基于STM32單片機的居家智能窗

單申　留惠雯　趙新銘　盧學(xué)玉

摘要：智能化發(fā)展的今天，大部分家庭還是依靠手動開關(guān)窗戶，在防雨、防夾、感應(yīng)有毒氣體等各方面不能滿足人們對舒適、環(huán)保、安全的家庭生活需求。本款居家智能窗是基于STM32單片機根據(jù)室外環(huán)境完成自動開關(guān)窗動作的新型居家智能窗。該智能窗主要由步進(jìn)電機、滾珠絲杠、電磁鐵、光敏電阻等各類傳感器和電控部分組成。傳感器系統(tǒng)將檢測的雨水、空氣質(zhì)量等環(huán)境參數(shù)收集并傳遞到控制器，進(jìn)而帶動電機工作，通過動力傳動裝置實現(xiàn)窗戶在室外惡劣環(huán)境時的自動關(guān)閉以及室內(nèi)需要通風(fēng)時的自動打開。此外，用戶還可以通過手控按鈕控制窗戶的開關(guān)，體現(xiàn)多種控制結(jié)合的人性化設(shè)計理念。

關(guān)鍵詞：居家智能窗；滾珠絲杠；STM32；傳感器

中圖分類號：TP271+.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.04.011

文章編號：1006-0316 （2023） 04-0074-07

Home Smart Window Based on STM32 Microcontroller

SHAN Shen1，LIU Huiwen1，ZHAO Xinming2，LU Xueyu1

（ 1.School of Mechanical Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214000， China;

2.College of Automation， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212000， China ）

Abstract：Despite the development of intelligence， most families still rely on manual opening and closing of windows， which cannot meet the needs for comfortable， environmentally friendly and safe family life in terms of rain-proof， anti-pinch protection and the induction of toxic gases. This group designed a new home smart window based on STM32 single-chip microcomputer to automatically open and close the window according to the outdoor environment. The smart window is mainly composed of various sensors and electronic control parts such as stepping motor， ball screw， electromagnet， photoresistor， etc. The sensor system collects and transmits the detected environmental parameters such as the rainwater and the air quality to the controller， which drives the motor to work. The power transmission device realizes the automatic closing of windows in harsh outdoor environments and automatic opening when ventilation is required. In addition， the user can also control the opening and closing of the window through the manual button， which reflects the humanized design concept of multiple controls.

Key words：home smart window；ball screw；STM32；sensor

開關(guān)窗戶是調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的手段之一，大部分窗子的開關(guān)都是依靠人工調(diào)節(jié)，不具備根據(jù)環(huán)境情況來智能控制窗戶開關(guān)，進(jìn)而調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的功能[1]?？萍嫉陌l(fā)展為人們生活舒適性提供了各種可能，智能窗產(chǎn)品也越來越受到人們的關(guān)注[2]。當(dāng)前國外智能窗的研究主要傾向于電致變色的應(yīng)用等，國內(nèi)則尚未出現(xiàn)全面、自主、智能化工作的窗戶產(chǎn)品，不能滿足人們多樣化的需求[3]。本文設(shè)計了一種基于STM32單片機的智能窗，以環(huán)境溫度、濕度、光照等作為判斷依據(jù)，完成對窗戶的自動控制，并能做出相應(yīng)的報警。

實驗表明，該設(shè)計安全可靠、功能強大、各模塊性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)收發(fā)準(zhǔn)確、成本低、維護(hù)方便，完全滿足人與窗戶“遠(yuǎn)程對話”的需求。提高人們的生活質(zhì)量，增強家居生活的安全、舒適性。

1 設(shè)計目標(biāo)與實現(xiàn)方案描述

1.1 設(shè)計目標(biāo)

擬設(shè)計一種居家智能窗裝置，能根據(jù)環(huán)境情況來智能控制窗戶開關(guān)，進(jìn)而調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，提高人們的生活質(zhì)量，增強家居生活的安全、舒適性。

1.2 研究內(nèi)容與實現(xiàn)方案描述

在提出的研究目標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際做以下幾個方面的內(nèi)容：

（1）本設(shè)計對目前現(xiàn)有智能窗及智能開關(guān)窗裝置從適用分類、傳動裝置、適用范圍和智能控制等方面的研究與探討，針對智能家居未來的發(fā)展方向設(shè)計一種新型居家智能窗，通過與現(xiàn)有智能窗和外附智能開關(guān)窗裝置的對比[4]，最終選擇以電磁鐵絲杠作為傳動裝置的居家智能窗作為最終設(shè)計方案。

（2）完成本課題所研究的居家智能窗的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，這個設(shè)計主要包括機械傳動裝置部分、傳感系統(tǒng)部分、電控驅(qū)動部分、機械傳動部分和安全模塊。

（3）運用三維建模軟件UG NX 12.0對升

降旋轉(zhuǎn)式自行車自動停車裝置進(jìn)行整體建模，包括焊接鋼結(jié)構(gòu)框架部分、升降系統(tǒng)部分、抓取與進(jìn)給部分、回轉(zhuǎn)部分。

（4）電控部分選擇STM32F4芯片來控制。

2 智能窗戶總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 居家智能窗裝置工作原理

如圖1所示，居家智能窗由窗戶框架部分、傳感系統(tǒng)部分、電控驅(qū)動部分、機械傳動部分和安全模塊等組成。窗戶框架部分與傳統(tǒng)窗戶一樣，主要由窗框、玻璃、活動構(gòu)件組成，其中活動構(gòu)件與窗框之間的相對運動依賴導(dǎo)軌；傳感系統(tǒng)部分，由各類的傳感器組成，主要用于收集需要進(jìn)行判斷的數(shù)據(jù)；電控驅(qū)動部分，由步進(jìn)電機、相應(yīng)的聯(lián)軸器以及各種檢測電路組成，用于判斷環(huán)境情況并根據(jù)環(huán)境情況選擇性地給機械傳動結(jié)構(gòu)提供動力；機械傳動部分由電磁連接開關(guān)、絲杠及在上面運動的滑塊組成，是控制窗戶開關(guān)的執(zhí)行部分[5]。基本工作過程為：傳感器接收環(huán)境信號，并將信號傳給對應(yīng)檢測電路，檢測電路根據(jù)設(shè)定好的程序控制步進(jìn)電機，步進(jìn)電機控制絲杠機構(gòu)以及電磁連接件的連接與松開，進(jìn)而控制窗戶的開關(guān)。

2.2 智能窗戶的控制要求

本設(shè)計系統(tǒng)主要是基于STM32F4單片機的控制，根據(jù)室內(nèi)的空氣狀況、室外情況以及是否有人接近來控制窗戶的開合。

本設(shè)計主要有以下幾個控制要求：

（1）當(dāng)外界有雨時，雨水傳感器感應(yīng)到信號，并將其傳輸給單片機，由單片機來控制窗戶的閉合；

（2）當(dāng)有人在窗口停留時，將阻止紅外探測器發(fā)射和接收路徑，設(shè)置一定時間后窗戶將被關(guān)閉，并發(fā)出報警信號；

（3）當(dāng)晝夜交替時，信號會被光強傳感器接收，并將其傳輸給單片機，以控制天黑時窗戶的閉合。

（4）當(dāng)室內(nèi)一氧化碳含量達(dá)到一定濃度時，裝置會發(fā)出警報，并自動打開窗戶[6]。

2.2.1 智能窗戶控制原理

該智能窗戶本著為用戶提供更舒適便捷的生活條件、提高生活水平的目的，利用了步進(jìn)電機和絲杠的傳動機構(gòu)，通過電磁磁力機構(gòu)聯(lián)接窗體，實現(xiàn)開關(guān)動作，控制系統(tǒng)結(jié)合光敏傳感器、雨滴傳感器、CO傳感器等多種傳感元器件實現(xiàn)了面對下雨、煤氣泄漏、早晚光線改變等不同的環(huán)境條件自動控制窗戶的開合的功能[7]。

一般情況下，在智能化控制系統(tǒng)中，核心控制元件會采用PLC[8]或者單片機。本智能化控制系統(tǒng)采用了STM32F4單片機，系統(tǒng)運行更穩(wěn)定，避免了使用過多的繼電器，簡化了設(shè)計，控制更加靈活、安全；可檢測故障，盡可能保障運行的安全；可實現(xiàn)報警功能，實時監(jiān)測；能夠復(fù)雜控制系統(tǒng)，可便于添加子功能，以實現(xiàn)更多的功能，且成本低廉、執(zhí)行可靠。

2.2.2 確定智能窗戶執(zhí)行方案

當(dāng)傳感器感受到外界變化后，將信號傳輸給單片機，然后通過聯(lián)軸器將電機的轉(zhuǎn)動以螺旋傳動的方式轉(zhuǎn)化為滾珠絲杠上滑塊的直線運動，進(jìn)而實現(xiàn)窗戶的開閉。

此方案不僅能夠使窗戶完成在不同環(huán)境下做出相應(yīng)操作的功能，而且擁有運行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、傳動精度高、磨損較小、使用壽命長等優(yōu)點。

綜上所述，可設(shè)計出窗體模型如圖3所示。

3 智能窗戶硬件設(shè)計與選型計算

3.1 智能窗戶的組成參數(shù)

根據(jù)窗戶的開閉狀態(tài)和載荷的重量，選擇

的執(zhí)行機構(gòu)組成如圖4所示。窗體移動速度

為3.2 m/min，窗體的重量w＝10 kg，尺寸為1500 mm×600 mm，定位精度20 μm，重復(fù)定位精度15 μm，摩擦因數(shù)u＝0.2。

3.2 滾珠絲杠副的尺寸選擇計算[9]

3.2.1 初算導(dǎo)程

導(dǎo)程計算如下：

式中： 為滾珠絲杠的導(dǎo)程，mm； 為滾珠絲杠副的最大移動速度，即窗體移動速度，根

據(jù)窗戶大小與開關(guān)窗時間選定為3200 mm/min； 為滾珠絲杠的最大相對轉(zhuǎn)速，即電機最大轉(zhuǎn)速，初步選定為400 r/min。

計算得 ＝8 mm。

3.2.2 計算額定動載荷

3.2.5 確定絲杠的規(guī)格型號

查表[10]，按上述估算的Ph、Cam及dzm的值，選出合適的規(guī)格為T8-2-D8。

3.2.6 滾動軸承型號選擇

選型原因：不僅要求滾珠絲杠副精度高，還要求支撐的設(shè)計要滿足高精度、高剛度。還要注意對于軸向剛度、摩擦力矩、高精度運動軸承等的選擇。螺釘主要承受軸向載荷（徑向載荷除外）。在一般情況下，主軸承螺釘無外部負(fù)載時，需要更高的精度和軸向剛度，且摩擦力矩要盡可能小。

組配方式：采用背靠背組配方式，此類組配方式中，力的作用線向外側(cè)發(fā)散，使得軸承有效支點距離增大，這種組配方式可以同時承受軸向載荷和徑向載荷，且其承受傾斜力矩的能力較高。

因此，選擇與絲杠配套的KP08帶座軸承[11]。

3.3 聯(lián)軸器選型

選定金屬滑塊聯(lián)軸器，查表得D＝20 mm、m＝0.45 kg[12]。

3.4 電動機選型

為實現(xiàn)較高的精度要求，同時保持負(fù)載運行穩(wěn)定，參考對比同類型裝置，選取電動機的步進(jìn)角1.8°，電壓3.6 V，電流1.7 A，相數(shù)3，最大轉(zhuǎn)矩0.5 N·m，重量1.1 kg，轉(zhuǎn)速360 r/min。

3.5 傳感器選型

傳感器方面需要包括的類型有光強傳感器、氣敏傳感器、雨滴傳感器以及人體紅外感應(yīng)探頭。光強傳感器選擇高精度MAX44009模塊、串口光強度模塊；氣敏傳感器選擇MQ-9一氧化碳、可燃?xì)怏w傳感器；雨滴傳感器選擇

一般的雨水模塊傳感器；人體紅外感應(yīng)探頭選擇HC-SR501、RD-624人體紅外感應(yīng)電子模塊傳感器[13]。圖5～圖8為不同類型的傳感器。

4 智能窗戶控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1 單片機的選擇

本設(shè)計選擇意法半導(dǎo)體集團(tuán)的STM32F4系列單片機，如圖9所示。它是基于ARM公司Cortex-M4內(nèi)核的高性能微控制器，具有以下幾方面的優(yōu)點：

（1）12位ADC，數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換速度高；

（2）CPU運算速度快，指令豐富，存儲容量大，適應(yīng)現(xiàn)代控制技術(shù)；

（3）I/O點多、響應(yīng)迅速，適應(yīng)實時控制的要求；

（4）通訊組網(wǎng)能力強，配有全雙工I2C、高速SPI和高速USART；

（5）高可靠性，集合了CPU模塊，輸入/輸出模塊，通訊模塊，結(jié)構(gòu)簡化，易于使用。

4.2? I/O端口的分配

本設(shè)計所選單片機為STM32F407ZGT6，開發(fā)板為正點原子探索者開發(fā)板[14]，各傳感器鏈接I/O端口如表1所示。

5 軟件實現(xiàn)

5.1 基本原理

該設(shè)計的軟件實現(xiàn)的基本原理是，通過預(yù)先下載入單片機的程序，控制單片機循環(huán)檢測各個傳感器的狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)反饋控制電機轉(zhuǎn)動，從而帶動機構(gòu)實現(xiàn)窗戶的開關(guān)。其中，雨水傳感器、一氧化碳傳感器均選擇開關(guān)量作為輸出量，主要原因為該設(shè)計基本功能實現(xiàn)無需判斷雨水、一氧化碳的具體含量，僅使用開關(guān)量作為輸出量，大大簡化了程序的復(fù)雜程度，從而提高了檢測與判斷的效率。光強傳感器選擇使用具體量作為輸出量，單位為Lux，當(dāng)光強小于1 Lux時，即認(rèn)定黑天，控制電機運轉(zhuǎn)。電機使用常見的脈沖寬度調(diào)制（pulse-widthmodulation，PWM）輸出控制，通過改變連接引腳的高低電平控制電機正、反轉(zhuǎn)，脫機、待機等。而防夾功能則通過人體傳感器輸出的開關(guān)量觸發(fā)中斷實現(xiàn)。

5.2? STM32F4編程

5.2.1 電動機編程

電動機采用PWM輸出控制。在程序中，設(shè)立了兩個變量，分別記錄需要發(fā)送的脈沖數(shù)以及已經(jīng)發(fā)送的脈沖數(shù)，當(dāng)需要發(fā)送的脈沖數(shù)和已經(jīng)發(fā)送的脈沖數(shù)不相等時，通過定時器2以2000 Hz的頻率觸發(fā)中斷發(fā)送脈沖，直到需要發(fā)送的脈沖數(shù)與已經(jīng)發(fā)送的脈沖數(shù)相等，電機控制結(jié)束。對于電機正反轉(zhuǎn)的控制，當(dāng)需要發(fā)送的脈沖數(shù)大于已經(jīng)發(fā)送的脈沖數(shù)時，電機正轉(zhuǎn)，反之反轉(zhuǎn)。

另外，為了在電機空閑時節(jié)約能源，程序中設(shè)立了一個標(biāo)志位變量，作為判斷需要發(fā)送的脈沖數(shù)和已經(jīng)發(fā)送的脈沖數(shù)是否相等的標(biāo)志位，若兩個脈沖數(shù)一致，則關(guān)閉電機電源，反之開啟電源，運轉(zhuǎn)電機，直至兩個脈沖數(shù)一致。

5.2.2 傳感器編程

雨水傳感器、一氧化碳傳感器使用開發(fā)板自帶的3.3 V電源供電，使用開關(guān)量作為輸出量。在程序主函數(shù)的while循環(huán)中反復(fù)檢測其開關(guān)量數(shù)值，當(dāng)出現(xiàn)雨水預(yù)警、一氧化碳預(yù)警時，單片機首先控制蜂鳴器報警，雨水預(yù)警會

觸發(fā)短暫的蜂鳴聲，而涉及生命危險的一氧化碳預(yù)警會觸發(fā)較長的蜂鳴聲，隨后單片機判斷窗戶開關(guān)狀態(tài)，從而作出反應(yīng)。當(dāng)發(fā)生一氧化碳預(yù)警時，如果用戶在開窗的情況下，電機并不會運轉(zhuǎn)，但是蜂鳴器仍會正常工作，發(fā)出警報。

光強傳感器自帶一枚MCU處理片上各個傳感器的綜合數(shù)據(jù)，并通過串口通信的方式發(fā)送給單片機。在串口接收完畢后，單片機讀取光強并換算，得到以Lux為單位的光強數(shù)值。當(dāng)此數(shù)值小于1時，可以近似認(rèn)為進(jìn)入黑天的狀態(tài)，從而控制窗戶關(guān)閉。由于黑天不存在預(yù)警情況，故此傳感器不會觸發(fā)蜂鳴器報警。

人體傳感器作為防夾功能實現(xiàn)的傳感器。由于人體傳感器通過紅外線探測到人體后輸出高電平，故在程序中設(shè)置上升沿觸發(fā)的外部中斷，當(dāng)人體傳感器檢測到人體后輸出高電平觸發(fā)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)。中斷服務(wù)函數(shù)首先清除中斷線上的中斷標(biāo)志位（此行動僅需要ms級時間，不影響安全性），隨后立即停止控制PWM輸出的定時器2，電機隨之停止運轉(zhuǎn)[15]。

5.2.3 其他

除了傳感器、電動機的編程外，還涉及到按鍵、小型液晶顯示屏、串口的基本外設(shè)編程。其中，為了實時反饋各項指標(biāo)，程序中設(shè)計了“智能窗系統(tǒng)監(jiān)控”的用戶界面，可在開發(fā)板配備的3.5寸液晶顯示屏上實時看到雨水、一氧化碳、光強等各項指標(biāo)的狀態(tài)，同時也可以顯示電機的脈沖數(shù)，方便技術(shù)人員調(diào)試。

6 結(jié)論

本設(shè)計針對智能家居系統(tǒng)的使用要求，采用STM32、傳感器、絲杠與窗戶等進(jìn)行了全自動智能化設(shè)計，克服了傳統(tǒng)窗戶的可靠性較低，通風(fēng)性不好，穩(wěn)定性較差，自動化程度不高的缺點，逐步實現(xiàn)可靠性強，使用方便，高效利用，維護(hù)簡單等特點。

本設(shè)計具有以下優(yōu)點：

（1）自動化程度高；

（2）系統(tǒng)具有故障和管理能力，即可以通過自動、手動控制兩種方式來確保窗戶的開啟與關(guān)閉；

（3）STM32與傳感器相結(jié)合，設(shè)計較合理，運用較先進(jìn)；

（4）采用絲杠傳動，精度高、反應(yīng)快、傳動平穩(wěn)；

（5）設(shè)計了一種由3D打印[16]制作出的電磁連接開關(guān)，實現(xiàn)絲杠滑塊與窗戶活動構(gòu)建件之間選擇性的斷連。

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收稿日期：2022-10-11

作者簡介：單申（2003－），男，山東菏澤人，主要研究方向為機械電子工程，E-mail：ss15562081756@163.com；盧學(xué)玉（1974－），女，江蘇淮安人，碩士，副教授，主要研究方向為機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計及理論。