智能家用窗戶窗簾控制及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

謝亞明 馬浩倫

摘 要：隨著生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量和解放勞動(dòng)的工具的要求越來(lái)越高，這使得家居設(shè)備的智能化和自動(dòng)化受到廣泛關(guān)注。文中主要根據(jù)通風(fēng)透光的功能要求，設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并兼顧自動(dòng)化功能的窗戶窗簾系統(tǒng)。該系統(tǒng)能接收當(dāng)前廣受關(guān)注的PM2.5含量、光照強(qiáng)度、溫濕度等數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制窗戶和窗簾，具有白天自動(dòng)打開(kāi)、夜間自動(dòng)關(guān)閉的功能。該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在控制核心板的屏幕上，上傳至機(jī)智云云平臺(tái)及機(jī)智云手機(jī)APP，便于遠(yuǎn)程查看。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化;物聯(lián)網(wǎng);智能設(shè)備;通風(fēng)透光;窗戶窗簾控制;環(huán)境質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TP23;TN919文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)舒適健康的家居生活有了強(qiáng)烈的需求[1]。室內(nèi)外空氣質(zhì)量逐漸成為了影響家居生活健康的重要因素：一方面，人們需要打開(kāi)窗戶窗簾通風(fēng)，排出室內(nèi)空氣中的有害氣體，凈化室內(nèi)空氣。另一方面，當(dāng)遇到霧霾天氣、下雨天時(shí)，窗戶打開(kāi)反而又會(huì)帶來(lái)不好的影響，如吸入污染物可能損害身體健康，此時(shí)便需要關(guān)閉窗戶;有時(shí)紫外線太強(qiáng)，容易對(duì)人的皮膚造成傷害，而光照強(qiáng)度對(duì)眼睛也有一定的損害，因此需要關(guān)閉窗簾。對(duì)于現(xiàn)代人來(lái)說(shuō)，生活自動(dòng)化程度提高是趨勢(shì)，如早上自動(dòng)打開(kāi)窗戶窗簾，晚上自動(dòng)關(guān)閉窗戶窗簾，對(duì)勞累一天的人們來(lái)說(shuō)，無(wú)疑減輕了負(fù)擔(dān)[2]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研制了實(shí)用的智能家用窗戶窗簾控制及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)白天自動(dòng)打開(kāi)、夜間自動(dòng)關(guān)閉，可以收集多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行組合式處理[3]，包括PM2.5含量、溫濕度、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，然后根據(jù)空氣質(zhì)量，濕度水平和光照水平自動(dòng)控制窗戶窗簾的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)或阻隔污染物。同時(shí)將上述數(shù)據(jù)通過(guò)屏幕顯示并上傳到機(jī)智云云平臺(tái)和機(jī)智云手機(jī)APP，便于人們了解室內(nèi)環(huán)境，提高人們的生活質(zhì)量。

1 智能系統(tǒng)設(shè)置

智能家用窗戶窗簾控制及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將光照強(qiáng)度、溫濕度、PM2.5等傳感器接收模塊安裝在窗戶附近，利用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)傳感器接收數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)一定的邏輯算法，我們將不同環(huán)境值，如霧霾天氣、雨天、強(qiáng)光環(huán)境、黑夜及白天對(duì)應(yīng)的值作為系統(tǒng)預(yù)設(shè)參數(shù)。使用時(shí)，系統(tǒng)接收到各傳感器數(shù)據(jù)后，通過(guò)與預(yù)設(shè)參數(shù)對(duì)比，得出需要進(jìn)行的操作，然后單片機(jī)控制電機(jī)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)窗戶和窗簾的打開(kāi)與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化功能。本系統(tǒng)還包括人為干預(yù)控制和校準(zhǔn)功能，便于使用者調(diào)整系統(tǒng)的偏差。同時(shí)也考慮了家庭主人外出時(shí)，若存在了解該系統(tǒng)狀態(tài)的需求，則可利用WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)及手機(jī)APP，便于用戶查看。智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制核心

控制核心采用兩塊32位單片機(jī)，第一塊是STM32F103ZET6，用于接收、顯示及控制電機(jī);第二塊是STM32F103C8T6，用于上傳數(shù)據(jù)。兩塊單片機(jī)都具有72 MHz的主頻，工作電壓2.0～3.6 V，至少3個(gè)串口，外設(shè)豐富[4]。第二塊使用占用更少資源的STM32F103C8T6單片機(jī)，它在分擔(dān)數(shù)據(jù)上傳責(zé)任的同時(shí)，減少了系統(tǒng)功耗。

2.2 傳感器模塊

傳感器包括PM2.5傳感器、光照強(qiáng)度傳感器和溫濕度傳感器。其中PM2.5傳感器為攀藤PMS7003G7，它是利用光散射原理制做的顆粒傳感器[5]，具有成本低、技術(shù)成熟、精度高等優(yōu)點(diǎn)。它的最小分辨率達(dá)0.3 μm，單位是μg/m3，通過(guò)通用串口與單片機(jī)通信。光照強(qiáng)度傳感器為BH1750，通過(guò)軟件模擬I2C協(xié)議[6]與單片機(jī)連接，減少了單片機(jī)硬件資源的使用。溫濕度傳感器為DHT11，通過(guò)單總線傳輸信息至單片機(jī)。

2.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

系統(tǒng)使用一塊0.96寸OLED顯示屏作為顯示模塊，該模塊具有功耗低的優(yōu)點(diǎn)。其分辨率為128×64，使用32×32的漢字和16×16的字母進(jìn)行顯示。OLED屏幕利用模擬I2C協(xié)議與單片機(jī)連接[7]，使用的引腳資源少，利于開(kāi)發(fā)。

2.4 數(shù)據(jù)通信模塊

使用ESP8266 WiFi模塊作為數(shù)據(jù)通信模塊，下載機(jī)智云固件至模塊中，利用單片機(jī)串口與模塊通信，與機(jī)智云平臺(tái)及機(jī)智云手機(jī)APP連接。機(jī)智云平臺(tái)給開(kāi)發(fā)者提供了自助式開(kāi)發(fā)工具及云服務(wù)，開(kāi)發(fā)者無(wú)需關(guān)心模組與機(jī)智云間的傳輸協(xié)議[8]，技術(shù)門檻低，可以有效降低研發(fā)成本[9]。使用時(shí)，利用手機(jī)連接WiFi并通過(guò)APP給模塊配網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)模塊的WiFi連接。模塊在斷電重啟后可以自動(dòng)連接當(dāng)前已配網(wǎng)的WiFi。

2.5 控制模塊

控制模塊使用兩塊5 V直流步進(jìn)電機(jī)28BYJ4和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板ULN2003，使用四相的驅(qū)動(dòng)方法。該型步進(jìn)電機(jī)具有電壓低、功耗低、控制精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。第一塊步進(jìn)電機(jī)與窗戶控制結(jié)構(gòu)和單片機(jī)連接，第二塊與窗簾控制結(jié)構(gòu)和單片機(jī)連接。每一塊步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)分別與單片機(jī)上的I/O口相連，順序或逆序使單個(gè)I/O口輸出高電平來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

2.6 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊

AT24C02模塊有2 Kb的儲(chǔ)存單元，屬于串行E2PROM，具有掉電不丟失數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。它通過(guò)I2C協(xié)議與單片機(jī)通信[10]，使用前兩個(gè)地址儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，分別儲(chǔ)存窗戶和窗簾的位置數(shù)據(jù)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)置

3.1 軟件自動(dòng)控制

智能家用窗戶窗簾控制及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有自動(dòng)控制功能。上電或重啟時(shí)，單片機(jī)首先讀取AT24C02的數(shù)據(jù)，并將其與系統(tǒng)里預(yù)設(shè)的窗戶和窗簾關(guān)閉數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果兩組數(shù)據(jù)相符，則系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)窗戶、窗簾進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。其次系統(tǒng)提供校準(zhǔn)功能，通過(guò)微調(diào)電機(jī)使窗戶和窗簾達(dá)到完全關(guān)緊的狀態(tài)。系統(tǒng)具有選擇按鍵，包括全關(guān)模式、全開(kāi)模式和自動(dòng)模式。全關(guān)模式具有最高優(yōu)先級(jí)，此模式下，其他模式都無(wú)法運(yùn)行。全開(kāi)模式具有第二高的優(yōu)先級(jí)，只有全關(guān)模式取消后才可以進(jìn)入。自動(dòng)模式具有最低優(yōu)先級(jí)，當(dāng)全開(kāi)和全關(guān)模式都取消時(shí)，才可以進(jìn)入。這樣設(shè)置的目的是為了讓家庭主人有更多的選擇：如長(zhǎng)期不在家時(shí)，可讓系統(tǒng)進(jìn)入全關(guān)模式;需要窗戶窗簾全開(kāi)時(shí)，設(shè)置系統(tǒng)進(jìn)入全開(kāi)模式;想減少精力投入到窗戶窗簾上時(shí)，可設(shè)置系統(tǒng)長(zhǎng)期進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，各傳感器接收窗戶附件數(shù)據(jù)，根據(jù)PM2.5含量、濕度、光照強(qiáng)度和時(shí)間參數(shù)共同決定窗戶和窗簾的開(kāi)關(guān)。單片機(jī)二通過(guò)串口二與單片機(jī)連接，接收單片機(jī)一發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，并把數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息上傳至機(jī)智云云平臺(tái)和機(jī)智云手機(jī)APP。軟件系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信

為實(shí)現(xiàn)使用者在遠(yuǎn)離家庭的地方獲取室內(nèi)各傳感器數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)的目標(biāo)，第二塊單片機(jī)連接WiFi模塊，將數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)傳輸至機(jī)智云云平臺(tái)及機(jī)智云手機(jī)APP，便于查看。上傳數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

4 測(cè)試及結(jié)果

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，機(jī)智云手機(jī)APP及控制核心板上數(shù)據(jù)顯示如圖4所示，機(jī)智云云平臺(tái)上的數(shù)據(jù)顯示如圖5所示。在機(jī)智云云平臺(tái)上，機(jī)智云手機(jī)APP和系統(tǒng)控制核心板的OLED屏幕上都可以看到系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)置系統(tǒng)為全關(guān)模式時(shí)，其他模式無(wú)法進(jìn)行，此時(shí)窗戶窗簾完全關(guān)閉。當(dāng)設(shè)置系統(tǒng)為全開(kāi)模式時(shí)，窗戶窗簾緩緩打開(kāi)至完全開(kāi)啟狀態(tài)。當(dāng)設(shè)置系統(tǒng)為自動(dòng)模式，且將運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為6點(diǎn)至22點(diǎn)時(shí)，若當(dāng)前時(shí)間未在此范圍內(nèi)，窗戶窗簾全關(guān);若當(dāng)前時(shí)間處于設(shè)置的時(shí)間范圍內(nèi)，則系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)模式下的默認(rèn)狀態(tài)，即窗戶半開(kāi)，窗簾全開(kāi)，等待下一步指令。

窗戶附件用強(qiáng)光照射，窗戶保持狀態(tài)不變，窗簾關(guān)閉一半;用噴霧對(duì)窗戶附件加濕，模擬下雨天氣，則窗戶全關(guān)，窗簾保持原狀態(tài);將灰塵散落在窗戶附件上模擬PM2.5含量過(guò)高的情形，此時(shí)窗戶全關(guān)，窗簾保持不變。夜晚時(shí)，光照強(qiáng)度為0，此時(shí)窗戶窗簾全關(guān);天亮?xí)r，光照強(qiáng)度恢復(fù)正常水平，窗戶打開(kāi)一半，窗簾全開(kāi)。測(cè)試結(jié)果滿足目標(biāo)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

將物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)融入家居，是未來(lái)科技發(fā)展的趨勢(shì)之一。本智能窗戶窗簾控制及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，包含窗戶和窗簾兩個(gè)控制部分，增加控制窗簾的功能在于應(yīng)對(duì)強(qiáng)光照射，減少人工操控，更加自動(dòng)化。本系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)智能化，通過(guò)綜合利用傳感器、單片機(jī)、電機(jī)和WiFi模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。窗戶窗簾通過(guò)接收外部環(huán)境數(shù)據(jù)，與預(yù)設(shè)參數(shù)對(duì)比實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，同時(shí)也將數(shù)據(jù)及狀態(tài)上傳至云平臺(tái)和手機(jī)APP，便于使用者觀察。隨著人們對(duì)空氣質(zhì)量、自動(dòng)化要求的不斷提高，本系統(tǒng)可以有效滿足要求，方便人們的生活。

注：本文通訊作者為謝亞明。

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