基于信息融合技術(shù)的智能窗戶

侯熙楠 趙志敏 石家莊二中實驗學校

1 目的和意義

保持室內(nèi)空氣清新，經(jīng)常通風換氣是良好的生活習慣，保持健康的有效方式，但如果家中無人的時候，遇到嚴重的霧霾天氣空氣中的氣體污染物進入室內(nèi)影響人民的身體健康，瓢潑大雨會淋濕室內(nèi)的地板電器造成財產(chǎn)損失，室內(nèi)煤氣的泄露會會危及公眾的生命安全。因此設(shè)計一種具有自動開關(guān)的智能窗戶很有需求，目前國內(nèi)外已有具備自動開關(guān)功能的智能窗戶。但是這些智能窗戶的研究存在一些問題，首先，不同人的生活習慣不同，自身適應(yīng)調(diào)節(jié)能力也不同，在同樣的天氣條件下，有人會選擇開窗，而有些人會選擇關(guān)窗，比如下小雨的天氣，空氣質(zhì)量優(yōu)良，有人就喜歡開窗呼吸新鮮空氣，而風濕病人對潮濕比較敏感，則會選擇關(guān)閉窗戶，其實這就是說開閉窗的閾值需要個性化的設(shè)置，采用什么方式來實現(xiàn)？其次，傳感器受制于成本問題，每種傳感器只安裝一個，當傳感器出現(xiàn)故障的時候，可能會出現(xiàn)反復開窗和誤開閉窗的情況，因此基于上述兩點考慮，我希望對智能窗戶進行改進，實現(xiàn)個性化設(shè)置和消除誤操作。

2 設(shè)計思路

在手機上設(shè)計一個APP，在APP上可以修改每個對應(yīng)傳感器的閾值，手機和智能窗戶通過藍牙進行通信，使用者可以根據(jù)自己的習慣修改成適合自己的參數(shù)，從而實現(xiàn)個性化設(shè)置；由于多傳感器數(shù)據(jù)信息冗余可以增加系統(tǒng)的可靠性，可以采用數(shù)據(jù)層加權(quán)表決方法增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我使用了三個PM2.5傳感器來增加信息的冗余度，大大降低因傳感器故障造成的反復開窗和誤開閉窗的概率，，我選用了二個精度高的PM2.5傳感器和一個精度較低的傳感器，精度最高的傳感器對應(yīng)權(quán)值為0.4，精度低的傳感器對應(yīng)權(quán)值為0.2，可以看出某一個PM2.5發(fā)生故障的情況不會出現(xiàn)反復開窗和誤開窗的情況。

3 研究過程

先根據(jù)項目要實現(xiàn)的功能，制作一個智能窗戶模型，其具體功能如下：(1)檢測空氣質(zhì)量；(2)室內(nèi)安全隱患檢測；(3)檢測溫度、濕度；(4)檢測雨水；(5)工作時間控制；(6)檢測四季;(7)自動+手動人性化設(shè)置。其次，結(jié)合自己所學的知識以及平時動手時間的經(jīng)驗，對整個的設(shè)計框圖有一個構(gòu)想，并且明確各部分的主要功能以及系統(tǒng)的工作流程。由于智能窗戶是一個涉及機械、電子、通訊和軟件技術(shù)等方面的控制系統(tǒng)，并要將其有機的結(jié)合在一起，工作流程如下描述：智能窗戶處于工作過程中時，單片機對PM2.5、煙霧檢測模塊，溫度、濕度、雨水傳感模塊以及紅外感應(yīng)模塊等多傳感器進行實時數(shù)據(jù)采集，然后在單片機內(nèi)部通過信息融合技術(shù)進行分析（軟件實現(xiàn)），通過開關(guān)繼電器控制電機來完成以完成相應(yīng)太陽能窗戶的控制功能（開關(guān)），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

多傳感器信息融合的具體工作模式如表1所示，表中煤氣檢測、雨水檢測、霧霾檢測、濕度檢測欄對應(yīng)數(shù)字“1”表示超過預設(shè)閾值，“0”表示低于預設(shè)閾值，溫度檢測欄對應(yīng)數(shù)字“0”表示超過預設(shè)最高溫度或低于最低預設(shè)溫度，下面舉例說明工作過程等，當單片機檢測到煤氣傳感器超過閾值時，并且通過檢查霍爾傳感器判斷窗戶當前狀態(tài)為關(guān)時，無論其他傳感器是否超出閾值，均驅(qū)動電機打開窗戶，無論外面是否是霧霾天氣還是下大雨的情況；在沒有發(fā)生煤氣泄露的情況下，此時只要檢測到有雨或者空氣質(zhì)量不佳都會關(guān)閉窗戶；在無雨并且空氣質(zhì)量不錯的天氣，如果檢測到外面溫度不在閾值范圍或者濕度過高，也會關(guān)閉窗戶，這主要是考慮到家里有風濕病人的時候，當室外濕度過高時給病人帶來痛苦。

表1 多傳感器信息融合工作模式

智能窗戶的基本功能實現(xiàn)之后，著手進行第二步的工作，就是解決兩個問題，個性化設(shè)置問題和誤操作問題，通過查閱資料，發(fā)現(xiàn)可以利用手機APP通過藍牙修改傳感器的閾值很方便而且更加靈活，因為如果不采用這種方式，當單片機的程序固化以后，如果要更改閾值就必須通過重新編寫程序燒錄，非常麻煩。誤操作問題通過將窗戶的控制模式設(shè)置為手動和自動兩種模式來克服，自動模式運行過程中窗戶的開關(guān)完全有單片機軟件和硬件協(xié)同工作，手動操作模式運行過程中，窗戶的開關(guān)完全由使用者來操作，使用者通過手機APP上的功能鍵通過藍牙實現(xiàn)對窗戶的操控開關(guān)。同時手機APP還具備設(shè)定各傳感器閾值，比如不同使用者在同樣的下雨天感受不同，也許有人會開窗，有人會關(guān)窗，通過手機APP，使用者可以根據(jù)自己的情況更改雨水傳感器的閾值達到自己的需求，從來達到個性化的目的。

4 實施結(jié)果

在測試過程中，使用點燃的香煙來測試模擬霧霾，礦泉水滴落在雨水傳感器模擬雨水，加濕器增加外部濕度來模擬室外濕度較高的情況，使用打火機產(chǎn)生局部高溫模擬室外溫度較高的情況，從測試結(jié)果來看，都能達到預期的效果。

5 討論總結(jié)

基于信息融合技術(shù)的智能窗戶，使用多種傳感器實時監(jiān)測室內(nèi)外環(huán)境信息，具有煤氣泄露檢測、霧霾防護、自動防雨等多種功能，系統(tǒng)魯棒性強、避免了反復開關(guān)窗和誤開窗的情況，成本低、使用方法簡單，自動、手動兩種工作模式更加靈活，人性化。

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