一種低成本的多功能智能窗控制系統(tǒng)

閻昌國(guó)+陳少才+李青

摘 要：以單片機(jī)為核心控制器，提出了一種低成本的多功能智能窗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)新方案。系統(tǒng)通過光敏電阻、紅外檢測(cè)、限位開關(guān)、風(fēng)雨傳感器、溫度傳感器及煙霧傳感器等設(shè)備對(duì)家居內(nèi)外環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)控并作出自動(dòng)開關(guān)窗的判定，實(shí)現(xiàn)了防強(qiáng)光、防干燥、防潮濕、防風(fēng)、防雨、防毒、防盜等多個(gè)實(shí)用功能。仿真結(jié)果表明，該方案是正確的、可行的與有效的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完整、成本低、機(jī)電一體化程度高等特點(diǎn)，對(duì)智能家居系統(tǒng)開發(fā)有較強(qiáng)的工程導(dǎo)向價(jià)值。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；低成本；多功能；智能窗

中圖分類號(hào)：TM383 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）07-0025-03

Abstract： A new design scheme of multi-function intelligent window control system with low cost is proposed based on the single-chip microcontroller unit. The system monitors the environment information inside and outside the home by means of photosensitive resistor， infrared detection， limit switch， wind and rain sensor， temperature sensor and smoke sensor， and makes the decision of automatic switch window. The utility model realizes many practical functions， such as strong light protection， dry protection， humidity prevention， wind protection， rain protection， antivirus， theft prevention and so on. The simulation results show that the scheme is correct， feasible and effective， and has the characteristics of simple structure， complete function， low cost and high degree of electromechanical integration. It has strong engineering guidance value for the development of smart home system.

Keywords： microcontroller unit （MCU）； low cost； multifunction； smart window

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展與人們生活水平的逐步提高，智能家居的概念已深入人心，并正影響著人們的思維，人們?cè)谄Ｓ趹?yīng)對(duì)工作之余，對(duì)安全、舒適、便利與健康的家居生活表現(xiàn)出了日益迫切的需求[1-3]。窗戶作為家居主體的一部分，是居室同外界進(jìn)行溫度、濕度、光照及空氣交流互換的主要通道，與人們的健康密切相關(guān)[4-5]。但日前人們使用的窗戶大多是單純的推拉或平移式手動(dòng)窗戶，不具備任何智能化功能。如果賦予了窗戶一定的智能功能，如下雨自動(dòng)關(guān)窗、室內(nèi)有害氣體超標(biāo)自動(dòng)開窗、盜賊從窗潛入自動(dòng)報(bào)警等，這將在給人們生活帶來諸多方便的同時(shí)又能極大地降低家居意外事故的發(fā)生率，可見，這種帶有多功能的智能窗更能滿足人們。在強(qiáng)調(diào)人的主觀能動(dòng)性、協(xié)調(diào)家居生活同自然界自適應(yīng)方面有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[6-7]。

為此，本文提出了一個(gè)以單片機(jī)為核心的智能窗控制系統(tǒng)制作方案，可準(zhǔn)確地依據(jù)居室生活所處的溫度、濕度、風(fēng)速、雨況、光照、盜情與毒情等環(huán)境信息的變化對(duì)窗戶的開啟或關(guān)閉狀態(tài)作出相應(yīng)的自動(dòng)控制。文中給出了該方案的總體架構(gòu)，詳述了部分主要電路的工作原理，分析了系統(tǒng)多個(gè)功能的優(yōu)先響應(yīng)順序，最后通過搭建一個(gè)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)證實(shí)了該方案的正確性、可行性與有效性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能窗是一個(gè)機(jī)電一體化程度較高的裝置，其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在影響裝置整體性能方面扮演著十分重要的角色。圖1示出了所提方案的控制系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖，該架構(gòu)的控制核心為一款性價(jià)比較高的單片機(jī)AT89C52，其具備體積小、成本低、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。前端多個(gè)傳感器對(duì)窗戶內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，通過單片機(jī)對(duì)該數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析處理，生成相應(yīng)的信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路去作用受控對(duì)象步進(jìn)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)窗戶的多功能智能控制。

2 主要電路設(shè)計(jì)

2.1 防毒檢測(cè)電路

MQ-2煙霧傳感器對(duì)液化氣、天然氣與煤氣都有較好的靈敏度，有較長(zhǎng)的使用壽命與較高的穩(wěn)定可靠性能，特別適用于家居氣體泄漏監(jiān)測(cè)，其檢測(cè)電路如圖2所示。原理為：當(dāng)前端檢測(cè)有可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器輸出有效信號(hào)，與第一比較電路（圖中虛線框部分）設(shè)定閾值進(jìn)行比較，當(dāng)比較結(jié)果為大于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)P3.6口將獲得低電平，觸發(fā)中斷子程序，執(zhí)行開窗防毒并報(bào)警，同時(shí)指示燈LED亮。

2.2 防盜檢測(cè)電路

HC-SR501是一種常用的紅外感應(yīng)傳感器，有功耗小、感應(yīng)不可重復(fù)觸發(fā)、可長(zhǎng)期工作的優(yōu)點(diǎn)，其檢測(cè)電路如圖3所示。原理為：當(dāng)前端檢測(cè)到有人爬窗時(shí)，傳感器輸出有效信號(hào)，經(jīng)由BIS0001構(gòu)建的信號(hào)處理電路后，將使單片機(jī)P3.7口獲得低電平，觸發(fā)中斷子程序，執(zhí)行關(guān)窗防盜并報(bào)警。

2.3 防雨檢測(cè)電路

雨滴檢測(cè)采用Arduino傳感器，通過搭配第二比較電路（圖中虛線框部分）來識(shí)別濕雨天氣，其檢測(cè)電路如圖4所示。原理為：當(dāng)前端感應(yīng)到有雨滴時(shí)，傳感器輸出有效信號(hào)，與第二比較電路預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，當(dāng)比較結(jié)果大于預(yù)設(shè)值時(shí)，單片機(jī)P0.2口獲得低電平，控制關(guān)窗防雨，指示燈LED1亮。endprint

3 軟件分析設(shè)計(jì)

考慮上述電路已代替了部分軟件功能，故軟件的設(shè)計(jì)變得相對(duì)容易，具體流程如圖5所示。為充分體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，設(shè)置手動(dòng)開關(guān)窗為最高優(yōu)先級(jí)。具體的工作流程為：在開窗動(dòng)作中，將毒情與高溫設(shè)置為第二優(yōu)先級(jí)，當(dāng)檢測(cè)到煤氣泄漏或居室溫度過高時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)開窗并報(bào)警；第三優(yōu)先級(jí)為盜情，最后為強(qiáng)光，當(dāng)檢測(cè)到光照較強(qiáng)，且無盜情發(fā)生時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)開窗；當(dāng)有盜情發(fā)生，光照仍較強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)關(guān)窗。在關(guān)窗動(dòng)作中，將盜情設(shè)置為第二優(yōu)先級(jí)，當(dāng)檢測(cè)到有爬窗行為時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)窗并報(bào)警；第三優(yōu)先級(jí)為毒情與高溫，其次為大風(fēng)與大雨，當(dāng)檢測(cè)到有大風(fēng)或大雨，且無毒情或高溫發(fā)生時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)窗；當(dāng)有毒情或居室高溫，室外仍有大風(fēng)或大雨時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)開窗。無論電機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)運(yùn)行，當(dāng)窗戶位置檢測(cè)電路監(jiān)測(cè)到窗體靠近左或右邊沿時(shí)，電機(jī)都停止運(yùn)行。

4 仿真證實(shí)

為了驗(yàn)證上述理論分析的正確性，在Proteus中搭建了一個(gè)簡(jiǎn)易仿真系統(tǒng)[8]?？紤]到仿真軟件中缺乏數(shù)據(jù)采集前端的各傳感器模塊，故在仿真時(shí)做了一些合理的處理，圖6示出了系統(tǒng)的仿真結(jié)果。默認(rèn)值為：光照為0萬LX（勒克斯）；溫度為0℃；濕度為0%；CO濃度為0%。設(shè)定閾值為：光照為0.1萬LX；溫度為25℃；濕度為80%；CO濃度為0.01%。由圖可知，系統(tǒng)日前處于毒情盜情并發(fā)、溫度濕度超標(biāo)、光照較強(qiáng)的多種惡劣環(huán)境工況下，運(yùn)行結(jié)果為打開窗扇并實(shí)施報(bào)警。這表明，在除人為手動(dòng)開關(guān)窗外，系統(tǒng)一旦觸發(fā)毒情即立馬開窗報(bào)警，與上述理論分析一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用單片機(jī)+多傳感器提出了一個(gè)低成本的多功能智能窗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案能集電、溫、光、聲、機(jī)等技術(shù)于一體，兼顧了智能化與人性化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展性較好，結(jié)構(gòu)較為完整，有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，可為智能家居系統(tǒng)研發(fā)與設(shè)計(jì)提供有意義的指導(dǎo)思想。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱敏玲，李寧.智能家居發(fā)展現(xiàn)狀及未來淺析[J].電視技術(shù)，2015，39（4）：82-85+96.

[2]張桂青，鹿曼，汪明，等.智能家居的“春天”來了[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2013，40（6A）：398-402.

[3]胡澤，謝小輝，葛亮，等.自適應(yīng)智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（4）：51-54.

[4]何國(guó)淵，廖志飛，楊太任，等.基于IAP15F2K61S2單片機(jī)的多傳感器新型智能窗控制系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓，2015，43（8）：148-151.

[5]宰文姣，汪華章.基于步進(jìn)電機(jī)的智能窗戶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī)，2015，43（6）：83-86.

[6]高素萍，李旭斌，鐘德勇，等.智能窗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].低壓電器，2009（20）：8-11+47.

[7]汪倩倩，湯煊琳，彭麗萍.基于單片機(jī)的智能窗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2015（10）：239-241.

[8]候玉寶.基于Proteus的51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008（4）：985-993.endprint