家庭窗戶自動開關(guān)管理系統(tǒng)設(shè)計

張昊澤

(北京市大峪中學(xué),北京 102300)

隨著現(xiàn)如今城市生活節(jié)奏的加快,多數(shù)人面臨居家時間減少的問題,而當(dāng)人們外出工作時,家中窗戶的打開與關(guān)閉往往成為一個難題。當(dāng)遇到室內(nèi)外空氣質(zhì)量的變化、狂風(fēng)或暴雨等天氣的變化時,如若不能及時開關(guān)窗戶,將帶來室內(nèi)環(huán)境污染、風(fēng)雨侵襲等問題,尤其是在廚房煤氣灶使用不得當(dāng)時,更會引發(fā)煤氣中毒等嚴(yán)重后果。自動化技術(shù)的發(fā)展為解決上述問題提供了思路與方向。在自動化家具的研發(fā)與使用愈發(fā)成熟的今天,設(shè)計一種可以及時自動開關(guān)窗戶的家庭窗戶自動開關(guān)管理系統(tǒng),便可以大大減少不必要的人力投入、環(huán)境污染和財務(wù)損失等,具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 方案選擇

單片機(jī)系統(tǒng)是日常生活中常用的微型控制系統(tǒng),它具有構(gòu)造簡單,體積小,故障率低等特點(diǎn)。單片機(jī)系統(tǒng)通常由運(yùn)算器、執(zhí)行器、寄存器等組成,它可以配合各種傳感器通過收集環(huán)境信息從而執(zhí)行相應(yīng)的程序指令,廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、自動化設(shè)備等。

1.1 系統(tǒng)方案選擇

本設(shè)計采用STM32系列單片機(jī)作為微控制單元搭建自動化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)組成包括各種傳感器、專用配套放大器、STM32系列單片機(jī)以及窗戶開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。系統(tǒng)的主要運(yùn)行過程可以簡單表述為：相應(yīng)的被測物理量經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)轿⒖刂破?微控制器再根據(jù)既定的程序控制窗戶開關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成

圖2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖

如圖1所示,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)從傳感器和其它待測設(shè)備的物理信號數(shù)據(jù)被單元中微控制器自動采集信息的過程。本系統(tǒng)所采用的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以利用不同種類的溫度、濕度、氣流、空氣質(zhì)量、一氧化碳?xì)怏w濃度等傳感器對相應(yīng)物理信號進(jìn)行采集;其次通過專用配套放大器將信號處理放大;然后利用A／D轉(zhuǎn)換器將放大后的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳輸給微控制器;最后微控制器將會對相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理計算從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)作。

1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計

控制窗戶開關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計包括電機(jī)設(shè)計與機(jī)械臂設(shè)計。如圖2所示,電機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)連接,單片機(jī)可以通過分析當(dāng)前環(huán)境狀況控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動,電機(jī)的轉(zhuǎn)動將驅(qū)動關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動,驅(qū)使機(jī)械臂伸長與收縮。機(jī)械臂由兩根金屬桿所構(gòu)成,它們通過一個關(guān)節(jié)軸進(jìn)行連接,分別固定在窗戶的邊框上與窗框上,當(dāng)電機(jī)向一個方向轉(zhuǎn)動時,驅(qū)動關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動,從而帶動窗戶打開;同理,當(dāng)電機(jī)向另一方向轉(zhuǎn)動時,驅(qū)動關(guān)節(jié)軸反方向轉(zhuǎn)動,從而帶動窗戶的關(guān)閉。

需要特別注意的是,當(dāng)窗戶處于自動控制狀態(tài)時,出于各種不同的原因(如：使用者的主觀需求),需要手動控制窗戶的開關(guān),然而在市面上現(xiàn)有的自動開關(guān)窗設(shè)計中,大多數(shù)設(shè)計只能進(jìn)行自動控制,不能夠人為控制窗戶的開關(guān),這將會給使用者帶來較差的使用體驗。本系統(tǒng)在窗戶自動控制開關(guān)時,充分考慮使用者的需求,窗戶不僅僅由自動控制系統(tǒng)所控制,還可以進(jìn)行人為控制窗戶開關(guān)的操作,窗戶處于自動控制時可以被手動干預(yù),并且執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝不會干擾到手動控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

本控制管理系統(tǒng)主要由單片機(jī)系統(tǒng)、相匹配的放大器、溫度測試傳感器、濕度測試傳感器、氣流測試傳感器、空氣質(zhì)量測試傳感器、一氧化碳?xì)怏w濃度監(jiān)測傳感器等組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

表1 濕度敏感型控制方案中不同環(huán)境量對應(yīng)窗戶動作狀態(tài)和優(yōu)先級

2.2 各部分組成

在本設(shè)計中涉及到多種不同類型的傳感器、單片機(jī)控制系統(tǒng)、鍵盤、顯示模塊、人機(jī)交互模塊等系統(tǒng)硬件,不同的系統(tǒng)硬件之間需相互協(xié)調(diào),才能達(dá)到精準(zhǔn)度高,效率高,實(shí)際意義顯著的目的。

2.2.1 傳感器選擇

在一個具體的測試系統(tǒng)中,需優(yōu)先考慮所選的傳感器,傳感器的選擇需要考慮以下具體問題,如：傳感器的量程;傳感器的測試溫度;傳感器的類型等。需要針對不同用途的傳感器確定所需要的類型。

溫度傳感器選用熱敏電阻溫度傳感器,其靈敏度較高、體積小、使用方便。濕度傳感器選用濕敏電阻濕度傳感器,其準(zhǔn)確度較高。氣流(風(fēng)壓)傳感器選用微差壓傳感器其受動壓影響小,可用來對潮濕、渾濁的氣體進(jìn)行測量?？諝赓|(zhì)量(污染)傳感器選用常見的空氣質(zhì)量檢測凈化裝置,既可檢測空氣中所存在的多種空氣質(zhì)量污染物,同時還可以監(jiān)測可吸入顆粒物(PM10、PM2.5等)的濃度,其靈敏度較高,穩(wěn)定性較強(qiáng)。一氧化碳?xì)怏w濃度監(jiān)測傳感器選用檢測與警報器一體的傳感器,確保其精度高、測量準(zhǔn)確,并能夠在檢測到一氧化碳?xì)怏w時發(fā)出警報,以警報聲為信號傳遞室內(nèi)一氧化碳?xì)怏w濃度超標(biāo)、構(gòu)成人身安全的信息。

不同種類的傳感器同時運(yùn)作,將所測得的數(shù)據(jù)通過電路傳遞至單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高效利用。

2.2.2 微控制器(單片機(jī))

單片機(jī)微控制器是本系統(tǒng)設(shè)計的核心,是將傳感器所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并向執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示模塊、人機(jī)交互模塊傳達(dá)命令的核心裝置。STM32系列單片機(jī)是常使用的微控制器,本設(shè)計采用基本型STM32系列單片機(jī),其性能較高、成本較低、功耗較低,可有效地將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.2.3 其他部分

顯示模塊使用LCD顯示屏,可以將單片機(jī)系統(tǒng)接收處理所得到的溫度、濕度、空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行顯示,此外還可以進(jìn)行系統(tǒng)工作狀態(tài)正常與否的顯示。

人機(jī)交互模塊可以通過藍(lán)牙、無線網(wǎng)的方式將系統(tǒng)的工作狀態(tài)與窗戶所處于的動作狀態(tài)向其它電子設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程信息傳遞,同時外部終端也可以遠(yuǎn)程對系統(tǒng)進(jìn)行控制。

3 軟件設(shè)計

3.1 窗戶自動開關(guān)控制情況分析

本設(shè)計主要針對室外溫度、室外濕度、室外風(fēng)力、室內(nèi)外空氣質(zhì)量以及室內(nèi)一氧化碳?xì)怏w濃度為所測量的模擬量實(shí)現(xiàn)窗戶的自動開關(guān),并可與手動調(diào)控相結(jié)合,共同控制窗戶的開與關(guān)。窗戶的自動控制系統(tǒng)在接收到來自不同傳感器的不同信號時,呈現(xiàn)出不同的打開或關(guān)閉的狀態(tài)。

圖4 濕度敏感型控制方案程序設(shè)計流程圖

由于本設(shè)計所檢測到的環(huán)境量較多,不同使用者對于不同環(huán)境條件下窗戶的開關(guān)狀態(tài)的需求不同,因此可能對于環(huán)境數(shù)據(jù)處理的先后順序也會有不同的需求。針對這樣的情況,本系統(tǒng)為更好地滿足用戶的使用需求,預(yù)先擬定了3種不同的控制方案,分別為溫度敏感型、濕度敏感型和空氣質(zhì)量敏感型。此外,還預(yù)留了一種用戶自定義操作狀態(tài),用戶可以根據(jù)自身使用需求對各環(huán)境量的系統(tǒng)響應(yīng)優(yōu)先級進(jìn)行自定義。

下面以濕度敏感型控制方案為例進(jìn)行詳細(xì)的介紹：

表1為濕度敏感型控制方案中不同環(huán)境量對應(yīng)窗戶動作狀態(tài)和優(yōu)先級。一氧化碳?xì)怏w是燃?xì)獠煌耆紵龝r產(chǎn)生的有毒氣體,當(dāng)檢測到一氧化碳?xì)怏w時應(yīng)當(dāng)立即開窗,以人身安全為最優(yōu)先事項。雨雪天氣時,室外的空氣濕度相對較高,中雨時空氣濕度可達(dá)到80%,如果不能及時關(guān)窗將有可能發(fā)生雨雪進(jìn)入室內(nèi)并造成室內(nèi)環(huán)境的污染以及財物損失的情況,因此也應(yīng)優(yōu)先考慮。風(fēng)力過強(qiáng)時,空氣中的揚(yáng)塵容易被吹進(jìn)室內(nèi),造成環(huán)境污染,并且當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10.8至13.8m/s時,風(fēng)級將達(dá)到6級風(fēng),可能吹倒室內(nèi)的陳設(shè),造成財物損失,對于室內(nèi)環(huán)境影響較大,所以風(fēng)力的檢測優(yōu)先考慮。保證室內(nèi)溫度的適宜同樣是人們對于房屋內(nèi)環(huán)境評價最重要的參考指標(biāo)之一,室內(nèi)環(huán)境的最適宜溫度大約處在18攝氏度到25攝氏度之間,但是考慮到不同的季節(jié),室外溫度的變化范圍不同,所以本系統(tǒng)針對溫度檢測設(shè)置了相應(yīng)的最高溫度與最低溫度界限?？諝赓|(zhì)量的檢測必要性相對較弱,可以適當(dāng)延緩考慮。

3.2 系統(tǒng)自動控制部分程序設(shè)計

仍然以濕度敏感型控制方案為例,在此按照表1所給出的優(yōu)先級仍以一氧化碳?xì)怏w濃度為第一優(yōu)先級,濕度為第二優(yōu)先級為例進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計。圖4為濕度敏感型控制方案程序設(shè)計流程圖。

系統(tǒng)初始化完畢后,首先處理一氧化碳?xì)怏w濃度檢測傳感器所傳回的數(shù)據(jù),當(dāng)檢測到室內(nèi)一氧化碳?xì)怏w超標(biāo)時自動開窗,否則繼續(xù)處理濕度傳感器所傳回數(shù)據(jù),當(dāng)檢測到室外濕度超過80%時自動關(guān)窗,否則繼續(xù)處理空氣流速傳感器傳回的數(shù)據(jù),當(dāng)室外空氣流速達(dá)到10.8m/s時自動關(guān)窗,否則繼續(xù)處理溫度傳感器傳回的數(shù)據(jù),當(dāng)室外溫度低于18攝氏度或高于25攝氏度時自動關(guān)窗,否則繼續(xù)處理空氣質(zhì)量傳感器傳回的數(shù)據(jù),當(dāng)檢測到室內(nèi)空氣質(zhì)量高于室外空氣質(zhì)量時自動關(guān)窗,否則自動開窗,每次執(zhí)行開窗或關(guān)窗的命令后,會發(fā)送信號到電子設(shè)備并在10分鐘后循環(huán)上述檢測執(zhí)行過程。

3.3 手動操作與自動控制之間的沖突與解決

圖5 中斷處理子程序流程圖

在窗戶的使用過程中,自動控制系統(tǒng)可以大大增加窗戶對于環(huán)境變化的應(yīng)激性,減少人力投入與室內(nèi)環(huán)境污染,但是在實(shí)際操控過程中,涉及到人為控制窗戶的關(guān)閉,在不同情況下,人們會出于不同原因做出與自動控制相反的指令操作,這也就構(gòu)成了在窗戶實(shí)用的過程中自動控制與手動控制的沖突。

面對自動與手動控制的沖突,市面上現(xiàn)有的設(shè)計大多數(shù)沒有相應(yīng)的處理措施,這也就導(dǎo)致了在真正使用過程中,人不能根據(jù)自己的需求控制窗戶的開關(guān),大大降低了產(chǎn)品的靈活性,給客戶帶來了較差的使用體驗,為此本設(shè)計針對手動操作與自動控制的矛盾進(jìn)行了進(jìn)一步的設(shè)計與處理。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計中窗戶既可以通過自動控制自動調(diào)控窗戶的打開或關(guān)閉,也可以通過手動操作調(diào)控窗戶的打開或關(guān)閉,本系統(tǒng)采用了兩種操作模式：

第一種為自動開關(guān)模式,可以根據(jù)室外溫度、室外濕度、室外風(fēng)力、室內(nèi)外空氣質(zhì)量以及室內(nèi)一氧化碳?xì)怏w自動控制窗戶的開與閉,在自動控制模式下,存在兩個按鍵分別為按鍵“自動開”和“自動關(guān)”,當(dāng)按下按鍵“自動開”時,系統(tǒng)將執(zhí)行自動控制系統(tǒng),當(dāng)按下按鍵“自動關(guān)”時,系統(tǒng)將停止執(zhí)行自動控制系統(tǒng)。

第二種為自動控制與手動操作并行模式,便于人們的操作以及對于突發(fā)狀況等因素的處理。當(dāng)處于自動控制模式時將根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,對于不同的環(huán)境狀況做出相適合的命令,控制窗戶的打開與關(guān)閉;當(dāng)客戶需要進(jìn)行手動控制時,存在兩個按鍵“手動關(guān)”和“手動開”當(dāng)按下按鍵“手動關(guān)”時,窗戶將被關(guān)閉,當(dāng)按下按鍵“手動開”時,窗戶將被打開,手動控制信號會在自動程序執(zhí)行時形成中斷信號,程序在此會進(jìn)入中斷處理子程序,在一段時間后系統(tǒng)將返回繼續(xù)執(zhí)行自動控制的主程序。系統(tǒng)中斷自動控制后恢復(fù)的時間可由客戶自主設(shè)定。

圖5以10分鐘后恢復(fù)自動控制系統(tǒng)為例進(jìn)行手動控制與自動控制相協(xié)調(diào)的進(jìn)一步說明。例如,當(dāng)按下按鍵“自動開”時,自動控制系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境信息調(diào)控窗戶為開啟狀態(tài),在此時按下按鍵“手動關(guān)”,窗戶將自動關(guān)閉,并停止自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行,并在10分鐘后繼續(xù)執(zhí)行自動控制,根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境狀況做出相應(yīng)的命令。

圖6 系統(tǒng)控制面板

上述四個按鍵,位于系統(tǒng)控制面板鍵盤處,方便客戶使用,如圖6。

4 總結(jié)與展望

本文針對日常生活中窗戶不能自動打開與關(guān)閉會造成的室內(nèi)環(huán)境污染與財物損失的問題進(jìn)行了分析,利用了多種功能的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,配合S TM 32單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制,設(shè)計了一種家庭窗戶自動開關(guān)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了在各種不同情況下對于窗戶自動開關(guān)的調(diào)控,同時采取了自動控制與手動操作相結(jié)合的設(shè)計,解決了自動控制與手動操作之間的矛盾。本系統(tǒng)設(shè)計小巧靈便、結(jié)構(gòu)簡單、可監(jiān)控性強(qiáng)、實(shí)用性高,在自動化家具的使用不斷擴(kuò)大的今天,具有較好的應(yīng)用前景。由于本人知識水平和時間所限,文中仍有很多問題未能很好解決,還需進(jìn)一步完善。

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