下限进行上下调节，传感器测量的数字值用于与用户定义的预设值进行比较，设计了一组用于打开和关闭窗口的逻辑。如果光强超过设定的阈值，窗口将自动关闭。

图2 控制系统结构图

1.4 单片机结构

单片机结构如图3所示。图中所采用的单片机型号是STC89C52，内有8K字节的存储区域，可以达到所需的要求。光敏电阻部分用于检测光强，外界光照会引起光敏电阻的阻值变化，进而起到检测光照强度的作用；MQ2对于空气中的微小颗粒形成的PM2.5值进行检测；DHT11数字温湿度传感器可以检测周围环境的温度和湿度；红外传感器可以识别人体所发出的电磁辐射，可以用于防盗。用LCD1602显示，LCD1602采用5V供电，具有低功耗、长寿面、高可靠性等优点。

图3 单片机结构图

2 各模块工作流程及部分电路设计

2.1 系统总体工作流程

如图4所示，系统的各个传感器会对外界信息进行检测，并产生相应的电信号，这个信号会和实现设置好的参数临界值大小进行对比，进而判断出此时窗户应该处于开启状态还是关闭状态，然后再基于窗状态检测电路检测的当前窗状态，实现脉冲信号的输出对步进电机进行调整，利用步进电机顺向或者是逆向转动来带动滑轮组进行转动，这样就能够实现窗户的开启和关闭工作。温湿度传感器模块检测窗户周边的温湿度，通过A/D采样传输到单片机、显示器，经单片机处理后，当温度超过30℃时，电机正转开窗，当温度低于10℃时，电机反转关窗。人体红外探测器模块检测窗外是否有人。经单片机处理后，当有人时，控制电机关窗，蜂鸣器响，否则控制电机保持原状。红外接收模块采集红外遥控信号输出到单片机，控制电机正向开窗，反向关窗。碰撞传感器模块检查窗户是完全关闭还是打开。 经单片机处理后，如果窗户完全关闭或打开，则控制电机停止转动。

图4 系统工作流程图

设计开机后自动进入系统初始化阶段，完成后进入自动控制运行模式。当启用自动控制操作模式时，系统通过检测标志位，定位窗口，并在窗口打开或检测到时从外部传感器接收监控数据来关闭或打开窗口。手动控制的操作系统是一个独立的系统，其控制优先级高于自动化和远程控制的操作系统。如果自动或遥控系统出现异常，在不影响系统运行的情况下，可以使用手动控制系统。如果自动控制操作系统和远程控制操作系统影响系统运行，则断开连接。

2.2 气体检测工作流程

自治区地处高原，空气稀薄，氧气含量较低，因此西藏的居民需要及时地开窗通风，我们根据这一问题研究出气体检测功能。如图5所示，当C51单片机接收到室内气体传感器传输的气体浓度数值（如二氧化碳、氧气）大于或小于设定数值时，若窗体为关闭状态，则控制步进电机打开窗体；若窗体为开启状态，则控制步进电机关闭窗体。1602显示会同步显示情况，反映实时数据。

图5 气体检测工作流程图

2.3 光照强度检测

如图6所示，系统通过光敏电阻来判断光照强度是否达到了所设定的光照阈值，如果光照强度过高，将引起蜂鸣器报警并向用户发送紫外线过高的警报。在本设计中探测元件所选择的是一种型号为LY-C1的光敏传感器。通常情况下光敏电阻对于周围环境中的光的强弱很敏感，所以经常被用于对周围环境的光强进行检测。该传感器能够调节输出状态的灵敏度。如果周围环境光强没有达到阈值的时候，那么D0口就会进行高电平的输出；相反如果光强比阈值大的话，那么D0口就会进行低电平的输出。因此通过该光敏传感器就能够针对外界环境亮度进行监测，对天色进行判断，在天黑的时候，信号端就会实现高电平的输出。在该设计中传感器的D0端口与单片机的P3.6口进行连接。这样系统的单片机就能够对这个I/O口的变化进行检测，并且发送信号给单片机，单片机控制电机转动，从而对窗户的开启或关闭进行自动控制[8]。

图6 光照检测流程及电路图

2.4 温湿度检测

如图7所示，本设计选用DHT11温湿度传感器对周围环境的温湿度进行检测，该传感器使用温湿度传感技术以及数字模块采集技术[9]。在传感器的内部，集成了一个NTC测温元件以及一个电阻式感湿元件，同时和一个八位单片机进行连接。所以该传感器具有非常优异的效率，较强的抗干扰能力以及极高的性价比[10]。包括DHT11的所有的产品在出厂之前都通过了专门的湿度校验室完成过精准的校准。其中校准系数是以一个程序的形式在OTP内存中进行储存，传感器在处理检测信号的时候就会对这些校准系数进行调用。该传感器采取的是一种单线制串行接口，通过该接口的设置能够使得系统集成更为方便。该传感器由于体积较小，传输距离较长，目前在很多场合中都得到了运用。当周围环境达到温湿度阈值标准时，将会检测当前窗体的开关情况，若窗体处于打开状态，则控制电机将窗体关闭，并将温湿度数据实时地显示在1602显示屏上[11]。

图7 温湿度检测流程及电路图

2.5 沙尘与烟雾检测

西藏地区气候干燥，地处高原多有大风，人们常常会受到沙尘的困扰，因此本设计针对这一现状增加了沙尘检测的功能。如图8，沙尘的检测原理与烟雾检测大体相同。其中，当沙尘传感器检测到外界有沙尘时，将会立即地将窗体关闭，并及时地向用户发送警报[12]。而当烟雾传感器检测到有烟雾时，会先检测烟雾是在室内还是室外，若烟雾在室内，系统会判断窗体当前的位置状态，若窗体处于关闭状态，将会控制电机将窗体打开；若烟雾在室外，系统将发出警报，向用户手机发送警报信息并关闭窗户。

图8 沙尘以及烟雾检测流程图

在这个模块中选择的元器件是MQ-2烟雾传感器，该传感器是二氧化锡半导体气敏材料制成的，二氧化锡半导体气敏材料是一种面离子式N型半导体。若温度处在200℃～ 300℃之间，二氧化锡就会吸附空气里面含有的氧气，产生氧的负离子吸附，能够使半导体内部的电子密度变低，进而提高电阻值[13]。该型号传感器尤其在面对液化石油气或者是天然气等烟雾时，灵敏度非常高，特别在检测到烷类烟雾的时候，将会拥有更高的敏感性。同时该传感器的抗干扰性能非常好，能够对非可燃性烟雾所造成的干扰进行有效地排除。

2.6 遥控工作控制

如图9所示，用户可以用手机扫描检测当时单片机发送的环境检测状态和窗户开/关状态，并进行远程控制。 打开和关闭窗口可以防止用户打开和关闭窗口，避免因篡改硬件或软件而造成不必要的损失。

图9 遥控工作控制流程图

2.7 红外检测

西藏地区多为平房，这使得窃贼有了可乘之机。因此我们针对这一问题设计了红外检测功能用于防盗。如图10所示，当有物体伸出窗户一定范围时，单片机会接收到红外传感器的信息使蜂鸣器报警，并通过GSM系统向用户发送短信通知。这将有效地减少被盗窃的概率。

图10 红外检测流程图

在红外检测模块中采用了激光防盗电路的设计思路，该设计的红外探测器由发射头和接收头两个部分构成。当处于正常情况下时，发射头会发射红外线，并使这个红外线会被接头接收到，此时探测器就会导通进而不发生动作。一旦红外线被遮挡住，那么接收头将无法接收红外线，相应的探测器就会断开，之后进行低电平的输出[14]。在该系统设计中，红外探测器一共设置了两组，其中两个接收头所对应的输出端分别和系统单片机的P3.3口以及P3.4口。从而能够保证整个窗户面达到防盗的效果。

3 系统电路设计

3.1 单片机电路

该系统设计采用STC89C52单片机，该单片机如图11所示，有8k字节Flash、512字节RAM以及32位I/O口线，并且该单片机内置看门狗定时器，4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，7向量4级中断结构（兼容传统的515向量2级中断结构），全双工串口。此外，STC89C52可以降低到0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选的省电模式。在空闲模式下，CPU停止工作并允许RAM、定时器/计数器、串行端口和中断继续工作[15]。

图11 单片机电路原理图

在掉电保护模式下，RAM内容被保存，振荡器冻结，所有微控制器操作停止，直到下一次中断或硬件复位。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。在嵌入式领域得到了广泛应用。

3.2 晶振电路

结合单片机内部的电路，该设计提供单片机所必备的时钟频率为系统提供最基本的时钟信号[16]。该单片机中的18与19都是它的晶振引脚，其大小为11.0592MHz，如图12所示。外加两个大小为20pF的电容以实现晶振起振并维持振荡信号的稳定。

图12 晶振电路原理图

4 系统硬件测试

4.1 硬件连接性测试

在进行硬件测试之前，需要根据设计的电路原理图以及各个元器件的规格说明书和管脚说明材料，按照顺序将各个重要模块通过焊锡焊接的方式连接起来，最后依据电路原理图检查每个模块之间的管脚连接是否正确，各管脚是否定义准确、连接通畅。系统的焊接难点就是各个传感器模块的分布位置，因为模块较多，需要按照各个传感器之间的关系合理分配空间。本设计的实物连接图如图13所示。

图13 实物连接图

4.2 硬件功能测试

硬件连接性测试完成之后，给整个系统上电，温湿度传感器、光线传感器、气体传感器、红外传感器采集环境数据传递给STC89C52单片机，单片机进行数据处理之后驱动液晶显示模块LCD1602显示信息。液晶显示界面如图14所示。

图14 液晶显示界面

当温湿度传感器检测到温度或者湿度达到阈值，就会传递信号给单片机，单片机控制步进电机转动，模拟开关窗过程。当烟雾传感器检测到有毒气体浓度达到阈值的时候，同样执行上面的过程。

当红外探测器检测到有物体移动的时候，同样会传递信号给单片机，单片机控制电机转动，模拟关窗过程，同时单片机控制蜂鸣器发出警报，以起到警示作用，同时可以遥控关闭警报。

4.3 系统稳定性测试

该文将整个系统放置于海拔3500米的室外进行高压测试，持续运行24小时，测试期间并未出现短路、断路现象，经过测试，整个系统功能正常，供电稳定，程序未出现乱码现象。由此得出，该系统稳定性较好。

经过上述硬件测试过程，结果各个模块均正常显示。

5 结语

该文针对西藏地区的特殊环境设计并实现了一种基于STC89C52单片机的窗户控制系统。该系统可以针对西藏地区的环境特点有效地改善居住于西藏地区人们的生活质量。系统研发过程兼顾了应用价值与实验需求以检测设备便携化、无线化的市场需求为研究出发点，注重了功能性与现场适应性。