基于STM32單片機(jī)的智能窗控制系統(tǒng)設(shè)計

單立軍， 孔永華

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

隨著生活水平的提高，人們對生活便利性的要求也越來越高，各種智能化產(chǎn)品逐漸進(jìn)入人們的日常生活，如智能垃圾桶、智能鎖、智能窗等，但智能窗的發(fā)展卻非常緩慢。目前市場上存在一些以自動開窗器為主的智能窗戶，但其功能較為單一，只能實(shí)現(xiàn)簡單的自動開窗[1]，缺乏一套可以使其與其他傳感器相結(jié)合的控制系統(tǒng)，因而也就無法實(shí)現(xiàn)雨水感應(yīng)、人體感應(yīng)以及遠(yuǎn)程控制等功能。

國內(nèi)許多學(xué)者對智能窗進(jìn)行了研究。陳亞雙[2]設(shè)計了可以根據(jù)室外環(huán)境參數(shù)自動開窗的智能窗系統(tǒng)，但缺乏后續(xù)的佐證，實(shí)用性不強(qiáng)。王鴻建等[3]設(shè)計了基于MSP430單片機(jī)的樓宇自動開窗系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備風(fēng)雨及煙霧的檢測功能，解決了建筑自然通風(fēng)和消防通風(fēng)排煙的問題。楊錦輝等[4]設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能窗戶系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過自動判斷當(dāng)前環(huán)境的溫濕度、紅外強(qiáng)度以及有害氣體濃度等信息來實(shí)現(xiàn)窗戶的自動開關(guān)。龍軍等[5]研發(fā)了智能窗感測報警器，其能夠采集危險信號并且經(jīng)單片機(jī)處理后可觸發(fā)報警。國內(nèi)一些家居公司也開始涉足智能家居領(lǐng)域。海爾旗下的智能家居品牌U+，提供了智慧廚房、智慧臥室、智慧浴室、智慧客廳4大系統(tǒng)解決方案，但其未將窗戶作為一個獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行研究，僅僅提供了與窗簾相關(guān)的服務(wù)，這在一定程度上阻礙了智能窗的發(fā)展；成都易慧家科技有限公司是一家專業(yè)從事家用電動智能門窗的物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)企業(yè)，其在電動智能窗領(lǐng)域研究多年并開發(fā)了幾種智能窗樣機(jī)，但仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段；深圳歐瑞博科技股份有限公司為用戶提供了智能照明系統(tǒng)、遮陽窗簾系統(tǒng)、音影娛樂系統(tǒng)、暖通舒適系統(tǒng)以及門鎖安防系統(tǒng)[6-7]。

綜上所述，雖然許多智能家居公司對整個房屋的控制系統(tǒng)有了成熟的方案，但很少涉及智能窗，并且國內(nèi)學(xué)者對智能窗的研究還處于起步階段。為使高端窗戶能夠?qū)崿F(xiàn)多重智能化，開發(fā)了一套智能窗控制系統(tǒng)，通過將LoRa通信模塊與雨水感應(yīng)器相結(jié)合，設(shè)計了無線雨水感應(yīng)器，使得雨水感應(yīng)器的信號能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。還對智能窗控制系統(tǒng)的關(guān)窗策略和硬軟件進(jìn)行設(shè)計，增加了中斷程序并為各功能的運(yùn)行劃分了優(yōu)先級，特別是在人為控制與雨水感應(yīng)控制相沖突時，使人為控制優(yōu)先級最高。通過對軟硬件的設(shè)計并與多種傳感器進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對窗戶的智能化控制并提供了多種功能，可滿足用戶的多樣化需求，有望推動智能窗的發(fā)展。

1 總體方案設(shè)計

基于STM32單片機(jī)設(shè)計了多功能智能窗控制系統(tǒng)，創(chuàng)新性地將傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計算機(jī)軟件開發(fā)技術(shù)運(yùn)用到智能窗的系統(tǒng)設(shè)計中。智能窗控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 智能窗控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案Fig.1 Overall design scheme of intelligent window control system

該系統(tǒng)主要由終端、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器及移動端組成。終端分為控制終端和感應(yīng)終端?？刂平K端的主要功能是控制智能窗的開/關(guān)，包括人體紅外感應(yīng)開窗、煙霧感應(yīng)開窗、雨水感應(yīng)關(guān)窗。雨水感應(yīng)終端將雨水感應(yīng)模塊設(shè)置為一個獨(dú)立的終端，放棄了傳統(tǒng)的有線連接通信，改用終端間組建的無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸。無線雨水感應(yīng)終端通過LoRa網(wǎng)絡(luò)控制家庭或同一個小區(qū)內(nèi)多個窗戶的控制終端。網(wǎng)關(guān)主要為終端組建一個無線通信網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)各終端間的信息交互，同時在終端與服務(wù)器之間組建通信網(wǎng)絡(luò)，使終端與服務(wù)器之間可以進(jìn)行信息交流。利用LoRa無線技術(shù)在終端與網(wǎng)關(guān)之間組建通信網(wǎng)絡(luò)，采用WiFi技術(shù)在終端與服務(wù)器之間、終端與終端之間組建無線通信網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)器接收所有來自移動端和終端的數(shù)據(jù)，再按照設(shè)定好的方式發(fā)送給移動端和終端，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，并對重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，主要用于確保移動端與終端之間的正常通信。用戶可以通過移動端軟件對窗戶的開合狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[8-9]。

2 智能窗關(guān)窗策略研究

智能窗的關(guān)窗策略對于實(shí)現(xiàn)智能關(guān)窗而言是一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容。智能窗戶要想保證打開/關(guān)閉過程中的安全性和穩(wěn)定性，就需要對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速(n)可根據(jù)式(1)進(jìn)行計算。

n=(U-IR)/Kφ

(1)

式中：U為電機(jī)輸入電壓；I為電機(jī)輸入電流；R為電路總電阻；K為電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)；φ為磁通量。

由式(1)可知，控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有兩種：一是控制勵磁磁通大小的勵磁控制法；二是控制直流電機(jī)輸入電壓的電壓控制法。本研究控制勵磁磁通不變，通過改變電機(jī)輸入電壓來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速[10]。

大部分直流電機(jī)采用開關(guān)控制電機(jī)的啟停，電機(jī)的控制開關(guān)可使半導(dǎo)體在開/關(guān)狀態(tài)下工作，其通過脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)技術(shù)控制電機(jī)端的電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速[11]。電機(jī)兩端電壓(U0)可根據(jù)式(2)進(jìn)行計算。

U0=t1Us/T=αUs

(2)

式中：Us為電源電壓；T為電壓的脈沖周期；t1為導(dǎo)通時間；α為占空比，是直流電機(jī)的通電時間與電壓脈沖周期的比值。控制Us不變，通過改變占空比的大小來調(diào)節(jié)電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

基于STM32單片機(jī)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制編程，并對電機(jī)的轉(zhuǎn)動圈數(shù)進(jìn)行設(shè)定，以使電機(jī)轉(zhuǎn)動圈數(shù)達(dá)到一定值后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可直接降至零，從而確保智能窗打開/關(guān)閉過程中的安全性和穩(wěn)定性。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)高端窗戶的智能化，應(yīng)用了集中式管理分析和分散控制等理念。為進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)度與效率，基于分布式控制結(jié)構(gòu)體系，構(gòu)建了由管理層、監(jiān)控層、執(zhí)行層等3層結(jié)構(gòu)組成的智能窗控制系統(tǒng)硬件體系，如圖2所示。系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要是針對執(zhí)行層而言的。該智能窗控制系統(tǒng)以單片機(jī)為基礎(chǔ)，結(jié)合無線通信技術(shù)，使窗戶的智能化成為了可能。

圖2 智能窗控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的示意圖Fig.2 Diagram of the hardware structure of intelligent window control system

3.1 控制系統(tǒng)的管理層

以服務(wù)器為主的管理層通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)連接控制系統(tǒng)的監(jiān)控層，接收從監(jiān)控層傳來的數(shù)據(jù)和信息，并對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存、備份以及綜合分析等。管理層也可通過與其他網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)連接從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程管理。

3.2 控制系統(tǒng)的監(jiān)控層

為提高智能窗的響應(yīng)速度和響應(yīng)準(zhǔn)確性，需要對窗戶所處的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。監(jiān)控層通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視所有單元的信息，從而對窗戶的打開/關(guān)閉狀態(tài)以及整個過程進(jìn)行監(jiān)控，此外還對各個模塊的工作過程進(jìn)行監(jiān)控[12]。監(jiān)控層通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)與管理層和執(zhí)行層進(jìn)行連接，窗戶狀態(tài)監(jiān)控程序在傳送監(jiān)控層信息的同時，電腦也可獲取執(zhí)行層的實(shí)時數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對各控制單元的控制與狀態(tài)監(jiān)控以及歷史數(shù)據(jù)的存儲。

3.3 控制系統(tǒng)的執(zhí)行層

執(zhí)行層是智能窗戶控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由電源電路、電機(jī)驅(qū)動模塊、煙霧感應(yīng)模塊、人體紅外感應(yīng)模塊、無線雨水感應(yīng)模塊、LoRa通信模塊部成。無線雨水感應(yīng)模塊由雨水感應(yīng)模塊與LoRa通信模塊組合而成；人體紅外感應(yīng)模塊用于窗戶感應(yīng)到人時實(shí)現(xiàn)手動模式的切換，從而提高人手動控制窗戶的優(yōu)先級[13-14]；煙霧感應(yīng)模塊在感應(yīng)到室內(nèi)的可燃?xì)怏w或煙霧濃度達(dá)到限定值時，及時通過網(wǎng)關(guān)向控制終端發(fā)送信號，從而打開窗戶使室內(nèi)具有良好的通風(fēng)環(huán)境，以達(dá)到降低室內(nèi)煙霧濃度的目的。上述控制終端與網(wǎng)關(guān)共同組建無線射頻LoRa網(wǎng)絡(luò)，采用星形組網(wǎng)的方式，實(shí)現(xiàn)終端與網(wǎng)關(guān)之間的信息交互。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

使用MDK軟件對STM32 單片機(jī)進(jìn)行一系列的編譯與調(diào)試。系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括主程序、中斷程序和LoRa通信程序等3方面。

4.1 主程序

根據(jù)智能窗需要實(shí)現(xiàn)下雨關(guān)窗、煙霧開窗以及人體紅外感應(yīng)開窗等功能的設(shè)計要求對主程序進(jìn)行設(shè)計，流程圖如圖3所示。主程序具體工作過程：通電后先對I/O接口、串口、LoRa模塊進(jìn)行初始化，為保證中斷任務(wù)的順利進(jìn)行，設(shè)置中斷任務(wù)的優(yōu)先級分組，并初始化外部中斷。初始化完成后程序進(jìn)入主循環(huán)，此時程序會創(chuàng)建中斷任務(wù)、LoRa數(shù)據(jù)接收任務(wù)。上述步驟完成后，進(jìn)入等待任務(wù)調(diào)度的程序。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flow diagram of main program

4.2 中斷程序

中斷程序即設(shè)置各功能的運(yùn)行流程并劃分各功能運(yùn)行時的優(yōu)先等級。根據(jù)第3.3節(jié)硬件設(shè)計的要求，設(shè)定APP控制功能、煙霧感應(yīng)功能、人體紅外感應(yīng)功能、雨滴感應(yīng)功能的優(yōu)先級別。中斷功能的等級分為0～3級，其中零級的優(yōu)先級最高，隨后依次遞減[15]。中斷任務(wù)的設(shè)置是為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。中斷線及搶占優(yōu)先級如表1所示。

表1 中斷線及搶占優(yōu)先級Table 1 Interrupt line and preemption priority

由表1可知，APP控制中斷的搶占優(yōu)先級最高，雨滴感應(yīng)中斷的搶占優(yōu)先級最低。中斷程序的運(yùn)行是在主程序初始化之后，當(dāng)接收到外部中斷信號時，程序先進(jìn)入優(yōu)先級最高的外部中斷函數(shù)并進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果選擇是否繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的操作[16-18]。中斷程序的運(yùn)行流程如圖4所示。

圖4 中斷程序運(yùn)行流程圖Fig.4 Flow diagram of interrupt program operation

4.3 LoRa通信程序

在設(shè)計通信程序之前，先設(shè)計LoRa 通信協(xié)議。通信協(xié)議即通信雙方可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，在這種方式下數(shù)據(jù)中的每個字符都代表固定的含義，而通信雙方在這種協(xié)議方式下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以快速、準(zhǔn)確地知道數(shù)據(jù)的含義。LoRa通信協(xié)議的核心內(nèi)容是數(shù)據(jù)域，其結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)Table 2 Data field structure

由表2可知，在該數(shù)據(jù)域中：主/從機(jī)目標(biāo)地址和目標(biāo)信道表示的是設(shè)備在LoRa網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，其中網(wǎng)關(guān)用0XFFB表示，控制終端用0X000-0XFFD表示；命令碼是指終端或者網(wǎng)關(guān)下達(dá)的命令，終端或網(wǎng)關(guān)在接收到命令碼時需要作出相應(yīng)的響應(yīng)；設(shè)備碼是設(shè)備出廠時就已經(jīng)設(shè)置好的，是對硬件設(shè)備進(jìn)行溯源的標(biāo)識；數(shù)據(jù)類別表示的是數(shù)據(jù)的類型和數(shù)據(jù)的傳輸來源；有效數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)域中的核心數(shù)據(jù)，特別是Data數(shù)據(jù)段，其定義了相互傳輸?shù)男畔?nèi)容。

在通信協(xié)議設(shè)計后進(jìn)行通信程序的設(shè)計，以終端向網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢的過程為例對LoRa通信程序進(jìn)行介紹。當(dāng)用戶在移動端手機(jī)APP上查詢窗戶的狀態(tài)時，網(wǎng)關(guān)會生成相應(yīng)的申請報文，然后終端會將查詢的數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關(guān)。終端向網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)查詢流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)查詢流程圖Fig.5 Data query flowchart

終端向網(wǎng)關(guān)傳輸查詢數(shù)據(jù)的相關(guān)核心代碼如下：

1:→if(Q_ flag=1) //檢驗(yàn)發(fā)送標(biāo)志位是否為1(網(wǎng)關(guān)查詢數(shù)據(jù)申請)

2:→end if

3:→fs_sj[i++]=(obj_dst>>8)&0xff;fs_sj[i++]=obj_dst&0xff;fs_sj[i++]=obj_dch;fs_sj[i++]=(src_dst)&0xff;fs_sj[i++]=src_dst&0xff;fs_sj[i]=src_dch;

3:→for(i=0;i<8;i++)

4:→fs_sj[6+i]=add[i]; //將目標(biāo)/源地址、信道、設(shè)備號插入發(fā)送數(shù)據(jù)前

5:→i=i+8; //移位

6:→fs_sj[i++]=0x0f; fs_sj[i++]= 0x0f;fs_sj[i]=sen_data_len; //將數(shù)據(jù)類別和有效數(shù)據(jù)長度插入發(fā)送數(shù)據(jù)前

7:→for(i=0;i< sen_data_len;i++)

8:→fs_sj[i+20]= sen_data [i]; //補(bǔ)充需要查詢的窗體狀態(tài)數(shù)據(jù)

9:→for(i=0;i< sen_data_len+20;i++)

10:→usart_sd(fs_sj[i]); //將數(shù)據(jù)發(fā)送出去

11:→ end for

12:→ end for

13:→end for

14:Return Q_ flag

5 結(jié) 語

針對智能窗產(chǎn)品大多存在系統(tǒng)不完善、功能單一的問題，設(shè)計了基于STM32單片機(jī)的智能窗控制系統(tǒng)，主要對系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計，還對智能窗的關(guān)窗策略進(jìn)行了研究，為智能窗平穩(wěn)、安全的開窗打下了基礎(chǔ)。從功能上看，所設(shè)計的智能窗控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)下雨時自動關(guān)窗、室內(nèi)煙霧濃度超標(biāo)時自動開窗通風(fēng)、人為控制窗戶的優(yōu)先級高于感應(yīng)控制的功能。將雨水感應(yīng)器與LoRa通信模塊相結(jié)合，并與控制終端共同組建LoRa無線網(wǎng)絡(luò)。通過WiFi無線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無線雨水感應(yīng)終端通過LoRa網(wǎng)絡(luò)控制一定區(qū)域內(nèi)的多個終端，大幅降低了安裝成本和維修成本。從現(xiàn)有產(chǎn)品來看，與安裝開窗器的窗戶相比，智能窗戶控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對窗戶的多重智能化控制，可滿足用戶對窗戶智能化的要求，提高智能窗戶的安全性和運(yùn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)控制靈活、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定且實(shí)時性較好，具有廣泛的應(yīng)用場景。