曹建斌 郭龍飛 李雯 宋偉薇 陳鶴天 陳志彬

摘要：隨著當(dāng)今社會(huì)的進(jìn)步，智能家居是未來發(fā)展的必然趨勢，需要思考如何讓智能的生活更快的走進(jìn)人們的日常生活。對此本項(xiàng)目通過對窗戶研究和改造。讓窗戶具備一些智能的功能。讓窗戶變得自動(dòng)化以及智能化。來降低因忘記關(guān)閉窗戶，而導(dǎo)致對私人財(cái)產(chǎn)的損失。本項(xiàng)目主要采用stm32為核心，采用各類傳感器模塊，網(wǎng)絡(luò)模塊。自動(dòng)的感知天氣參數(shù)，以及從網(wǎng)絡(luò)中獲取天氣預(yù)報(bào)等功能。實(shí)現(xiàn)當(dāng)天氣發(fā)生突變時(shí)或者用戶想要直接關(guān)窗戶時(shí)，完成相應(yīng)的操作。

關(guān)鍵詞：智能窗戶;stm32單片機(jī);自動(dòng)檢測;無線通信;遠(yuǎn)程操作

引言

目前我國的智能家居多集中在北上廣深等一線城市，由于其高昂的售價(jià)難以讓其方便普通人的生活。本設(shè)計(jì)通過使用STM32芯片這一低成本但功能強(qiáng)大的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對家中窗戶的智能控制。智能窗戶通過分析當(dāng)前天氣狀況，判斷是否進(jìn)行關(guān)窗的操作。除此之外，本項(xiàng)目在人機(jī)交互方面既可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，也可以使用手機(jī)進(jìn)行控制窗戶的開啟或關(guān)閉，無論房主在何地都可以隨時(shí)控制窗戶的開閉狀態(tài)。

1 項(xiàng)目構(gòu)架

1.1系統(tǒng)構(gòu)架

該機(jī)器能夠通過溫濕度傳感系統(tǒng)對天氣狀況進(jìn)行分析，來實(shí)現(xiàn)對窗戶開閉的功能。如果檢測到空氣中的溫度、濕度不在預(yù)測值的范圍內(nèi)時(shí)，對窗戶進(jìn)行關(guān)閉關(guān)閉或打開處理，同時(shí)通過無線通信模塊向用戶手機(jī)發(fā)送窗戶要進(jìn)行關(guān)閉或打開的信號(hào)。用戶通過無線通信模塊，使用手機(jī)向系統(tǒng)發(fā)送指令，從而使系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

1.2結(jié)構(gòu)構(gòu)架

該設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)搭建由3D打印機(jī)打印完成，采用平開窗的結(jié)構(gòu)，借鑒了緩沖閉門器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將窗戶與步進(jìn)電機(jī)連接將主控安裝在窗戶背面與窗戶機(jī)械臂相連，將數(shù)據(jù)采集模塊安裝在窗戶正面，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)讀取到的數(shù)據(jù)感知到為雨雪天氣時(shí)，控制步進(jìn)電機(jī)開始工作，使窗戶進(jìn)行工作，我們利用solidworks軟件對于其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一個(gè)簡單的描繪，如圖1所示。

2系統(tǒng)的電路硬件設(shè)計(jì)

2.1主控芯片

采用STM32F103ZET6芯片作為主控，該系列微處理器工作頻率為72MHz，內(nèi)置高達(dá)128K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器和20K字節(jié)的SRAM，具有豐富的通用I/O端口[1]，可快速處理各種復(fù)雜事件，計(jì)算能力強(qiáng)悍，與各種模塊相互配合，快速準(zhǔn)確的判斷天氣狀況以及向舵機(jī)發(fā)出指令。

2.2傳感器模塊

（1）使用DHT22溫度濕度傳感器進(jìn)行空氣中溫濕度的判斷，該傳感器具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上。產(chǎn)品連接方便，可直接插接到Arduino傳感器擴(kuò)展板上。

（2）使用光感雨滴傳感器對雨的大小進(jìn)行判斷，當(dāng)玻璃上沒有雨滴時(shí)，由發(fā)出的大部分光都折射出擋風(fēng)玻璃，反射回來被接收的光強(qiáng)很少;當(dāng)玻璃上雨滴較多時(shí)，被擋風(fēng)玻璃反射回來由接收的光強(qiáng)增加，于是傳感器輸出發(fā)生變化。

（3）使用HA2003 光照傳感器對陽光強(qiáng)度進(jìn)行判斷，采用先進(jìn)光電轉(zhuǎn)換模塊，將光照強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化為電壓值，再經(jīng)調(diào)理電路將此電壓值轉(zhuǎn)換為0～2V或4～20mA。高精度的光照強(qiáng)度測量體積小巧，IP65防護(hù)等級設(shè)計(jì)傳感器結(jié)實(shí)、耐腐蝕響應(yīng)速度快，<1秒可選用電壓或電流輸出，電流輸出在長纜線傳輸?shù)臅r(shí)候沒有信號(hào)衰減，可以精準(zhǔn)的測量出光照強(qiáng)度。

2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本作品采用L298N作為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，L298N是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V;輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A;額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載;采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制;具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作;可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。

2.4 顯示模塊

選用用led顯示器模塊進(jìn)行傳感器模塊檢測的參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示使用用戶家中的溫濕度的變換以及窗戶的狀態(tài)。led顯示器采用二極管制與半導(dǎo)體的結(jié)合其生產(chǎn)材質(zhì)與制作的工藝，突破了原有光亮、顏色的限制，大量應(yīng)用藍(lán)色二極管、純綠色發(fā)光二極管，提升了顯示光亮度。進(jìn)而提升了LED顯示屏幕在室外環(huán)境中的優(yōu)勢，可適應(yīng)不同顯示要求，提升LED在不同環(huán)境中的有效價(jià)值。

2.5 人機(jī)交互

（1）通過制作小程序來實(shí)時(shí)了解室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，該軟件具有跨平臺(tái)，無需安裝，便于升級維護(hù)，用戶體驗(yàn)優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。小程序中具有用戶中心，進(jìn)行保存用戶的搜索記錄及用戶關(guān)注的項(xiàng)目，便于用戶下次登錄時(shí)直接查看。

（2）通過無線通信模塊（型號(hào)為NRF24LO1）以及Wi Fi模塊對窗戶的開關(guān)進(jìn)行遙控，并對工作模式進(jìn)行切換。利用該設(shè)備就能夠無線接入網(wǎng)絡(luò)并接收數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)向串口設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，對串口設(shè)備遠(yuǎn)程無線控制的功能。無線通信具有性能好，穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。

3 作品設(shè)計(jì)

3.1 窗體機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

該窗體主要有窗框、窗戶、電機(jī)及無線通信模塊等構(gòu)成，小程序?qū)χ鳈C(jī)傳送指令，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控窗戶的開關(guān)，窗體機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及窗戶預(yù)覽圖如圖2，圖3所示。

3.2 窗體機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以Keil 為編程軟件，以C語言為編程語言，以STM32為控制中心，結(jié)合各類傳感器檢測數(shù)據(jù)，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)窗戶的自動(dòng)開啟與關(guān)閉功能。該系統(tǒng)擬采用兩種工作模式，即自動(dòng)模式與小程序遠(yuǎn)程控制模式，用戶可通過小程序切換工作模式。自動(dòng)模式工作流程如圖4所示，小程序遠(yuǎn)程控制模式工作流程如圖5所示。

4 智能窗戶的調(diào)試

本款智能窗戶以STM32單片機(jī)為主控板，結(jié)合相應(yīng)傳感器及時(shí)獲取室內(nèi)外環(huán)境的相應(yīng)情況，通過將信息傳回主控板處理，得出室內(nèi)環(huán)境的相關(guān)信息，同時(shí)，根據(jù)其具體情況做出應(yīng)對措施，并用屏幕顯示相關(guān)信息。利用無線通信模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式與遙控模式的切換，完成遙控模式下對窗戶打開與閉合的操作。智能窗戶系統(tǒng)運(yùn)行情況如圖6所示。

5結(jié)語

以現(xiàn)有的實(shí)體窗戶為基礎(chǔ)，將單片機(jī)控制技術(shù)和傳感器應(yīng)用技術(shù)等有機(jī)地融合到一起，共同構(gòu)建了智能窗戶平臺(tái)。通過該智能窗戶的實(shí)踐，達(dá)到了預(yù)期的效果。智能窗戶的應(yīng)用越來越廣泛，該裝置的研究對后續(xù)同類產(chǎn)品的研究具有重要意義。

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