基于Arduino的一種多控制式智能窗簾設(shè)計(jì)

林彬煒 李斌鴻 熊昌炯 韓沛暄 黃彬

摘要：傳統(tǒng)窗簾和智能窗簾有很大區(qū)別：家用傳統(tǒng)窗簾通常需要人為操作，而智能窗簾是由智能系統(tǒng)自動(dòng)控制或通過(guò)預(yù)定程序來(lái)控制。因?yàn)檫@些差異，在實(shí)用性和便捷性等方面智能窗簾是優(yōu)于傳統(tǒng)窗簾的。本次所設(shè)計(jì)的智能窗簾設(shè)計(jì)是基于傳統(tǒng)收拉窗簾的方式，以Arduino為智能網(wǎng)關(guān)，安裝了光敏電阻、藍(lán)牙模塊等傳感器，設(shè)置自動(dòng)模式，利用光敏電阻檢測(cè)外界光照強(qiáng)弱實(shí)現(xiàn)窗簾自動(dòng)收拉，除了手機(jī)控制、自動(dòng)模式之外還可通過(guò)Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)人不在時(shí)也可遠(yuǎn)程控制，將溫濕度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至云端的功能，從而可通過(guò)手機(jī)監(jiān)控房間實(shí)時(shí)的溫度與濕度信息，通過(guò)顯示模塊與人交互，來(lái)計(jì)算人的真實(shí)體感溫度，使人們的居住環(huán)境更加智能化。

關(guān)鍵詞：智能窗簾；自動(dòng)控制；Arduino；DHT11溫濕度傳感器；HC50藍(lán)牙模塊

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）30-0041-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

隨著電子信息技術(shù)，控制技術(shù)的日益提升，信息化社會(huì)在改變?nèi)藗兩盍?xí)慣和工作方式的同時(shí)，人們對(duì)家居的要求早已不再只是簡(jiǎn)單的物質(zhì)空間[1]，更為關(guān)注的是一個(gè)高度安全、舒適以及美觀方便的居住環(huán)境，先進(jìn)的通信設(shè)施，完備高效的信息終端，自動(dòng)、智能的家電，網(wǎng)絡(luò)化的資源管理及購(gòu)物方式等?，F(xiàn)今社會(huì)人們?nèi)找媾蛎浀男枨笫沟眉揖又悄芑讶怀蔀橐环N趨勢(shì)。隨著智能家居的逐漸普及，不同的智能家居具有不同的價(jià)值，對(duì)于不同的消費(fèi)群體來(lái)說(shuō)將會(huì)有更多的選擇，但實(shí)用性往往是消費(fèi)者最先考慮的。以下是基于Arduino設(shè)計(jì)的一種多控制式新型智能窗簾，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)、故障率低。通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)天氣情況和人工通過(guò)藍(lán)牙控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制窗簾收放的功能。

新興設(shè)備也更能夠吸引潛在客戶，帶給客戶更好的體驗(yàn)。產(chǎn)品在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中也根據(jù)需求最大限度地簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)，降低了成本，還可以通過(guò)此設(shè)計(jì)理念衍生出更多產(chǎn)品，因此具有一定的市場(chǎng)價(jià)值和消費(fèi)群體，從而印證了本課題的研究意義。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

該產(chǎn)品由窗簾布、滑軌、57電機(jī)和智能網(wǎng)關(guān)等部分組成。與傳統(tǒng)窗簾相比較，智能窗簾的核心部分即智能網(wǎng)關(guān)，具有接收和執(zhí)行用戶發(fā)送指令的功能，Arduino板接收各傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，然后下達(dá)指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)滑軌轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)窗簾實(shí)現(xiàn)多智能化自動(dòng)控制窗簾打開(kāi)和關(guān)閉[2]。

2.2 硬件搭建

實(shí)現(xiàn)窗簾的自動(dòng)化就必須含有以下功能：數(shù)據(jù)的讀取、按鈕控制和用于打開(kāi)和關(guān)閉窗簾的限位器。

圖3所示的光敏傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，它的敏感波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)附近，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。光信號(hào)經(jīng)過(guò)光敏傳感器收集轉(zhuǎn)換成電信號(hào)饋入Arduino板中，Arduino根據(jù)反饋的亮度大小做出計(jì)算分析窗簾是否開(kāi)關(guān)的情況。亮度判斷依據(jù)如下：當(dāng)亮度處于0～100時(shí)屬于偏暗；當(dāng)亮度處于100～200時(shí)屬于正常光；當(dāng)亮度處于200～500時(shí)屬于偏亮。光傳感器不只局限于對(duì)光的探測(cè)，它還可以作為探測(cè)元件組成其他傳感器，對(duì)許多非電量進(jìn)行檢測(cè)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化即可。

圖4所示的HC-50是一個(gè)藍(lán)牙模塊，連接到微控制器的串行端口，允許微控制器通過(guò)藍(lán)牙連接與其他設(shè)備通信。模塊本身可以在主從模式下運(yùn)行，并且可以用于各種應(yīng)用，例如：智能家居應(yīng)用、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用、機(jī)器人和監(jiān)控系統(tǒng)等。智能窗簾的第二種功能便是通過(guò)手機(jī)App與藍(lán)牙模塊連接，以指令的接收和執(zhí)行控制窗簾的開(kāi)關(guān)。當(dāng)手機(jī)App發(fā)出指令1時(shí)為窗簾拉上狀態(tài)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸上連接的工作滑塊也隨之往左移動(dòng)，工作滑塊上安裝有菱形伸縮架，菱形伸縮架一端與限位器固定，下方有鉤子可掛窗簾，工作滑塊移動(dòng)時(shí)將帶動(dòng)菱形伸縮架移動(dòng)，下方的窗簾隨著菱形伸縮架的移動(dòng)組件逐漸被拉上使之達(dá)到關(guān)窗簾的效果；當(dāng)使用手機(jī)App輸入另一個(gè)指令2時(shí)，即可讓電機(jī)反轉(zhuǎn)從而將窗簾反向拉回去使之達(dá)到開(kāi)窗簾的效果，實(shí)現(xiàn)一種遠(yuǎn)程控制窗簾開(kāi)關(guān)的功能。

Arduino不直接控制步進(jìn)電機(jī)，因此選用DM542控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而拉動(dòng)窗簾。DM542型細(xì)分型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用直流18V～50V供電，適合輸入電壓為24V的57步進(jìn)電機(jī)，低速運(yùn)行很平穩(wěn)，幾乎沒(méi)有振動(dòng)和噪音。

綜上，智能網(wǎng)關(guān)是采用Arduino為控制核心的系統(tǒng)，由降壓器（220V→24V）、備用電池充電模塊、電源開(kāi)關(guān)、HC-50藍(lán)牙模塊、光敏電阻模塊、DM542驅(qū)動(dòng)和57電機(jī)等組成，如圖6所示。

2.3 工作流程

如圖7所示為窗簾自動(dòng)控制系統(tǒng)工作流程。自動(dòng)模式是智能窗簾設(shè)計(jì)最為重要的一部分，核心程序會(huì)根據(jù)具體的光照環(huán)境，自動(dòng)控制窗簾的打開(kāi)/閉合：當(dāng)室內(nèi)亮度高時(shí)，窗簾將自動(dòng)閉合；當(dāng)室內(nèi)亮度暗時(shí)，窗簾將自動(dòng)拉開(kāi)。當(dāng)遇到停電等情況時(shí)，還可切換為手動(dòng)模式，電流啟動(dòng)閥值設(shè)定為200，當(dāng)超過(guò)閥值時(shí)，電機(jī)將帶動(dòng)窗簾開(kāi)關(guān)/閉合。并檢測(cè)紅外模塊數(shù)據(jù)，確定限位位置。

3 方案改進(jìn)設(shè)計(jì)

綜上所述，以上設(shè)計(jì)能夠達(dá)到兩種預(yù)期效果，一方面可通過(guò)自動(dòng)控制模塊控制窗簾以調(diào)節(jié)室內(nèi)亮度；另一方面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制窗簾的開(kāi)關(guān)。除了App控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)之外還設(shè)有手動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)意外發(fā)生時(shí)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)即可控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，起到了安全保護(hù)作用。正常情況下該裝置使用插座供電，在停電的時(shí)候?qū)⑶袚Q為備用電源供電，使停電時(shí)依舊可以自動(dòng)控制窗簾。如圖8所示，在原有方案設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)創(chuàng)新：

1）由于Arduino還留有算力及接口，可再加上DHT11溫濕度傳感器，通過(guò)顯示模塊與人交互，由于溫濕度是影響人體感溫度的主要因素，所以將通過(guò)虛擬終端計(jì)算出人體的真實(shí)體感溫度。

2）將藍(lán)牙模塊替換為Wi-Fi 模塊，與使用藍(lán)牙模塊的功能相比，實(shí)現(xiàn)人不在家時(shí)可遠(yuǎn)程控制窗簾，范圍更廣，還可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給手機(jī)，通過(guò)手機(jī)監(jiān)控房間實(shí)時(shí)的溫度與濕度信息。

在Wi-Fi模塊的設(shè)計(jì)中，使用ESP8266Wi-Fi模塊作為數(shù)據(jù)通信模塊，將Gizwits固件下載到模塊中，使用MCU串口與模塊通信，并連接到Gizwits移動(dòng)App。在使用過(guò)程中，使用手機(jī)連接Wi-Fi，通過(guò)App配置模塊的網(wǎng)絡(luò)，并提供模塊的Wi-Fi連接。關(guān)閉電源并重新啟動(dòng)模塊，以自動(dòng)連接到當(dāng)前配置的Wi-Fi。

溫濕度傳感器設(shè)計(jì)。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器專門(mén)用于監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境的溫濕度情況[3]，和COM8處理核心元件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作，利用周圍環(huán)境中的水分影響其電阻值的方式測(cè)量濕度，利用NTC電阻對(duì)溫度比較敏感的特性測(cè)量溫度。調(diào)試時(shí)的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)會(huì)被其收錄在存儲(chǔ)器中，以便工作時(shí)對(duì)照分析。又因?yàn)橹挥幸粋€(gè)核心數(shù)據(jù)傳輸接口，因此能夠精確地集中數(shù)據(jù)并傳輸?shù)街付ㄎ恢谩Ｓ捎谛◇w型和消耗資源小的特點(diǎn)，可以應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜嚴(yán)苛的程序，其集成了4針引腳，以便連接。如圖9所示，溫濕度傳感模塊由Arduino328開(kāi)發(fā)板、DHT11溫濕度傳感器、串口模塊組成，還放置了虛擬終端，用來(lái)觀察串口輸出的數(shù)據(jù)。

4 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖10所示，基于傳統(tǒng)收拉窗簾的方式，設(shè)計(jì)了雙光軸滾珠絲桿滑臺(tái)，具有傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)包括：①機(jī)架導(dǎo)軌體；②工作滑塊；③精密滾珠絲桿；④鋁型材底板；⑤多連桿機(jī)構(gòu)組成的菱形伸縮架。選用⑥57步進(jìn)電機(jī)通過(guò)⑦法蘭片和⑧聯(lián)軸器與滾珠絲桿連接，工作滑塊與菱形伸縮架通過(guò)鉚釘連接。取代了傳統(tǒng)機(jī)型上復(fù)雜的滾輪架機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而保證在工作滑塊推動(dòng)菱形四桿機(jī)構(gòu)在機(jī)架導(dǎo)軌體中作伸縮滑動(dòng)過(guò)程中的流暢性。針對(duì)市面上的自動(dòng)窗簾裝置中的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用舊吊輪之間直接接觸摩擦的因素導(dǎo)致磨損，影響使用的缺點(diǎn)，本產(chǎn)品在原有的機(jī)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了菱形伸縮桿件，機(jī)構(gòu)更靈活，還可以實(shí)現(xiàn)自由延伸。相對(duì)于原有的掛布吊輪，不易磨損，更加耐用且維護(hù)方便。

在設(shè)計(jì)完智能操作系統(tǒng)的同時(shí)，以Arduino為核心的控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)溫濕度顯示器、光照傳感器和Wifi/藍(lán)牙的反饋去改變窗簾收拉程度，窗簾機(jī)構(gòu)通過(guò)安裝板固定在墻上，兩邊各安裝一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而可朝兩側(cè)收拉窗簾，使得開(kāi)窗簾時(shí)能夠保證陽(yáng)光能充分照進(jìn)室內(nèi)；關(guān)窗簾時(shí)能夠充分遮擋光照的進(jìn)入，避免了僅安裝單邊窗簾而可能帶來(lái)的收拉長(zhǎng)度不夠等局限。另外還裝有備用電源，在停電的時(shí)候?qū)⑶袚Q為備用電源供電。

5 結(jié)論

智能窗簾自動(dòng)控制功能體現(xiàn)在當(dāng)打開(kāi)或重新啟動(dòng)時(shí)，Arduino首先讀取各傳感器的數(shù)據(jù)，并將其與預(yù)設(shè)條件進(jìn)行判斷以執(zhí)行開(kāi)啟或關(guān)閉窗簾的任務(wù)。又因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)了限位觸發(fā)器，所以窗簾能夠很好地達(dá)到完全開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)而不會(huì)出現(xiàn)故障，也不會(huì)出現(xiàn)窗簾未閉緊或未完全打開(kāi)的情況。該控制系統(tǒng)設(shè)有三級(jí)，其中手動(dòng)模式具有最高優(yōu)先級(jí)，因其具有當(dāng)意外發(fā)生時(shí)其他模式可能發(fā)生失效，這時(shí)便能起到安全保護(hù)作用[5]；第二級(jí)為遠(yuǎn)程控制模式；第三級(jí)為自動(dòng)控制模式。此設(shè)置的目的在于為家庭用戶提供更多選擇：當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間不在家時(shí)，可以將系統(tǒng)置于完全關(guān)閉模式；如果需要完全打開(kāi)窗簾，可將系統(tǒng)設(shè)置為完全打開(kāi)模式。為了延長(zhǎng)窗簾的使用壽命，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可將其設(shè)置為長(zhǎng)時(shí)期處于自動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)模式時(shí)，每個(gè)傳感器都會(huì)收集數(shù)據(jù)，并根據(jù)溫濕度、光照強(qiáng)度等參數(shù)確定窗簾的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。同時(shí)有了限位器的保護(hù)功能，每次窗簾伸縮程度還有時(shí)間都會(huì)得到控制；傳感器記錄的溫濕度和亮度將實(shí)時(shí)通過(guò)虛擬終端顯示，Arduino將會(huì)通過(guò)Wi-Fi模塊將接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息傳輸?shù)绞謾C(jī)App等，使人們的居家生活?更具智能化、人性化。此外，本產(chǎn)品已申請(qǐng)實(shí)用新型專利，具有一定的市場(chǎng)價(jià)值和競(jìng)爭(zhēng)性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賈海云.智能家居中智能窗簾的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2021，17（10）：202-204.

[2] 熊昌炯，鐘林鑫，賴潘枝，等.一種新型窗簾組件：CN214433589U[P].2021-10-22.

[3] 高生霞，凡偉，王念一.基于WiFi的智能家居控制系統(tǒng)[J].數(shù)字化用戶，2019，19：217-218.

[4] 張子超.Proteus基于Arduino DHT11溫濕度傳感器仿真實(shí)驗(yàn)[EB/OL].[2021-10-20]. https：//zoyi14.smartapps.cn/pages/note/index？slug=7ac841c36 acb&origin=share&_swebfr=1&_swebFromHost=baiduboxapp.

[5] 李小為，張健.智能家居中電動(dòng)窗簾的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2018，14（2）：161-163.

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