◎陳喬 李玉麗 姜皓銘 黎青霖

引言：隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，智能家居對(duì)人們的生活環(huán)境起著越來(lái)越重要的作用。但是目前無(wú)論是用于家庭住房的窗戶，還是用于商場(chǎng)、醫(yī)院等公共場(chǎng)所的窗戶，都是傳統(tǒng)型窗戶，即需要人操作其開(kāi)啟和關(guān)閉。本文研究了一種可以檢測(cè)環(huán)境中空氣質(zhì)量狀況，既能夠自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，同時(shí)控制后臺(tái)能將檢測(cè)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)發(fā)送給住戶，也能遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)通風(fēng)或者封閉功能的智能窗戶，從而起到保證室內(nèi)空氣質(zhì)量的目的。窗戶同時(shí)也能根據(jù)污染程度用機(jī)械臂進(jìn)行智能清潔，保持窗戶自身的潔凈。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用夏普GP2Y1010AU0 粉塵傳感器、溫濕傳感器AM2301 元件檢測(cè)出系統(tǒng)需要工作的相關(guān)數(shù)值，通過(guò)將所檢測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量發(fā)送到單片機(jī)系統(tǒng)。傳感監(jiān)測(cè)模塊設(shè)置于窗外，用于監(jiān)測(cè)外部空氣信息情況，例如PM2.5 濃度檢測(cè)、有毒氣體檢測(cè)、溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)等，獲取相關(guān)參數(shù)信息。

2.單片機(jī)控制系統(tǒng)。STM32 單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能與不同的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通信。本系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)用ZigBee 和藍(lán)牙無(wú)線傳輸功能做到實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸，將各系統(tǒng)信息傳輸?shù)皆破脚_(tái)主控制信息顯示端，在OLED 屏幕上進(jìn)行顯示，以保證系統(tǒng)的信號(hào)監(jiān)測(cè)以及無(wú)線控制，并將控制信號(hào)傳輸?shù)绞覂?nèi)空氣凈化系統(tǒng)使其運(yùn)行，同時(shí)用戶也能隨時(shí)隨地通過(guò)手機(jī)APP 來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

3.清洗系統(tǒng)。設(shè)計(jì)機(jī)械臂裝置，通過(guò)陀螺儀傳感器來(lái)操作擦窗方向的控制，采用壓力傳感器來(lái)進(jìn)行機(jī)械臂的伸縮控制，通過(guò)這種方式把機(jī)械臂設(shè)計(jì)成可伸縮模式，就能夠?qū)Σ煌叽绲拇皯暨M(jìn)行擦洗，方便實(shí)用。

4.智能警報(bào)系統(tǒng)。當(dāng)本設(shè)計(jì)其他系統(tǒng)工作出現(xiàn)故障或是數(shù)值預(yù)警報(bào)告時(shí)，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊系統(tǒng)傳送到用戶，達(dá)到預(yù)警功能。

5.電力系統(tǒng)及相關(guān)元件選擇。設(shè)計(jì)相關(guān)的電路，來(lái)確保本設(shè)計(jì)各個(gè)系統(tǒng)的電力保障，做好備用電力系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的電路線路和所選擇使用的各種元件要能防水，并能在惡劣天氣持續(xù)工作，減少系統(tǒng)的損耗，保證系統(tǒng)的使用壽命。

二、工作過(guò)程及原理

當(dāng)獲得相關(guān)信息后，傳感檢測(cè)模塊將信息通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊和無(wú)線接收模塊傳送至控制模塊，控制模塊對(duì)參數(shù)信息進(jìn)行判斷，如果在合適范圍內(nèi)，則開(kāi)始判斷當(dāng)前窗戶是否處于打開(kāi)狀態(tài)，如果是打開(kāi)狀態(tài)，則不進(jìn)行任何操作，保證窗內(nèi)和窗外的空氣流動(dòng)，如果當(dāng)前窗戶是處于關(guān)閉狀態(tài)，則使位置檢測(cè)模塊開(kāi)始工作，再使電機(jī)傳動(dòng)模塊開(kāi)始工作，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使窗戶打開(kāi)，此時(shí)當(dāng)位置檢測(cè)模塊感應(yīng)到窗戶達(dá)到窗框的邊界極限位置時(shí)，則通知控制模塊，此時(shí)控制模塊關(guān)閉電機(jī)傳動(dòng)模塊后再關(guān)閉位置檢測(cè)模塊。此時(shí)，窗戶打開(kāi)，窗內(nèi)和窗外開(kāi)始空氣流通。同樣地，如果傳感檢測(cè)模塊將信息由無(wú)憑通訊模塊傳送至控制模塊后，控制模塊判斷當(dāng)前的空氣參數(shù)不在合適范圍內(nèi)，例如PM2.5 濃度超標(biāo)，則開(kāi)始判斷當(dāng)前窗戶是否處于打開(kāi)狀態(tài)，如果是關(guān)閉狀態(tài)，則將報(bào)警信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸傳達(dá)給用戶，用戶決定是否啟動(dòng)清潔系統(tǒng)，清潔系統(tǒng)采用機(jī)械臂加陀螺儀，在窗內(nèi)和窗外的隔絕的同時(shí)確保窗戶干凈：如果當(dāng)前窗戶是處于打開(kāi)狀態(tài)，則使位置檢測(cè)模塊開(kāi)始工作，再使電機(jī)傳動(dòng)模塊開(kāi)始工作，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使窗戶關(guān)閉，此時(shí)當(dāng)位置檢測(cè)模塊感應(yīng)到窗戶達(dá)到窗框的邊界極限位置時(shí)，則通知控制模塊，此時(shí)控制模塊關(guān)閉電機(jī)傳動(dòng)模塊后再關(guān)閉位置檢測(cè)模塊，此時(shí)，窗戶關(guān)閉，窗內(nèi)和窗外相互隔絕，再由用戶決定是否啟動(dòng)清潔。

進(jìn)行以上操作時(shí)，如果傳感檢測(cè)模塊檢測(cè)到空氣質(zhì)量不在合適范圍時(shí)，可以同時(shí)開(kāi)啟報(bào)警模塊，警告相關(guān)人員，得到報(bào)警應(yīng)答后取消報(bào)警。原理如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

三、結(jié)語(yǔ)

本文所提到的窗戶的智能監(jiān)測(cè)和清洗系統(tǒng)，針對(duì)目前智能家居對(duì)空氣質(zhì)量的需求結(jié)合高層建筑玻璃窗和玻璃幕墻的清潔方式存在的不足，提出一種基于STM32 單片機(jī)的窗戶自動(dòng)監(jiān)測(cè)及清洗系統(tǒng)解決方案。對(duì)系統(tǒng)整體功能和總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了描述，介紹了各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)步驟和核心思想。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，表明本系統(tǒng)的性能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的各種功能，能夠在成本、效率、簡(jiǎn)便度等方面取得一個(gè)較好的平衡點(diǎn)。同時(shí)機(jī)械清洗降低了人工對(duì)高層建筑物窗戶外側(cè)清洗時(shí)不安全不方便的因素；設(shè)計(jì)的思想對(duì)于建筑物自動(dòng)化清洗領(lǐng)域也有著重要的參考意義。