基于4G網(wǎng)絡(luò)的智能開窗器控制系統(tǒng)的研究

周亞運(yùn)，任青玲，莫 沛，莫家威，鄧 朋，殷曉宇

（柳州工學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院 廣西 柳州 545616）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對居住場所的要求越來越高，家庭是我們每個人每天生活必在的場所，一方面希望住所能舒適溫馨，另一方面又希望住宅家居能夠更加智能和先進(jìn)。智能家居多種多樣，窗戶是人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷募揖又?，它已?jīng)成為智能家居研究非常有意義的部分。從以往的窗戶研究和分析，不難發(fā)現(xiàn)它們有許多缺點(diǎn)和使用上的不便。首先，開關(guān)窗戶需要人手動操作[1]。其次，窗戶的設(shè)計不能保證室內(nèi)環(huán)境的舒適性，因?yàn)樗荒茼憫?yīng)外部環(huán)境的變化。當(dāng)房間里沒有人或者由于突然下雨等惡劣天氣，不能及時關(guān)閉窗戶，因此，基于4G網(wǎng)絡(luò)的智能開窗器控制系統(tǒng)的研究就顯得尤為重要了。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

圖1為本設(shè)計整體方案框圖，本設(shè)計采用直流推桿電機(jī)的正反轉(zhuǎn)模擬開窗器的開關(guān)狀態(tài)。開窗器的光控，采用光敏電阻傳感器進(jìn)行光照強(qiáng)度采集判斷進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)根據(jù)光照就行開窗關(guān)窗的操作。窗戶的雨滴控制，采用雨滴模塊檢測是否有雨，當(dāng)檢測到室外有雨時自動關(guān)窗，沒雨的時候開窗。使用DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器采集環(huán)境溫濕度，使用OLED顯示屏實(shí)時顯示并及時判斷溫度是否超限，超限后能夠進(jìn)行窗戶的關(guān)閉控制。手動模式采用4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，當(dāng)Wi-Fi模塊跟路由器或者熱點(diǎn)建立連接之后，通過遠(yuǎn)程遙控，實(shí)現(xiàn)手動開關(guān)窗戶，根據(jù)手機(jī)軟件選擇控制模式，實(shí)現(xiàn)開窗器的自動開關(guān)控制[2]。

圖1 整體設(shè)計方案框圖

3 硬件電路設(shè)計

本設(shè)計選擇STM32單片機(jī)作為主控芯片，電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)模塊采用L298N模塊作為直流推桿電機(jī)的驅(qū)動模塊，OLED顯示屏作為顯示模塊，電源模塊采用USB轉(zhuǎn)12V接口的電源線進(jìn)行供電[3]。硬件設(shè)計原理見圖2。

圖2 硬件設(shè)計原理圖

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本課題的設(shè)計采用模塊化編程，將整個程序分為主程序、模塊驅(qū)動程序、OLED顯示程序以及遠(yuǎn)程遙控程序等。主程序主要實(shí)現(xiàn)各個模塊的初始化，初始化完成后，調(diào)用各個子程序模塊并完成相應(yīng)的功能。主程序控制流程見圖3。

圖3 主程序流程圖

4.1 光照模塊控制軟件流程

圖4為光照模塊控制軟件流程圖，模塊上電，初始化完成。采集到光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)后，返回給單片機(jī)。單片機(jī)處理接收數(shù)據(jù)，根據(jù)處理結(jié)果去驅(qū)動L298N模塊，驅(qū)動完成，進(jìn)而驅(qū)動直流推桿電機(jī)完成相應(yīng)的動作，達(dá)到自動開關(guān)窗的目的。

圖4 光照模塊軟件流程

4.2 雨滴模塊控制軟件流程

圖5為雨滴模塊控制軟件流程圖，模塊上電，初始化完成。采集到模塊數(shù)據(jù)后，返回給單片機(jī)。單片機(jī)處理接收數(shù)據(jù)，根據(jù)處理結(jié)果去驅(qū)動L298N模塊，驅(qū)動完成，進(jìn)而驅(qū)動直流推桿電機(jī)完成相應(yīng)的動作，達(dá)到自動開關(guān)窗的目的。

圖5 雨滴模塊軟件流程

4.3 溫濕度模塊控制軟件流程

圖6為溫濕度模塊控制軟件流程圖，模塊上電，初始化完成。采集到模塊數(shù)據(jù)后，返回給單片機(jī)。單片機(jī)處理接收數(shù)據(jù)，根據(jù)處理結(jié)果將環(huán)境溫濕度實(shí)時發(fā)送到OLED屏，并驅(qū)動L298N模塊，驅(qū)動完成，進(jìn)而驅(qū)動直流推桿電機(jī)完成相應(yīng)的動作，達(dá)到自動開關(guān)窗的目的。

圖6 溫濕度模塊軟件流程

4.4 Wi-Fi模塊控制軟件流程

圖7為Wi-Fi模塊控制軟件流程圖，模塊上電，初始化完成。通過ESP調(diào)試助手發(fā)送指令，設(shè)置手動模式和功能；返回給單片機(jī)。單片機(jī)處理接收數(shù)據(jù)，根據(jù)處理結(jié)果，驅(qū)動L298N模塊，驅(qū)動完成，進(jìn)而驅(qū)動直流推桿電機(jī)完成相應(yīng)的動作，達(dá)到手動開關(guān)窗的目的。

圖7 Wi-Fi模塊軟件流程

4.5 手機(jī)APP設(shè)計

本設(shè)計使用機(jī)智云平臺進(jìn)行設(shè)計，在機(jī)智云官網(wǎng)下載的是能入公網(wǎng)的固件和源碼，將固件寫入Wi-Fi模塊，配合源碼編程即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。機(jī)智云軟件開發(fā)界面見圖8。

圖8 機(jī)智云開發(fā)界面

5 結(jié)語

本設(shè)計是基于STM32單片機(jī)和4G網(wǎng)絡(luò)的智能開窗器控制系統(tǒng)，設(shè)計主要實(shí)現(xiàn)了能夠根據(jù)光照、有無下雨情況自動控制窗戶的開關(guān)，并且具備溫濕度采集和控制窗戶開關(guān)的功能，系統(tǒng)還具備手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制開窗器進(jìn)而控制窗戶開關(guān)的功能，系統(tǒng)使用OLED顯示屏顯示界面，能夠?qū)崟r顯示當(dāng)前的環(huán)境信息和窗戶開關(guān)的信息。在未來，即使出門在外也能隨時隨地了解家里的情況并可以隨意操控家居環(huán)境，科技改變未來。