吳帆 王志寶 施成

摘? 要： 針對(duì)目前的建筑遮陽研究狀況及市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)了一種智能型光伏百葉窗防盜報(bào)警裝置，既有智能遮陽功能、又能光伏發(fā)電并且具有防盜短信報(bào)警能力。本裝置由光伏板與遮陽葉片組成陣列，可根據(jù)外界環(huán)境氣候及一年四季太陽運(yùn)行的變化而自動(dòng)調(diào)整葉片角度，取得符合設(shè)計(jì)要求的遮陽效率及發(fā)電量。通過無線模塊把室內(nèi)的溫度、濕度、光照度傳送至手機(jī)界面上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境情況，并可以一鍵開啟光伏百葉窗，單片機(jī)通過外接光敏電阻采集室外光強(qiáng)變化，也可根據(jù)雨滴傳感器采集的天氣情況，為葉片運(yùn)行提供輸入信號(hào)。系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的智能家庭防盜裝置可以檢測(cè)家中是否有人未經(jīng)許可進(jìn)入，如果發(fā)生異常情況則通過GSM模塊及時(shí)將提醒短信發(fā)送給用戶。本裝置通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞： 光伏;智能遮陽;防盜

中圖分類號(hào)： TU17? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.006

【Abstract】： In view of the current research status and market demand of building sun shading， a kind of intelligent PV blinds anti-theft alarm device has been designed， which not only has intelligent sun shading function， but also can generate photovoltaic power， and has the ability of security short message alarm. This device consists of photovoltaic panel and sunshade blade array， which can automatically adjust the blade angle according to the environment climate and the change of the solar running of the four seasons of the year， and obtain the sun shading efficiency and the power generation quantity that meet the design requirements. Through the wireless module， the indoor temperature， humidity and light illumination are transmitted to the mobile phone interface， and the indoor environment is monitored in real time， and the photovoltaic shutters can be opened at one key. The single chip microcomputer collects the outdoor light intensity through the external photosensitive resistance， and can also provide the input letter for the blade operation according to the sky gas situation collected by the raindrop sensor. Number. The intelligent family burglar device of the system can detect whether there is an unauthorized entry in the home. If there is an abnormal situation， a reminder message is sent to the user in time through the GSM module. The feasibility of the system design is verified by experimental simulation.

【Key words】： Photovoltaic; Intelligent sunshade; Anti-theft

0? 引言

光伏發(fā)電與建筑相結(jié)合（BIPV）是光伏發(fā)電大規(guī)模推廣應(yīng)用的重要發(fā)展方向，而與建筑遮陽相結(jié)合是其主要實(shí)現(xiàn)形式之一，對(duì)于節(jié)約建筑能耗、改善室內(nèi)環(huán)境及以可再生能源替代傳統(tǒng)石化能源等具有重要意義[1]。對(duì)建筑遮陽的研究大多從建筑學(xué)的角度來進(jìn)行，缺乏全面的、系統(tǒng)的具備工程指導(dǎo)意義的研究。一般僅以傳統(tǒng)的單片遮陽板為研究對(duì)象進(jìn)行理論分析，對(duì)以百葉窗形式為代表的現(xiàn)代遮陽技術(shù)的理論分析及具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、安裝研究很少，特別是對(duì)代表遮陽發(fā)展趨勢(shì)的智能控制遮陽系統(tǒng)的研究更是少見，與現(xiàn)代建筑遮陽的發(fā)展要求有一定的差距。

針對(duì)目前的建筑遮陽研究狀況及市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)了一種智能型光伏百葉窗防盜報(bào)警裝置，既有智能遮陽功能、又能光伏發(fā)電并且具有防盜短信報(bào)警能力。本裝置由光伏板與遮陽葉片組成陣列，可根據(jù)外界環(huán)境氣候及一年四季太陽運(yùn)行的變化而自動(dòng)調(diào)整葉片角度，取得符合設(shè)計(jì)要求的遮陽效率及發(fā)電量。所有葉片均由單片機(jī)集中統(tǒng)一控制，同時(shí)每列葉片又可單獨(dú)接受手動(dòng)或遙控控制。通過無線模塊把室內(nèi)的溫度、濕度、光照度傳送至手機(jī)界面上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境情況，并可以一鍵開啟光伏百葉窗，單片機(jī)通過外接光敏電阻采集室外光強(qiáng)變化，也可根據(jù)雨滴傳感器采集的天氣情況，為葉片運(yùn)行提供輸入信號(hào)。葉片由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)間來控制葉片角度。光伏陣列所產(chǎn)生的電能可為電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供電力，并可組成獨(dú)立供電系統(tǒng)為其他設(shè)備供電，條件允許時(shí)可直接并入電網(wǎng)，同時(shí)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的智能家庭防盜裝置可以檢測(cè)家中是否有人未經(jīng)許可進(jìn)入，如果發(fā)生異常情況則通過GSM模塊及時(shí)將提醒短信發(fā)送給用戶[2-4]。本裝置通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

1? 設(shè)計(jì)方案

本裝置設(shè)計(jì)主要解決支撐結(jié)構(gòu)及遮陽板（葉片）設(shè)計(jì);電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);光伏遮陽控制系統(tǒng)設(shè)計(jì);光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì);防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)問題。

1.1? 光伏控制系統(tǒng)原理

光伏發(fā)電板是貼在百葉窗扇葉的表面的，通過在窗外設(shè)置兩個(gè)光敏電阻，比較它們接受的光照強(qiáng)度來確定哪個(gè)方向的光照比較強(qiáng)。隨后通過步進(jìn)電機(jī)去調(diào)節(jié)百葉窗的傾角，使得光伏板始終接收到最大的光照強(qiáng)度，提高發(fā)電效率。其控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2? 智能光伏百葉窗模塊

當(dāng)使用自動(dòng)模式時(shí)，該裝置不僅可以自動(dòng)追蹤太陽光，而且可以在適當(dāng)?shù)那闆r下進(jìn)行自動(dòng)開閉。如果在打開百葉窗時(shí)，外面下雨了，這時(shí)候百葉窗就會(huì)自動(dòng)感知，幫用戶自動(dòng)關(guān)閉百葉窗，同時(shí)還可以在設(shè)置界面中設(shè)定最小光照強(qiáng)度，當(dāng)兩個(gè)光敏電阻都檢測(cè)到光照強(qiáng)度低于設(shè)定值時(shí)也會(huì)自動(dòng)幫用戶關(guān)閉百葉窗[5]。當(dāng)使用手動(dòng)模式時(shí)，百葉窗不再追蹤太陽光，需要通過系統(tǒng)中的“模式切換”按鈕先切換進(jìn)手動(dòng)模式，然后通過“上”“下”按鈕去調(diào)整葉片打開角度，使得用戶能夠根據(jù)自己的喜好調(diào)成最需要的角度。如圖2所示光伏百葉窗控制系統(tǒng)框圖。

1.3? 基于GSM防盜報(bào)警模塊

當(dāng)家里無人時(shí)，可把防盜報(bào)警模塊設(shè)置為外出防盜狀態(tài)，當(dāng)有人闖入時(shí)，熱釋電紅外傳感器開始工作，設(shè)置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的紅外探頭將人體輻射的紅外光譜變換成電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、比較、輸出高電平作為告警信息送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理運(yùn)算后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行短信報(bào)警電路使GSM模塊，向用戶發(fā)送短信息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程防盜報(bào)警功能[6-8]。基于GSM短信模塊的家庭防盜報(bào)警系統(tǒng)組成如圖3所示。

2? 控制系統(tǒng)

雖然百葉窗在千家百戶中都得到廣泛的應(yīng)用，但是大多數(shù)的百葉窗都是固定在一個(gè)角度，不能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，因此使用的場(chǎng)景十分有限，

所以研究出一個(gè)智能的百葉窗系統(tǒng)是很有必要的。在日常生活中，開關(guān)窗戶主要就是為了遮擋風(fēng)雨。如果百葉窗能夠自動(dòng)幫助用戶開閉窗戶就能真正地做到了智能。而且建筑物的立面接受太陽光照的時(shí)間是特別長的，如果能夠再引入光伏發(fā)電系統(tǒng)就更能夠迎合環(huán)保的要求，真正的做到節(jié)能又智能。

2.1? 主控制系統(tǒng)和外圍電路設(shè)計(jì)

智能百葉窗主控制系統(tǒng)是以STC89C52單片機(jī)為核心的，其最小系統(tǒng)的復(fù)位電路由電容，電阻和按鈕組成。首先將編輯好的hex燒錄到單片機(jī)的內(nèi)部，然后接通單片機(jī)電源，單片機(jī)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，完成啟動(dòng)，單片機(jī)就進(jìn)入初始工作狀態(tài)，按照設(shè)定執(zhí)行程序。當(dāng)電路中出現(xiàn)干擾，死機(jī)等狀況時(shí)，可以按下復(fù)位按鈕，這樣就可以使程序從頭開始執(zhí)行。

2.2? 光線傳感電路設(shè)計(jì)

通過在設(shè)置界面設(shè)定光線的閾值，當(dāng)光線低于閾值時(shí)，百葉窗就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。同時(shí)，兩個(gè)光線傳感器感應(yīng)光線的強(qiáng)弱，通過ADC 0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器讀取數(shù)據(jù)，發(fā)送給核心單片機(jī)進(jìn)行比較，單片機(jī)判斷出光線最強(qiáng)的方向，隨后控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)整百葉窗葉片的角度，使得光伏板的發(fā)電效率達(dá)到最高。

2.3? 雨水傳感電路設(shè)計(jì)

雨水傳感電路通過雨滴傳感器感知有無雨滴下落，如果沒有雨滴下落，雨滴傳感器DO輸出為高電平，如果有雨滴下落，DO輸出為低電平。當(dāng)雨水干燥后，又恢復(fù)到高電平狀態(tài)。將DO口連接到單片機(jī)的引腳上，可以通過檢測(cè)引腳上電平的高低來確定是否有雨滴下落，若有雨滴下落關(guān)閉百葉窗，防止雨水打進(jìn)屋內(nèi)，若雨水停止后，再自動(dòng)重新開啟百葉窗。

2.4? 顯示電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)友好的思想，方便用戶根據(jù)不同情況調(diào)節(jié)百葉窗。采用了LCD1602液晶顯示屏，在首頁上可以顯示出裝置所處的模式，時(shí)鐘以及光照強(qiáng)度。模式顯示可以方便用戶查看當(dāng)前所處模式狀態(tài)，防止模式的混亂。時(shí)鐘顯示可以方便用戶即時(shí)查看時(shí)間，依據(jù)時(shí)間來設(shè)定百葉窗的開啟;光照強(qiáng)度顯示方便用戶了解當(dāng)前光照強(qiáng)度，方便用戶根據(jù)光照強(qiáng)度設(shè)定百葉窗的開啟。在設(shè)置頁面上有時(shí)間設(shè)置和光照閾值設(shè)置選項(xiàng)。時(shí)間設(shè)置選項(xiàng)可以方便用戶調(diào)節(jié)時(shí)間，類似鐘表的時(shí)間設(shè)置。光照閾值設(shè)置選項(xiàng)能夠讓用戶根據(jù)自己的喜好，設(shè)定百葉窗自動(dòng)關(guān)閉的閾值。

2.5? 步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)百葉窗葉片翻轉(zhuǎn)角度變化的執(zhí)行器件是步進(jìn)電機(jī)，通過步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)葉片角度的改變。將步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片相連，驅(qū)動(dòng)芯片又與單片機(jī)相連，接通電源后，STC89C52根據(jù)寫入的指令開始執(zhí)行，設(shè)置好什么情況下電機(jī)正轉(zhuǎn)，電機(jī)就會(huì)正轉(zhuǎn);什么情況下電機(jī)反轉(zhuǎn)就會(huì)反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)連接到單片機(jī)，通過給特定的I/O口拉低電平來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.6? 無線模塊設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中采用的是HLK-M35無線模塊，是海凌科電子新推出的低成本嵌入式UART-WIFI（串口-無線網(wǎng)）模塊。本產(chǎn)品是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口-無線網(wǎng)（WIFI）之間的轉(zhuǎn)換。通過HLK-M35模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過Internet 網(wǎng)絡(luò)傳輸自己的數(shù)據(jù)[9-10]。

2.7? 人體感應(yīng)模塊電路設(shè)計(jì)

利用被動(dòng)式熱釋電型紅外傳感器檢測(cè)人體輻射的紅外線，當(dāng)檢測(cè)到紅外信號(hào)變化時(shí)，將其轉(zhuǎn)化為微弱的電信號(hào)，經(jīng)放大電路、比較電路送至門限開關(guān)，打開門限閥門送至單片機(jī)，單片機(jī)判斷是否報(bào)警，如果滿足報(bào)警條件，就會(huì)發(fā)出控制信號(hào)，控制GSM短信模塊給用戶發(fā)短信息，實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警[11-13]。

2.8? GSM模塊電路設(shè)計(jì)

SIM900A模塊主要通過數(shù)據(jù)信號(hào)線TXD和

RXD串口與單片機(jī)進(jìn)行連接，從而單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)SIM900A模塊的控制。RXD數(shù)據(jù)接收信號(hào)線用于接收來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)，TXD數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)線用于向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)[14-15]。如圖4所示GSM防盜報(bào)警裝置原理圖。

3? 智能型光伏百葉窗實(shí)物平臺(tái)搭建

3.1? 電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由電池板支架，轉(zhuǎn)動(dòng)軸，底座，步進(jìn)電機(jī)和傳動(dòng)條構(gòu)成，如圖5所示。機(jī)械裝置由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以使百葉窗葉片在垂直方向進(jìn)

行90°的轉(zhuǎn)動(dòng)。控制部分主要由STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)大致為在其中一塊葉片的末端安裝步進(jìn)電機(jī)，然后通過傳動(dòng)條將動(dòng)力傳送給其他的葉片，進(jìn)而所有的百葉窗葉片都能夠同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，光敏電阻被分別固定在葉片的上下兩側(cè)來檢測(cè)光線強(qiáng)弱。

3.2? 支撐結(jié)構(gòu)及遮陽板（葉片）設(shè)計(jì)

遮陽系統(tǒng)安裝于室外，按水平方向布置，水平形式能夠有效地遮擋太陽高度角較小、從窗側(cè)向斜射下來的直射陽光。系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)在其中一塊光伏葉片的末端安裝步進(jìn)電機(jī)，然后通過傳動(dòng)條將動(dòng)力傳送給其他的光伏葉片，進(jìn)而所有的光伏百葉窗葉片都能夠同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.3? 光電轉(zhuǎn)換電路工作原理

光電互補(bǔ)電路工作原理是由光電互補(bǔ)裝置接收太陽光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)所采集到的信號(hào)，由單片機(jī)分析得最終控制的步進(jìn)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)向來達(dá)到光伏板，使其始終是垂直于入射光線，從而達(dá)到利用光伏板的最高效率。光照強(qiáng)度檢測(cè)電路當(dāng)光線遠(yuǎn)離光伏板時(shí)上邊光敏電阻，則會(huì)給單片機(jī)信號(hào)使其控制驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)水平步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)使光伏板跟隨光線上轉(zhuǎn)。光照檢測(cè)下邊光敏電阻，遠(yuǎn)

離光伏板時(shí)則實(shí)時(shí)傳輸給單片機(jī)信號(hào)使其控制驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)水平步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)使電池板跟隨光線下轉(zhuǎn)。

4? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1? 主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

4.2? 時(shí)鐘模塊子程序

此設(shè)計(jì)就是在用戶設(shè)定好的時(shí)間后可以使單片機(jī)接到一個(gè)中斷信號(hào)，進(jìn)而發(fā)出對(duì)照的指令就可以控制百葉窗的開啟或者關(guān)閉。其流程圖如圖7所示：

4.3? 光伏模塊子程序

光伏模塊子程序其流程圖如圖8所示：

5? 操作方法

日常生活中使用智能型光伏百葉窗的流程圖如圖9所示。

（1）早上起床后用戶先按下“電源”按鈕接通百葉窗電源，然后通過按下“模式切換”按鈕切換成手動(dòng)模式，手動(dòng)控制百葉窗的開閉，進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖覂?nèi)通風(fēng)。

（2）外出前用戶可以再次按下“模式切換”按鈕，調(diào)節(jié)成自動(dòng)模式，讓百葉窗根據(jù)光照強(qiáng)度自動(dòng)追蹤太陽光，達(dá)到最大的發(fā)光效率。如果在外出期間下雨，智能百葉窗能夠自動(dòng)檢測(cè)雨水，將百葉窗關(guān)閉。在此期間，防盜報(bào)警模塊將開啟，自動(dòng)監(jiān)測(cè)是否有人闖入。

（3）下班后可以再次按下“模式切換”按鈕調(diào)節(jié)回手動(dòng)模式，根據(jù)用戶的需求再進(jìn)行適量的通風(fēng)。

這時(shí)，防盜報(bào)警模塊也將關(guān)閉，防止因戶主的活動(dòng)而產(chǎn)生誤判。

（4）晚上睡覺前可以先調(diào)整好需要的葉片角度，然后按下“電源”按鈕關(guān)閉百葉窗，使百葉窗固定在特定的角度，以保證室內(nèi)適量的通風(fēng)，并遮擋室外的城市光污染。

6? 仿真與調(diào)試

本設(shè)計(jì)部分仿真效果如圖10所示，共實(shí)現(xiàn)四個(gè)功能：手動(dòng)控制，光敏控制，雨滴控制和定時(shí)控制

四種。用S1鍵表示雨滴傳感器，當(dāng)按下S1鍵是表示雨滴傳感器上有水，這時(shí)百葉窗就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)傳感器上雨滴已干，這時(shí)百葉窗就會(huì)自動(dòng)打開。S2鍵是自動(dòng)手動(dòng)模式的切換鍵，手動(dòng)模式時(shí)，S4鍵表示反轉(zhuǎn)，S5鍵表示正轉(zhuǎn)。按S1鍵切換到自動(dòng)模式時(shí)，光敏控制，當(dāng)光線大于或小于某設(shè)定值時(shí)，百葉窗就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉;最后一個(gè)是定時(shí)模式，按設(shè)置好自動(dòng)開關(guān)的時(shí)間，當(dāng)?shù)搅怂O(shè)置好的時(shí)間，百葉窗就會(huì)自動(dòng)開關(guān)。

7? 結(jié)語

智能型光伏百葉窗防盜報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)利用光伏技術(shù)和智能控制技術(shù)的結(jié)合，利用機(jī)械裝置不斷改變光伏板的角度，使太陽光不論時(shí)間如何變化，光伏板都能夠保持正向面對(duì)太陽，從而提高對(duì)太陽能的利用率，同時(shí)光伏板發(fā)出的電能可以并入國家電網(wǎng)，這樣能夠享受國家的新能源優(yōu)惠政策，而且不用幾年就可以收回購買裝置的成本。本裝置還可以與防盜設(shè)備進(jìn)行組合聯(lián)動(dòng)，通過加入無線模塊，通過手機(jī)端的APP進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，這樣用戶只需要?jiǎng)觿?dòng)手指就可以實(shí)現(xiàn)模式的切換以及百葉窗角度的調(diào)整，因此應(yīng)用前景很廣。

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