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(dòng)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(duì)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(jī)根據(jù)室外環(huán)境完成自動(dòng)開關(guān)窗動(dòng)作的新型居家智能窗。該智能窗主要由步進(jìn)電機(jī)、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(cè)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(dòng)電機(jī)工作，通過動(dòng)力傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)窗戶在室外惡劣環(huán)境時(shí)的自動(dòng)關(guān)閉以及室內(nèi)需要通風(fēng)時(shí)的自動(dòng)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(jì)理念。

關(guān)鍵詞：居家智能窗；滾珠絲杠；STM32；傳感器

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

文章編號(hào)：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]。科技的發(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(guó)外智能窗的研究主要傾向于電致變色的應(yīng)用等，國(guó)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(jì)了一種基于STM32單片機(jī)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(duì)窗戶的自動(dòng)控制，并能做出相應(yīng)的報(bào)警。

實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)安全可靠、功能強(qiáng)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(duì)話”的需求。提高人們的生活質(zhì)量，增強(qiáng)家居生活的安全、舒適性。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方案描述

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

擬設(shè)計(jì)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(qiáng)家居生活的安全、舒適性。

1.2 研究?jī)?nèi)容與實(shí)現(xiàn)方案描述

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

（1）本設(shè)計(jì)對(duì)目前現(xiàn)有智能窗及智能開關(guān)窗裝置從適用分類、傳動(dòng)裝置、適用范圍和智能控制等方面的研究與探討，針對(duì)智能家居未來的發(fā)展方向設(shè)計(jì)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(duì)比[4]，最終選擇以電磁鐵絲杠作為傳動(dòng)裝置的居家智能窗作為最終設(shè)計(jì)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(jì)，這個(gè)設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械傳動(dòng)裝置部分、傳感系統(tǒng)部分、電控驅(qū)動(dòng)部分、機(jī)械傳動(dòng)部分和安全模塊。

（3）運(yùn)用三維建模軟件UG NX 12.0對(duì)升

降旋轉(zhuǎn)式自行車自動(dòng)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(jì)

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(dòng)部分、機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)構(gòu)件組成，其中活動(dòng)構(gòu)件與窗框之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)部分，由步進(jìn)電機(jī)、相應(yīng)的聯(lián)軸器以及各種檢測(cè)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(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)提供動(dòng)力；機(jī)械傳動(dòng)部分由電磁連接開關(guān)、絲杠及在上面運(yùn)動(dòng)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(hào)，并將信號(hào)傳給對(duì)應(yīng)檢測(cè)電路，檢測(cè)電路根據(jù)設(shè)定好的程序控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)控制絲杠機(jī)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(jì)系統(tǒng)主要是基于STM32F4單片機(jī)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(jì)主要有以下幾個(gè)控制要求：

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

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

（3）當(dāng)晝夜交替時(shí)，信號(hào)會(huì)被光強(qiáng)傳感器接收，并將其傳輸給單片機(jī)，以控制天黑時(shí)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(shí)，裝置會(huì)發(fā)出警報(bào)，并自動(dòng)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(jī)和絲杠的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過電磁磁力機(jī)構(gòu)聯(lián)接窗體，實(shí)現(xiàn)開關(guān)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了面對(duì)下雨、煤氣泄漏、早晚光線改變等不同的環(huán)境條件自動(dòng)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(huì)采用PLC[8]或者單片機(jī)。本智能化控制系統(tǒng)采用了STM32F4單片機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定，避免了使用過多的繼電器，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，控制更加靈活、安全；可檢測(cè)故障，盡可能保障運(yùn)行的安全；可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；能夠復(fù)雜控制系統(tǒng)，可便于添加子功能，以實(shí)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(hào)傳輸給單片機(jī)，然后通過聯(lián)軸器將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以螺旋傳動(dòng)的方式轉(zhuǎn)化為滾珠絲杠上滑塊的直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)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(yùn)行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、傳動(dòng)精度高、磨損較小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，可設(shè)計(jì)出窗體模型如圖3所示。

3 智能窗戶硬件設(shè)計(jì)與選型計(jì)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(jī)構(gòu)組成如圖4所示。窗體移動(dòng)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(jì)算[9]

3.2.1 初算導(dǎo)程

導(dǎo)程計(jì)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(dòng)速度，即窗體移動(dòng)速度，根

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

計(jì)算得 ＝8 mm。

3.2.2 計(jì)算額定動(dòng)載荷

3.2.5 確定絲杠的規(guī)格型號(hào)

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(dòng)軸承型號(hào)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(jì)要滿足高精度、高剛度。還要注意對(duì)于軸向剛度、摩擦力矩、高精度運(yùn)動(dòng)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(wú)外部負(fù)載時(shí)，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(diǎn)距離增大，這種組配方式可以同時(shí)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(dòng)機(jī)選型

為實(shí)現(xiàn)較高的精度要求，同時(shí)保持負(fù)載運(yùn)行穩(wěn)定，參考對(duì)比同類型裝置，選取電動(dòng)機(jī)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(qiáng)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(qiáng)傳感器選擇高精度MAX44009模塊、串口光強(qiáng)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(jì)

4.1 單片機(jī)的選擇

本設(shè)計(jì)選擇意法半導(dǎo)體集團(tuán)的STM32F4系列單片機(jī)，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(diǎn)：

（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(yùn)算速度快，指令豐富，存儲(chǔ)容量大，適應(yīng)現(xiàn)代控制技術(shù)；

（3）I/O點(diǎn)多、響應(yīng)迅速，適應(yīng)實(shí)時(shí)控制的要求；

（4）通訊組網(wǎng)能力強(qiáng)，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(jiǎn)化，易于使用。

4.2? I/O端口的分配

本設(shè)計(jì)所選單片機(jī)為STM32F407ZGT6，開發(fā)板為正點(diǎn)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(shí)現(xiàn)

5.1 基本原理

該設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)的基本原理是，通過預(yù)先下載入單片機(jī)的程序，控制單片機(jī)循環(huán)檢測(cè)各個(gè)傳感器的狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)反饋控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)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?yàn)樵撛O(shè)計(jì)基本功能實(shí)現(xiàn)無(wú)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(jiǎn)化了程序的復(fù)雜程度，從而提高了檢測(cè)與判斷的效率。光強(qiáng)傳感器選擇使用具體量作為輸出量，單位為L(zhǎng)ux，當(dāng)光強(qiáng)小于1 Lux時(shí)，即認(rèn)定黑天，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)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(jī)正、反轉(zhuǎn)，脫機(jī)、待機(jī)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(shí)現(xiàn)。

5.2? STM32F4編程

5.2.1 電動(dòng)機(jī)編程

電動(dòng)機(jī)采用PWM輸出控制。在程序中，設(shè)立了兩個(gè)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(shí)，通過定時(shí)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(jī)控制結(jié)束。對(duì)于電機(jī)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(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之反轉(zhuǎn)。

另外，為了在電機(jī)空閑時(shí)節(jié)約能源，程序中設(shè)立了一個(gè)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(gè)脈沖數(shù)一致，則關(guān)閉電機(jī)電源，反之開啟電源，運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)，直至兩個(gè)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(cè)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(shí)，單片機(jī)首先控制蜂鳴器報(bào)警，雨水預(yù)警會(huì)

觸發(fā)短暫的蜂鳴聲，而涉及生命危險(xiǎn)的一氧化碳預(yù)警會(huì)觸發(fā)較長(zhǎng)的蜂鳴聲，隨后單片機(jī)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(shí)，如果用戶在開窗的情況下，電機(jī)并不會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)，但是蜂鳴器仍會(huì)正常工作，發(fā)出警報(bào)。

光強(qiáng)傳感器自帶一枚MCU處理片上各個(gè)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(jī)。在串口接收完畢后，單片機(jī)讀取光強(qiáng)并換算，得到以Lux為單位的光強(qiáng)數(shù)值。當(dāng)此數(shù)值小于1時(shí)，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(huì)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。

人體傳感器作為防夾功能實(shí)現(xiàn)的傳感器。由于人體傳感器通過紅外線探測(cè)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(cè)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(dòng)僅需要ms級(jí)時(shí)間，不影響安全性），隨后立即停止控制PWM輸出的定時(shí)器2，電機(jī)隨之停止運(yùn)轉(zhuǎn)[15]。

5.2.3 其他

除了傳感器、電動(dòng)機(jī)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(shí)時(shí)反饋各項(xiàng)指標(biāo)，程序中設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)看到雨水、一氧化碳、光強(qiáng)等各項(xiàng)指標(biāo)的狀態(tài)，同時(shí)也可以顯示電機(jī)的脈沖數(shù)，方便技術(shù)人員調(diào)試。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)針對(duì)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(dòng)智能化設(shè)計(jì)，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(dòng)化程度不高的缺點(diǎn)，逐步實(shí)現(xiàn)可靠性強(qiáng)，使用方便，高效利用，維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）自動(dòng)化程度高；

（2）系統(tǒng)具有故障和管理能力，即可以通過自動(dòng)、手動(dòng)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(jì)較合理，運(yùn)用較先進(jìn)；

（4）采用絲杠傳動(dòng)，精度高、反應(yīng)快、傳動(dòng)平穩(wěn)；

（5）設(shè)計(jì)了一種由3D打印[16]制作出的電磁連接開關(guān)，實(shí)現(xiàn)絲杠滑塊與窗戶活動(dòng)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(jiǎn)介：?jiǎn)紊辏?003－），男，山東菏澤人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)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?yàn)闄C(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及理論。