基于IAP15F2K61S2單片機的多傳感器新型智能窗控制系統(tǒng)

何國淵，廖志飛，楊太任，李霆，王洪濤，2

(1. 五邑大學信息工程學院，廣東江門529020;2. 華南理工大學自動化學院，廣東廣州510641)

當今世界建筑正朝著智能化方向發(fā)展，智能家居技術發(fā)展更是突飛猛進。窗戶是人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|最頻繁的生活家居之一［1］。隨著電子技術的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，智能窗已經(jīng)越來越多地被應用到了現(xiàn)代智能化建筑中，為住戶提供一個安全、智能的生活環(huán)境［2］。集多傳感器、IAP (In-Application-Programming)［3］、語音警報、無線通信等技術，實現(xiàn)了一種新型智能窗控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計方案

該系統(tǒng)具有機電一體化程度高、系統(tǒng)魯棒性強的特點，窗體內(nèi)、外側分別如圖1 (a)和(b)所示。

該智能窗系統(tǒng)在運行過程中，需要對多傳感器進行實時數(shù)據(jù)采集，進一步對該數(shù)據(jù)進行分析，以完成相應的控制功能(如:防雨、防盜、防火、語音報警、無線控制、GSM 遠程警報等功能)。為此，作者基于IAP15F2K61S2 單片機，以DHT11 為溫、濕度傳感器，MQ-2 為煙霧傳感器，HC-SR501 為紅外檢測傳感器，ISD1820P 為語音模塊芯片，GTM900C 為GSM模塊，Arduino 雨水檢測模塊用于雨水檢測，ULN2003 和BTS7960 用于電機驅動。系統(tǒng)結構框架圖如圖2 所示。

圖1 窗體模型

圖2 系統(tǒng)結構框架圖

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件采用模塊化設計，系統(tǒng)電路如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)電路

2.1 主控芯片

主控芯片選用STC 公司生產(chǎn)的15 系列單片機IAP15F2K61S2，該芯片采用STC-Y5 超高速CPU 內(nèi)核，在相同頻率下，比STC 早期的IT 系列單片機的速度快20%。此外，該芯片還具有仿真功能，其獨有的IAP (在應用可編程)技術，無需編譯器、無需仿真器就在運行過程中對User Flash 的部分區(qū)域進行燒寫，給系統(tǒng)固件程序升級帶來了極大的方便。

2.2 溫濕度傳感器模塊

DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器［4］。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC 測溫元件，并與一個高性能8 位單片機相連接。溫濕度傳感器對室內(nèi)溫、濕度進行實時監(jiān)測并通過彩屏顯示。系統(tǒng)設置當室內(nèi)溫度超過50 ℃時(認為發(fā)生火災)，電機驅動關窗(以減少空氣流通)，并通過蜂鳴器警報和GSM 發(fā)短信至主人。

2.3 SC2262/2272-M4 四路無線遙控套件

編碼芯片SC2262/2272-M4 是深圳騰盛有限公司利用CMOS 工藝制造的低功耗通用編碼/解碼電路，是一對帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的無線遙控發(fā)射接收芯片［5］。為實現(xiàn)對窗扇及窗簾開、關的無線控制，該系統(tǒng)采用一對發(fā)送、接收模塊，將無線接收模塊的四位管腳與單片機的I/O 連接，根據(jù)發(fā)射模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，識別控制指令以實現(xiàn)對窗扇及窗簾的開關控制。

2.4 基于MQ-2 氣體傳感器的煙霧檢測模塊

MQ-2 氣體傳感器是一款可檢測多種可燃性氣體的低成本傳感器，所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫［6］。其原理為:當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，進一步將電導率的變化轉換為該氣體濃度相對應的輸出信號。通過MQ-2 氣體傳感器對煙霧進行檢測，當室內(nèi)有濃煙時，執(zhí)行開窗、收風機運轉、語音警報功能(即使窗扇處于打開狀態(tài)，有濃煙時同樣會發(fā)出語音警報和收風機運轉)，并將煙霧濃度顯示在彩屏上。

2.5 Arduino 雨水檢測模塊

Arduino 雨水檢測模塊工作電壓為3.3 ～5 V，可對室外雨況(大小)進行監(jiān)測，并輸出相應的模擬信號［7］。傳感器表面采用鍍鎳處理，具有良好的抗氧化性。通過Arduino 雨水檢測模塊對雨水進行檢測。當下雨時，執(zhí)行關窗與語音警報(即使窗扇處于關閉狀態(tài)，在下雨的情況下，同樣會發(fā)出語音警報)，并將雨量大小顯示在彩屏上。

2.6 人體紅外感應模塊HC-SR501

通過對市面上紅外感應模塊的比較，選擇了常用的人體紅外感應模塊HC-SR501［8］。此傳感器具有延時時間可調、觸發(fā)方式可調、輸出電平與單片機可直接相連等優(yōu)點，能夠較好地滿足設計需要。該模塊觸發(fā)方式采用不可重復觸發(fā)方式，即感應輸出高電平，延時一段時間后，自動從高電平轉換成低電平。通過人體紅外感應模塊對人體進行檢測，當感應到窗外有人，執(zhí)行關窗、語音警報功能(即使窗扇處于關閉狀態(tài)，窗外有人時同樣會發(fā)出語音警報)，并通過GSM 發(fā)短信至主人。

2.7 電機驅動模塊

28BYJ-48 步進電機采用UL N2003 驅動模塊，具有較強的電流驅動能力，步進電機的勵磁方式采用一相勵磁，即每一瞬間步進電機只有一個線圈導通，每送一個勵磁信號，步進電機旋轉1.8°。這種勵磁方式的特點是精確度好、耗電小。而ULN20003 驅動模塊是高耐壓、大電流達林頓陳列產(chǎn)品，具有較強的電流驅動能力。RC-260 直流電機采用BTS7960 驅動模塊，直流電機控制采用單片機的PWM 脈沖寬度調制控制來實現(xiàn)窗簾的拉動。

2.8 ISD1820P 語音模塊

ISD1820P 是美國ISD 公司推出的一款8 ～20 s 語音錄放電路，采用CMOS 技術，內(nèi)含振蕩器，振蕩電阻可調，話筒前置放大，自動增益控制，防混淆濾波器，揚聲器驅動及FLASH 陳列［9］。該模塊工作在3～5 V 電壓下，是由4 個語音模塊電路組合而成的。

2.9 GSM 模塊

采用華為GTM900C，它是一款兩頻段GSM/GPRS 無線模塊［10］，支持標準的AT 命令及增強AT命令，提供豐富的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務等功能，是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N應用的理想解決方案。該系統(tǒng)通過單片機控制此模塊，與用戶的手機實現(xiàn)無線通信。如果室內(nèi)發(fā)生火災或者有盜情發(fā)生，在語音系統(tǒng)報警的同時，會自動給不在家的主人發(fā)送警報短信［11］。

3 系統(tǒng)程序設計

3.1 系統(tǒng)主控程序

智能窗軟件設計采用C 語言編程，開發(fā)環(huán)境為Keil C51。軟件設計主要解決的是多傳感器下如何實現(xiàn)相應的控制功能及IAP 功能等問題。程序包括多傳感器控制程序、GSM 模塊控制程序、電機控制程序、SD 卡與單片機通信程序及IAP 功能程序等。系統(tǒng)主控程序流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)主控程序流程圖

3.2 IAP 功能程序

該系統(tǒng)實現(xiàn)了SD 卡與單片機之間的通信，并采用IAP 技術對智能窗系統(tǒng)進行軟件升級。目前，基于FLASH 的單片機，一個重要的需求是在開發(fā)好成品后，仍具備“在應用中編程”(IAP)軟件升級能力。在設計固件程序時編寫兩個程序區(qū):程序1 區(qū)是IAP引導程序區(qū)，程序2 區(qū)是實現(xiàn)功能程序區(qū)。程序1 區(qū)的程序可通過與SD 卡的通信，并從SD 卡中讀取程序(預先存入SD 卡里)后對程序2 區(qū)的程序進行擦除和改寫，再跳到程序2 區(qū)執(zhí)行程序。當芯片上電后，首先執(zhí)行程序1 區(qū)的程序。操作如下:

(1)檢查是否需要對程序2 區(qū)的程序進行更新;

(2)如果不需要更新則轉到步驟(4);

(3)執(zhí)行更新操作;

(4)跳轉到程序2 區(qū)的程序執(zhí)行。

在線編程目前有兩種實現(xiàn)方法:在系統(tǒng)編程(ISP)和在應用編程(IAP)。ISP 一般是通過單片機專用的串行編程接口對單片機內(nèi)部的Flash 存儲器進行編程;而IAP 技術是從結構上將Flash 存儲器映射為兩個存儲體，當運行一個存儲體上的用戶程序時，可對另一個存儲體重新編程，之后將控制從一個存儲體轉向另一個。ISP 一般需要很少的外部電路輔助實現(xiàn)，而IAP 的實現(xiàn)更加靈活，通常可利用單片機的串行口接到計算機的RS232 口，通過專門設計的固件程序來編程內(nèi)部存儲器。

4 結束語

基于IAP15F2K61S2 單片機的多傳感器新型智能窗控制系統(tǒng)，利用多傳感器實時監(jiān)測室內(nèi)、外環(huán)境信息，實現(xiàn)了自動防雨、防盜、室內(nèi)濕度檢測、火災報警定時關窗和基于IAP (In-Application-Programming)技術［12］的SD 卡軟件升級等功能。該系統(tǒng)采用模塊化設計，集現(xiàn)代聲、光、機、電等技術于一體，具有機電一體化程度高、系統(tǒng)魯棒性強、成本低、使用方便、便于維護等特點。因此，作為一個新型智能窗控制系統(tǒng)，將對現(xiàn)代智能家居研究具有實際意義，并具備產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢與潛力。

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