新型帶角度檢測控制智能門窗研究與設(shè)計

郎洪林 吳菲 郭志鴻

摘? 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)日新月異的發(fā)展，以及人們消費(fèi)水平的不斷提高，傳統(tǒng)的門窗已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足人們高品質(zhì)的生活追求。針對傳統(tǒng)門窗功能單一、操作控制煩瑣，以及無法實現(xiàn)開窗角度控制等問題，介紹了一種具有開窗角度檢測以及開窗角度控制功能的智能門窗。使用戶能夠?qū)崿F(xiàn)實時檢測窗戶開關(guān)狀態(tài)、開窗位置情況，根據(jù)需求控制門窗開合角度，通過接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺，用戶還可以通過手機(jī)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，實時查看窗戶開合角度。

關(guān)鍵詞：開窗器;角度;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）23-0176-04

Research and Design of New Intelligent Doors and Windows with Angle Detection and Control Function

LANG Honglin， WU Fei， GUO Zhihong

（College of Mechanical Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing? 400054， China）

Abstract： With the rapid development of the Internet of things and the continuous improvement of people’s consumption level， the traditional doors and windows are far from meeting people’s pursuit of high-quality life. Aiming at the problems of single function， cumbersome operation control and unable to realize window opening angle control of traditional doors and windows， an intelligent door and window with the functions of window opening angle detection and window opening angle control is introduced. Users can realize real-time detection of window switch status and window opening position， and control the opening and closing angle of doors and windows according to needs. By accessing the Internet of things cloud platform， users can also realize remote control through mobile phones to view the opening and closing angle of windows in real time.

Keywords： window opener; angle; Internet of things

0? 引? 言

近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)帶動下智能生活的飛速發(fā)展，智能家居逐漸融入大多數(shù)人的日常生活，給人們的生活帶來極大的便利。與此同時，隨著人們消費(fèi)水平的不斷提高，人們對智能家居的需求逐漸增多。新一代年輕人更加注重生活品質(zhì)[1，2]，跟隨市場，推出功能強(qiáng)大、使用便捷、操作有趣，能滿足眾多用戶多樣化、個性化需求的智能家居是大勢所趨，也是時代使命。為此本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和角度傳感技術(shù)，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和STM32單片機(jī)的新型帶角度檢測控制的智能門窗。

1? 系統(tǒng)功能

目前，實現(xiàn)門窗的電動開啟或關(guān)閉已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)，門窗逐步實現(xiàn)電氣化以后，只要通過APP與互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對接，就能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[3]。智能門窗系統(tǒng)主要由智能門窗控制器、角度傳感模塊、手機(jī)客戶端三個部分組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

智能門窗的控制器安裝在家庭窗戶附近的墻面上，角度傳感器則安裝在窗戶里面，角度傳感器能夠隨著窗戶的開合，跟隨著窗戶的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實時采集窗戶的角度方位運(yùn)行數(shù)據(jù)。角度傳感采集處理系統(tǒng)將傳感器所采集的數(shù)據(jù)處理成直觀的角度數(shù)據(jù)，然后通過串口通信與STM32核心控制系統(tǒng)進(jìn)行角度數(shù)據(jù)交換。STM32核心控制系統(tǒng)在得到數(shù)據(jù)之后，通過Wi-Fi模組將數(shù)據(jù)上報到手機(jī)客戶端。用戶通過手機(jī)可以實時查看窗戶的運(yùn)行狀態(tài)以及開窗角度等參數(shù)。通過手機(jī)客戶端上面的控制按鈕，向STM32核心控制系統(tǒng)發(fā)送控制命令，控制系統(tǒng)再通過串口將控制命令發(fā)送到角度傳感系統(tǒng)，角度傳感系統(tǒng)根據(jù)命令實現(xiàn)窗戶開關(guān)以及開合角度控制。

2? 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1? 電機(jī)驅(qū)動硬件電路設(shè)計

在本文的設(shè)計研究中，使用的是由24 V高頻電源供電、以YX-2530AM驅(qū)動芯片為核心的電機(jī)驅(qū)動電路（YX-2530AM是一款DC雙向馬達(dá)驅(qū)動電路，適用于驅(qū)動開窗電機(jī)及窗戶上鎖電機(jī)）。通過兩個邏輯輸入端子來控制電機(jī)前進(jìn)、后退、制動。該電路具有抗干擾性強(qiáng)、待機(jī)電流小，輸出內(nèi)阻低等優(yōu)點，同時，它還具有內(nèi)置二極管，能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流。通過STM32f103c8t6的兩個輸出引腳，控制YX-2530AM的前進(jìn)輸入和后退輸入引腳，以此控制電機(jī)的正反向轉(zhuǎn)動及停止。電機(jī)驅(qū)動電路圖如圖2所示。

馬達(dá)在轉(zhuǎn)動的過程中，其內(nèi)部的電刷與電機(jī)換相片之間會發(fā)生火花，產(chǎn)生高頻干擾。在電機(jī)的兩邊并上一個104的無極性瓷片電容，能夠濾除馬達(dá)轉(zhuǎn)動過程中所產(chǎn)生的高頻干擾。在驅(qū)動芯片電路接線兩邊并接上一個大的電解電容，能夠消除由mos管開/關(guān)而產(chǎn)生的峰值，起到阻容吸收的作用。

2.2? 電流檢測硬件電路設(shè)計

電機(jī)驅(qū)動時，過流檢測電路的作用是保護(hù)整個電路系統(tǒng)，在電路短路時及時關(guān)閉總開關(guān)，以保護(hù)整個電路。在電機(jī)與驅(qū)動芯片回路中串接一個阻值小功率大的電阻，將電阻兩邊的壓差信號輸入到lm324運(yùn)放中，通過差分放大，比較電阻兩邊的壓差，通過電阻兩邊的壓差即可計算出電機(jī)運(yùn)行中的電流大小。差分放大信號經(jīng)過處理后將其輸入到單片機(jī)的ADC引腳。ADC采集程序?qū)Σ杉降碾妷盒盘栠M(jìn)行運(yùn)算，得到電壓數(shù)值，再將電壓值轉(zhuǎn)換成當(dāng)前流過采樣電阻的電流值，電流值超出電流保護(hù)閾值，則表明電機(jī)的電流值過大，超出正常工作范圍，電機(jī)保護(hù)程序立即對電機(jī)做出保護(hù)操作，斷開電機(jī)的驅(qū)動輸出。電機(jī)電流保護(hù)電路整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

檢測電機(jī)的電流是實現(xiàn)過流保護(hù)的首要任務(wù)。通過小阻值無感采樣電阻對流過電機(jī)的電流進(jìn)行采樣。廉價的方案通常是采用康銅絲或貼片件采樣電阻，需要注意采樣電阻阻值的選取，滿足在功率足夠大時不至于因電流流過而損壞采樣電阻，同時為了降低感抗在電阻兩端引起的電壓降，電阻的電感值也要盡可能地小[4]。

根據(jù)公式歐姆定律將電流轉(zhuǎn)化為電壓差，通過檢測采樣電阻R1兩端的電壓差得到流過電機(jī)的電流。采樣電阻R1和電機(jī)串聯(lián)在電機(jī)主電路中，本次設(shè)計采用0.1Ω的采樣電阻，可以承受1 W的功率，電機(jī)預(yù)計電流在2 A以內(nèi)，不會燒毀采樣電阻。在采樣電阻兩端，分別接兩個電阻，將采樣電阻兩邊的電壓降輸入到集成運(yùn)放U1A中。

（1）

當(dāng)R4=R3、R2=R6時，放大倍數(shù)就是R6/R2。

（2）

集成運(yùn)放由24 V電源供電，由于直流電機(jī)在轉(zhuǎn)動的時候有正反轉(zhuǎn)，采樣電阻上就會出現(xiàn)正負(fù)壓降，需要集成運(yùn)放有正負(fù)電源供電才能正常進(jìn)行電壓差分放大。在節(jié)省設(shè)計成本的情況下，通過電壓抬升，用R5與R4對24 V進(jìn)行分壓，使得12 V為相對0 V的參考電壓，0 V相對于參考電壓為-12 V，24 V相對于參考電壓為+12 V，實現(xiàn)正負(fù)12 V的單電源供電，保證了集成運(yùn)放的正常工作，實現(xiàn)差分放大輸出。單電源運(yùn)放電路如圖4所示。差分放大輸出的電壓不能超過單片機(jī)ADC采集的最大電壓，經(jīng)過分壓電阻，得到合適的電壓，輸入到單片機(jī)的ADC中，單片機(jī)處理過后控制驅(qū)動H橋電路，從而發(fā)揮過流保護(hù)的作用。當(dāng)出現(xiàn)短路或控制異常時，電流過大，使得采樣電阻R1之間的電壓增大，通過集成運(yùn)算放大反饋給單片機(jī)，單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動，即停止電機(jī)轉(zhuǎn)動[5]。

2.3? 角度傳感器硬件設(shè)計

角度傳感器硬件系統(tǒng)的中央控制器采用STM32F103C8T6芯片，主要用于執(zhí)行角度傳感器的數(shù)據(jù)采集、角度姿態(tài)解算，以及與STM32主控制系統(tǒng)進(jìn)行通信等任務(wù)。角度傳感器模塊采用MPU9250，具有3軸陀螺儀、3軸加速度計和3軸磁力計以及自帶數(shù)字運(yùn)動處理器，其角速度測量范圍大，動態(tài)響應(yīng)性好[6]。角度測量是利用陀螺儀的偏航角測量，然后再結(jié)合磁力計數(shù)據(jù)對偏航角進(jìn)行校準(zhǔn)計算。角度傳感器模塊的核心處理MCU采用STM32F103RCT6，運(yùn)算角度數(shù)據(jù)的程序需要更大的flash空間，STM32F103RCT6程序的存儲空間為256 KB，滿足設(shè)計要求。角度傳感器系統(tǒng)框圖如圖5所示。

角度傳感模塊安裝在門窗的活動窗上面，使得在窗戶開關(guān)的過程中，角度傳感器內(nèi)部的數(shù)值也隨之改變，通過角度傳感模塊內(nèi)部的STM32采集MPU9250的參數(shù)變化，通過姿態(tài)解算計算出偏航角，得到門窗開關(guān)的角度值，通過串口通信將所得到的角度值發(fā)送給主控制器。

3? 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1? 角度傳感模塊程序設(shè)計

角度傳感器系統(tǒng)用于實時采集MPU9250的變化數(shù)據(jù)，通過IIC協(xié)議與MPU9250通信，獲取設(shè)備角度參數(shù)，通過姿態(tài)解算庫，運(yùn)算得到MPU9250的偏航角（即窗戶開合的角度變化數(shù)據(jù)）。完成采集和運(yùn)算之后，上位機(jī)如需獲取當(dāng)前角度，角度傳感器系統(tǒng)就會與STM32主控制器進(jìn)行串口通信，將當(dāng)前角度變化數(shù)據(jù)發(fā)送到主控制器。主控制器通過Wi-Fi即可將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)端，用戶打開手機(jī)就能實時查看窗戶的開合角度狀態(tài)。程序運(yùn)行流程圖如圖6所示。

3.2? 門窗防夾保護(hù)程序設(shè)計

智能門窗防夾控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示，主要由STM32控制單元、防夾程序、電流檢測程序組成。STM32控制單元負(fù)責(zé)處理采集的電流信號值，通過防夾模塊計算，控制電機(jī)驅(qū)動輸出。電流采集電路輸出的電壓信號作為防夾程序判斷是否有用戶被夾的重要參考信號。防夾保護(hù)程序判斷電流是否達(dá)到防夾設(shè)定閾值。門窗在開合過程中如遇到障礙物，傳動設(shè)備會減速并增加電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電機(jī)輸出電流急劇上升[7]，窗戶所受阻力增大會以電流增大的形式表現(xiàn)出來，只需采集流過直流電機(jī)的電流，再經(jīng)過防夾系統(tǒng)判斷控制電機(jī)驅(qū)動輸出，即可達(dá)到門窗防夾保護(hù)的功能。

通過ADC采集程序檢測電機(jī)電流數(shù)值并進(jìn)行運(yùn)算，經(jīng)過濾波函數(shù)處理后，得到最終的電機(jī)電流值。與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，如若ADC采集電壓值不在最大值與最小值之間，表明流過采樣電阻及電機(jī)的電流超過設(shè)定的值（即窗戶遇到障礙物），會立即執(zhí)行防夾函數(shù)，使當(dāng)前電機(jī)的驅(qū)動立即停止工作。一方面，可保護(hù)用戶的人身安全，避免用戶在開窗過程中將手、頭等伸出窗外而引發(fā)被夾傷的危險;另一方面，窗戶不會因為扭矩力過大而導(dǎo)致使用壽命縮短甚至產(chǎn)生形變或者損壞的情況。與此同時，防夾系統(tǒng)還確保了電機(jī)不會因為電流過大而損壞，保護(hù)電源系統(tǒng)不會因為過載而導(dǎo)致電源癱瘓，從而保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3? 遠(yuǎn)程檢測控制設(shè)計

智能門窗監(jiān)測控制系統(tǒng)以STM32為核心控制器，通過串口協(xié)議與Wi-Fi模組通信，實現(xiàn)手機(jī)客戶端數(shù)據(jù)檢測及遠(yuǎn)程下發(fā)控制指令。角度傳感器系統(tǒng)采集處理門窗的開合角度數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32主控制器，主控制器再與Wi-Fi模組進(jìn)行通信，以Wi-Fi 模組上報信息的格式發(fā)送到云端服務(wù)器，手機(jī)客戶端通過獲取云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測門窗的開合角度。另一方面，手機(jī)客戶端通過服務(wù)器將控制指令發(fā)送到Wi-Fi模塊，STM32獲取Wi-Fi模塊信息，解析出數(shù)據(jù)流中的控制指令[8]，STM32主控制器在獲取控制指令后，配合電機(jī)驅(qū)動、角度傳感系統(tǒng)、門窗防夾系統(tǒng)對門窗進(jìn)行開關(guān)控制以及開合角度控制。

4? 測試

4.1? 窗戶遠(yuǎn)程角度控制功能測試

系統(tǒng)通過手機(jī)APP發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器，服務(wù)器再向Wi-Fi模組發(fā)送指令，MCU接收Wi-Fi模組透傳的控制指令，通過解析指令驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)門窗的遠(yuǎn)程控制功能。測試結(jié)果表如表1所示。其中，角度控制精度在-1°～+1°之間即為控制成功。

通過實時檢測控制面板的觸摸按鈕，分析控制指令，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動窗戶，對窗戶實行觸摸按鈕控制測試，進(jìn)行本地穩(wěn)定控制測試，測試結(jié)果如表2所示。

通過對比表1與表2對門窗的控制測試可以看出，在網(wǎng)絡(luò)連接不暢時容易導(dǎo)致控制數(shù)據(jù)的丟失，以致設(shè)備不能及時接收到服務(wù)器下發(fā)的指令，給設(shè)備的成功控制帶來一定的影響。系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定的情況下，基本滿足設(shè)計要求。

4.2? 門窗防夾功能測試

進(jìn)行門窗控制測試時，給門窗施加阻力模擬防夾，此時電流檢測電路在實時采集電機(jī)電流，再結(jié)合防夾軟件系統(tǒng)，在所采集的電流大于設(shè)定閾值時（也就是阻力大于設(shè)定的防夾值時），窗戶電機(jī)會立即停止，實現(xiàn)防夾傷功能。測試結(jié)果表如表3所示。

防夾監(jiān)測功能，起到了實時保護(hù)電機(jī)設(shè)備以及防止人或物被夾的作用，其硬件設(shè)計和軟件設(shè)計都符合設(shè)計要求。

5? 結(jié)? 論

本文設(shè)計了一款新型帶角度檢測控制的智能門窗，通過對門窗上的角度傳感器進(jìn)行檢測，實時獲取門窗開合角度位置，通過Wi-Fi上傳到手機(jī)客戶端供用戶實時查看，用戶也可設(shè)定門窗開合角度值，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。同時門窗自帶防夾系統(tǒng)，保障用戶安全，實現(xiàn)了門窗的個性化、智能化功能，給用戶帶來更便捷、更安全的智能家居體驗。

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作者簡介：郎洪林（1996—），男，漢族，重慶人，碩士研究生在讀，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與智能儀器;吳菲（1995—），男，漢族，重慶人，碩士研究生在讀，主要研究方向：軟件技術(shù);郭志鴻（1997—）男，漢族，重慶人，碩士研究生在讀，主要研究方向：計算機(jī)軟件。