基于Android 的交互式健康型智能窗

章煜佳 李曉茜 金 航 郭 辰 祝佳欣

（臺(tái)州學(xué)院，浙江 臺(tái)州318000）

現(xiàn)如今，隨著智能家居的概念逐步深入人心，以及人們的生活水平飛速提高，或許傳統(tǒng)的窗戶已經(jīng)無(wú)法滿足人們的需求。例如，在南方的雨季，天氣預(yù)報(bào)有時(shí)都無(wú)法預(yù)知暴雨的來(lái)臨，往往是早上出門時(shí)還是艷陽(yáng)高照，但是到了中午或下午，就下起了瓢潑大雨，這時(shí)，打開的窗戶就有可能對(duì)房屋和室內(nèi)的家具造成一定的傷害。生活中存在著許多不確定因素和很多意想不到的事情會(huì)給人們帶來(lái)很多不利影響[2-3]。因此，設(shè)計(jì)一款智能窗戶是非常有必要的，擁有非常好的產(chǎn)業(yè)前景。

為滿足人們對(duì)生活環(huán)境便利、安全、健康的需求，設(shè)計(jì)了一款具有遠(yuǎn)程控制功能的健康型智能窗，該智能窗采用了STM32單片機(jī)與安卓APP 開發(fā)方案兼WIFI 通信技術(shù),三位一體，設(shè)計(jì)一款可根據(jù)環(huán)境變化自動(dòng)開關(guān)以及用戶根據(jù)自己需求進(jìn)行控制的智能窗。該智能窗可應(yīng)用于大型的商業(yè)建筑、家庭住宅，即使窗戶數(shù)量龐大，只需利用手機(jī)APP 輕輕一點(diǎn)就可實(shí)現(xiàn)窗戶的開閉并可進(jìn)行統(tǒng)一化管理，人們?cè)僖矡o(wú)需擔(dān)心降雨、火災(zāi)等突發(fā)狀況，更符合現(xiàn)代化社會(huì)的需求。不僅如此，該智能窗還可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)室器材和藥品對(duì)環(huán)境要求較高，使用改智能窗就可讓實(shí)驗(yàn)室得到更好的管理與維護(hù)。

1 工作原理

利用STM32 單片機(jī)與安卓app 開發(fā)、無(wú)線通信技術(shù),設(shè)計(jì)一款可根據(jù)環(huán)境變化自動(dòng)開關(guān)以及用戶根據(jù)自己需求利用手機(jī)進(jìn)行控制的智能窗戶。系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)將各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，智能窗戶的打開與關(guān)閉，如：當(dāng)室外刮風(fēng)下雨時(shí)，該智能窗戶可自動(dòng)關(guān)窗；當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度超標(biāo)時(shí)，智能窗戶也可自動(dòng)開啟；檢測(cè)到室外空氣質(zhì)量較差時(shí)，關(guān)閉智能窗戶，防止室內(nèi)空氣被污染；白天，室外光照強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)時(shí)，調(diào)光膜產(chǎn)生霧化效果，阻擋部分過(guò)強(qiáng)光照；夜晚時(shí)，可根據(jù)個(gè)人需要設(shè)置調(diào)光膜工作模式，也可利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程交互式操作。系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器技術(shù)

2.1.1 DHT12 溫濕度傳感器

溫濕度檢測(cè)采用DHT12，DHT12 具有單總線和標(biāo)準(zhǔn)I2C 兩種通訊，且單總線通訊方式完全兼容DHT11。標(biāo)準(zhǔn)單總線接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。具有超小的體積、較低的功耗，適合多種多樣的應(yīng)用場(chǎng)合。I2C 通信方式采用標(biāo)準(zhǔn)的通信時(shí)序，用戶可直接掛在I2C 通信總線上，無(wú)需額外布線，使用簡(jiǎn)單。傳感器檢測(cè)到的溫濕度，通過(guò)通信協(xié)議傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，顯示在屏幕上。

2.1.2 風(fēng)速傳感電路

圖1 系統(tǒng)原理框圖

風(fēng)速檢測(cè)采用采用風(fēng)動(dòng)開關(guān)傳感器模塊，如圖2 所示。該模塊在一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)探頭檢測(cè)，若環(huán)境中的風(fēng)力達(dá)到預(yù)設(shè)值，在他的輸出端口將會(huì)輸出12V 電壓，若未達(dá)到預(yù)設(shè)值，輸出端口無(wú)輸出。通過(guò)檢測(cè)模塊的輸出端口的電壓參數(shù)，來(lái)檢測(cè)風(fēng)速是否達(dá)到設(shè)定值，從而進(jìn)行相應(yīng)的控制。當(dāng)檢測(cè)到風(fēng)速達(dá)到預(yù)設(shè)值后，窗戶將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

圖2 風(fēng)速傳感器

2.1.3 煙霧傳感器

煙霧濃度檢測(cè)風(fēng)速檢測(cè)采用MQ-2，如圖3 所示。通過(guò)Rp構(gòu)成比較器的門檻電壓，當(dāng)煙霧濃度發(fā)生變化時(shí)，模擬電壓輸出端的電壓值也會(huì)發(fā)生改變。通過(guò)AD 口檢測(cè)模擬電壓輸出端的電壓值，當(dāng)煙霧濃度超過(guò)設(shè)定值后，窗戶將關(guān)閉，防止室內(nèi)空氣質(zhì)量被污染。

2.1.4 雨滴傳感器

接上3.3V 電源，電源指示燈亮，感應(yīng)板上沒有水滴時(shí)，D0輸出為高電平，開關(guān)指示燈滅，滴上一滴水，D0輸出為低電平，開關(guān)指示燈亮，刷掉上面的水滴，又恢復(fù)到，輸出高電平狀態(tài)。A0模擬輸出，可以連接單片機(jī)的AD 口檢測(cè)滴在上面的雨量大小。

圖3 煙霧傳感器

2.1.5 光照傳感器模塊

采用BH1750FVI 數(shù)字光照傳感器模塊，是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。不區(qū)分環(huán)境光源，接近于視覺靈敏度的分光特性，可對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行1 勒克斯的高精度測(cè)定。

2.2 主控系統(tǒng)分析

主控系統(tǒng)采用STM32F103 芯片作為控制器。其時(shí)鐘頻率可以達(dá)到72MHz，芯片內(nèi)部還集成了定時(shí)器、UART、SPI、I2C、USB等多種功能。

2.3 WIFI 通信技術(shù)

系統(tǒng)采用ESP8266-WIFI 模塊作為連接單片機(jī)與智能手機(jī)的橋梁，WIFI 模塊有8 個(gè)引腳，如圖4 所示。該模塊有串口無(wú)線AP（COM-AP）、串口無(wú)線STA（COM-STA）和串口無(wú)線AP+STA（COM-AP+STA）這3 個(gè)模式的測(cè)試，本次使用到的是AP 模式。模塊中CH-PD 處于低電平使得供電模塊關(guān)閉，處于高電平是正常工作狀態(tài)，因此需將模塊的CH-PD 引腳和VCC 相連。這里的串口RXD、TXD 與WiFi 模塊直接相連，不需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

圖4 WiFi 模塊

2.4 手機(jī)端Android APP 開發(fā)技術(shù)

Android APP 開發(fā)使用的是最新版Android Studio，該APP能夠兼容Android 5.0 以上的版本，能夠滿足現(xiàn)如今大部分用戶的要求。

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

通過(guò)實(shí)物測(cè)試發(fā)現(xiàn)，智能窗通過(guò)單片機(jī)和各類傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)雨滴、溫度、濕度、風(fēng)速、煙霧和光照的檢測(cè)，軟硬件各部分能夠較好地配合，并且實(shí)現(xiàn)理想的功能。系統(tǒng)的軟件流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

4 實(shí)物模型（圖6）

圖6 智能窗模型

5 結(jié)論與展望

該智能窗有四種工作模式可根據(jù)不同需求選擇傳統(tǒng)手動(dòng)推動(dòng)、開關(guān)按鈕手動(dòng)控制、手機(jī)APP 控制、自動(dòng)控制。智能窗通過(guò)單片機(jī)和各類傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)雨滴、溫度、濕度、風(fēng)速、煙霧和光照的檢測(cè)，當(dāng)室內(nèi)外環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，窗戶會(huì)自動(dòng)做出判斷，進(jìn)行打開或閉合。如：當(dāng)室外刮風(fēng)下雨時(shí)，智能窗可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，智能窗可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟；當(dāng)室外光照過(guò)強(qiáng)時(shí)，智能窗可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光功能。并且可使用手機(jī)APP 可以在一定局域范圍內(nèi)，對(duì)智能窗進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，并且手機(jī)界面可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)下環(huán)境的溫濕度值。該智能窗成本較低，性價(jià)比高可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并投入市場(chǎng)，可以大量使用在商業(yè)建筑中，可實(shí)現(xiàn)智能窗的統(tǒng)一化的管理。