基于單片機的節(jié)能型智能窗簾設(shè)計

朱旭陳，姜凌云，湯東揚，薛同川，張勤龍，周學禮

（常熟理工學院 物理與電子工程學院，江蘇 常熟 215500）

智慧社區(qū)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，力求為社區(qū)居民打造一個更加安全、便利與人性化的生活環(huán)境. 其中，智能窗簾系統(tǒng)由于其使用簡便、性價比高，受到人們廣泛關(guān)注. 目前市場上所設(shè)計的智能窗簾綜合過多功能，冗余復(fù)雜，致使用戶在使用時操作十分煩瑣［1］. 因此，設(shè)計一種操作簡便的智能窗簾系統(tǒng)對提高用戶生活質(zhì)量，推動智能家居發(fā)展具有重要意義. 本文設(shè)計了一種基于單片機的節(jié)能型智能窗簾系統(tǒng)，應(yīng)用多種傳感器，能夠監(jiān)控室內(nèi)溫濕度、照明、人員侵入等環(huán)境信息，同時采用藍牙模塊與手機APP，實現(xiàn)了用戶遠程控制系統(tǒng)的功能. 此外，系統(tǒng)采用太陽能供電，節(jié)能環(huán)保.

圖1 系統(tǒng)框圖

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1所示. 系統(tǒng)以STM32為主控芯片，將環(huán)境檢測模塊、藍牙模塊、安防模塊、窗簾控制模塊連接至單片機，利用傳感器獲取室內(nèi)環(huán)境信息并顯示到液晶模塊上. 單片機通過對接收到的環(huán)境信息進行判斷，從而控制直流電機驅(qū)動模塊和報警模塊的工作. 其中，光照監(jiān)測模塊、溫濕度監(jiān)測模塊和液晶模塊構(gòu)成環(huán)境檢測模塊；人體紅外感應(yīng)模塊、報警模塊構(gòu)成安防模塊；直流電機驅(qū)動模塊、直流電機構(gòu)成窗簾控制模塊；由太陽能電池板構(gòu)成的電源模塊，為各模塊和單片機供電，維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定工作. 本系統(tǒng)力求做到安全性、便捷性、節(jié)能性統(tǒng)一，符合智慧社區(qū)的發(fā)展理念.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控芯片

本系統(tǒng)的主控芯片為STM32F407ZGT6. 該芯片是基于ARM Coretex-M4架構(gòu)下的32位高性能RISC處理器［2］. 正常情況下該芯片最高工作頻率為168 MHz，具有1 M片內(nèi)FLASH和3通道的12位ADC，硬件資源豐富，適合作為本系統(tǒng)的主控芯片.

2.2 窗簾控制模塊

采用直條雙軸減速電機控制窗簾的升降，該電機一般簡稱為直流減速電機. 該電機可以被6～12 V電壓驅(qū)動，空載轉(zhuǎn)速為200±10% rmp，具有強磁、抗干擾的特性.

直流電機驅(qū)動電路由L298構(gòu)成. L298電路結(jié)構(gòu)簡單，常用于驅(qū)動電機［3］. 將電機的引子接至L298的OUT1、OUT2，單片機數(shù)據(jù)引腳PF6、PF7接到L298IN1、IN2上. 當PF6、PF7輸出分別為高低電平時，電機帶動窗簾主軸轉(zhuǎn)動，窗簾升起. 當PF6、PF7輸出分別為低高電平時，電機帶動窗簾主軸轉(zhuǎn)動，窗簾下降.當PF6、PF7輸出分別為低低電平時，窗簾保持不動.

2.3 藍牙模塊

藍牙模塊采用HC-06模塊. HC-06工作電壓為3.3 V，功耗低，體積小. 該模塊采用藍牙2.0協(xié)議，遵循數(shù)字2.4 GHz收發(fā)協(xié)議［4］，默認的工作頻率為9 600 bps. 使用串口通信的方式將手機APP上的指令傳遞給單片機. 藍牙模塊通過PA9、PA10與單片機連接.

2.4 室內(nèi)環(huán)境檢測模塊

室內(nèi)環(huán)境檢測模塊由溫濕度監(jiān)測模塊、光照監(jiān)測模塊和液晶模塊組成. 溫濕度采集模塊采用的是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器. DHT11通過溫濕度傳感器技術(shù)將數(shù)字信號校準輸出，具有極高的可靠性與穩(wěn)定性［5］. DHT11工作電壓在3.3～5.5 V之間，溫度測量范圍為0～50 ℃，測量誤差不超過2 ℃. 此外，DHT11與單片機PF8連接.

光照監(jiān)測模塊采用的是光敏電阻串聯(lián)定值電阻組成電路. 光敏電阻阻值與光照呈負相關(guān)，光照越強，光敏電阻阻值越小，因此測量定值電阻的電壓就可以推斷室內(nèi)的光照情況. STM32F407自帶讀電壓功能，所以不需要準備其他的A/D轉(zhuǎn)換芯片，通過主控芯片就可以將定值電阻的電壓讀取出來. 光照監(jiān)測模塊與單片機PA5連接.

液晶模塊選用一款4.3′，分辨率為 800×480的TFT-LCD. TFT-LCD色彩還原度高，響應(yīng)速度快，穿透率高，具有良好的廣視角. TFT-LCD與單片機的連接如下： LCD_CS片選信號接單片機PG12，WR/CLK接單片機PD5，LCD數(shù)據(jù)位D1、D2至D15接單片機PD0、PD1至PD15. RS接單片機PF12，LCD與單片機通信引腳為PB3、PB4、PB5.

2.5 安防模塊

安防模塊由蜂鳴器報警模塊、人體紅外感應(yīng)模塊組成. 報警模塊使用蜂鳴器報警警示［6］. 蜂鳴器報警模塊包含了三極管、蜂鳴器和電阻. 三極管放大主控芯片的輸出電流，從而驅(qū)動蜂鳴器. 若主控芯片輸出一個高電平，蜂鳴器兩端壓降相同，不會被驅(qū)動發(fā)出報警聲；若主控芯片輸出一個低電平，蜂鳴器兩端出現(xiàn)壓降差，則蜂鳴器發(fā)出報警聲. 蜂鳴器報警模塊與單片機PF12相連.

人體紅外感應(yīng)模塊采用HC-SR501模塊. HC-SR501采用紅外線技術(shù)，其中紅外線傳感器包括光學系統(tǒng)、檢測元件和轉(zhuǎn)換電路［7］. 工作電壓在4.5～20 V，功耗低. 當有人進入感應(yīng)范圍時，HC-SR501對外輸出高電平；當人離開感應(yīng)范圍時，HC-SR501對外輸出低電平. 另外，HC-SR501高低電平轉(zhuǎn)換時會出現(xiàn)鎖存時間，需要設(shè)定一個鎖存時間段［7］，這樣可以避免干擾信號. 人體紅外感應(yīng)模塊與單片機PF11連接.

2.6 電源模塊

電源模塊由3個部分組成：太陽能電池板、蓄電池、降壓模塊和過沖和緩沖保護電路.

太陽能電池板尺寸為40 cm ×100 cm，大約提供100 W的能量. 使用蓄電池是為了能夠更加充分高效地利用太陽能這一清潔能源，在太陽能充足時將其儲存起來，在太陽能不足時釋放出來. 蓄電池選擇戶用型的GEL（凝膠）蓄電池. 光伏發(fā)電用GEL（凝膠）具有良好的容量放電性能，充電后可以回復(fù)實際容量的95%以上，具有可靠的均衡性，存儲量偏差?。?］. 降壓模塊采用芯片7805降壓，將蓄電池提供的12 V直流電壓轉(zhuǎn)成5 V. 為了延長蓄電池使用年限需要使用過沖和緩沖保護電路 . 在 Proteus［9］中仿真太陽能充放電保護電路：過充時，系統(tǒng)不再充電并通過LED顯示告知用戶，當欠壓時，開啟充電. 具體電路圖見圖2.

圖2 太陽能充放電保護電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)軟件整體設(shè)計思路如圖3所示. 首先進行系統(tǒng)初始化，其次響應(yīng)人工模式、安防模式、自動模式3種中斷.其中人工模式中斷優(yōu)先級最高，自動模式優(yōu)先級最低. 當響應(yīng)人工模式時，主控芯片執(zhí)行手機APP發(fā)送的命令. 當響應(yīng)安防模式時，系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)人員入侵情況對報警器進行控制. 當響應(yīng)自動模式時，系統(tǒng)采集室內(nèi)環(huán)境信息顯示在LCD上，并根據(jù)室內(nèi)環(huán)境信息更改窗簾的位置.

3.2 人工模式

人工模式的功能依靠對藍牙模塊HC-06與手機APP進行編程達到所需要實現(xiàn)的預(yù)期效果［10］.

在手機端，當用戶打開APP，選擇“連接設(shè)備”，并點擊控件按鈕時，APP向藍牙模塊發(fā)送按鍵對應(yīng)的鍵值碼.對于單片機端而言，由于藍牙工作頻率為9 600 bps［11］，所以單片機串口通信波特率為9 600 bps［12］才能與藍牙模塊正常通信［13］. STM32通過藍牙模塊接收鍵值碼，并根據(jù)鍵值碼分析執(zhí)行對應(yīng)的命令. 由此達到用戶使用手機APP控制系統(tǒng)的目的.

3.3 安防模式

人體紅外監(jiān)測采用的是HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊和蜂鳴器報警模塊［14］. 當有人進入HC-SR501人體紅外感應(yīng)的范圍時，該模塊會輸出高電平，主控芯片檢測到該模塊的輸出引腳為高電平，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音報警，警示用戶有人闖入. 當HC-SR501人體紅外感應(yīng)范圍內(nèi)沒有非法物體時，該模塊輸出引腳為低電平［15］，主控芯片檢測到該模塊的輸出引腳持續(xù)保持低電平，蜂鳴器保持安靜.

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

3.4 自動模式

自動模式利用傳感器光照監(jiān)測模塊、溫濕度監(jiān)測模塊采集室內(nèi)環(huán)境信息.

由于主控芯片STM32F407自帶ADC功能，所以不需要額外的A/D轉(zhuǎn)換芯片，直接讀取與光敏電阻串聯(lián)的定值電阻兩端的電壓值，并通過該數(shù)值與設(shè)定的閾值電壓（1 V，3 V）做比較. 當數(shù)值超過亮度最大閾值電壓3 V時，主控芯片驅(qū)動直流減速電機關(guān)閉窗簾；當數(shù)值小于亮度最小閾值電壓1 V時，主控芯片驅(qū)動直流減速電機開啟窗簾. 另外，讀取光照監(jiān)測模塊的電壓速度為每250 ms讀取一次，確保讀取速度不會太快導(dǎo)致數(shù)值變化不明顯，同時也保證讀取速度不會太慢無法跟上室內(nèi)光照變化的頻率. 程序流程圖如圖4所示.

首先將DHT11初始化，并且監(jiān)測溫濕度模塊是否初始化正常. 當初始化失敗時，應(yīng)該重新初始化直到初始化成功［12］. 當溫濕度模塊正常工作時，會將溫濕度的整數(shù)部分顯示在液晶模塊上. 流程圖如圖5所示.

圖4 光照檢測模塊程序流程圖

圖5 溫濕度模塊程序流程圖

4 結(jié)果與分析

本系統(tǒng)實現(xiàn)的基于單片機的節(jié)能型智能窗簾設(shè)計，功能分為人工模式、自動模式、安防模式. 首先室內(nèi)溫濕度可顯示在液晶屏上，其次在人工模式下，用戶可以使用手機APP控制窗簾升降. 在自動模式下，當光照太強時，窗簾自動降落；當光照太弱時，窗簾自動升起. 在安防模式下，有非法人員闖入室內(nèi)時，蜂鳴器會發(fā)出警報聲. 與此同時，太陽能板為整個系統(tǒng)提供充足電源.

測量環(huán)境數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)可以準確反應(yīng)室內(nèi)溫濕度情況，結(jié)果如圖6所示（Temp表示溫度，Humi表示濕度）. 經(jīng)過反復(fù)測試，誤差不超過±5%，符合設(shè)計要求.

在人工模式下，打開手機APP，點擊“連接設(shè)備”按鈕，用戶根據(jù)液晶屏上顯示的環(huán)境信息選擇“打開窗簾”或者“關(guān)閉窗簾”按鈕，如圖7所示.

在安防模式中，當HC-SR501監(jiān)測到距離傳感器7 m以內(nèi)并在＜100°錐角內(nèi)出現(xiàn)人員時，向單片機輸出高電平，主控芯片驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出警報，警示用戶室內(nèi)出現(xiàn)非法人員.

自動模式中，測量模塊中定值電阻的電壓作為室內(nèi)光照情況判斷的標準. 當電壓為2～3 V時，判定室內(nèi)光照正常，當小于或者大于閾值區(qū)間時，判定室內(nèi)光線不足或者太強. 經(jīng)過反復(fù)測試，誤差不超過±3%，符合設(shè)計要求.

電源采用蓄電池戶用型的GEL（凝膠）蓄電池，該電池具有良好的低溫放電性能，充電后可以回復(fù)實際容量的95%以上，容量偏差小.

圖6 室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)

圖7 手機APP

5 結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智慧社區(qū)的發(fā)展概念越來越深入人心. 本文設(shè)計了一種基于單片機的節(jié)能型智能窗簾系統(tǒng)，以STM32單片機為核心，利用傳感器采集室內(nèi)溫濕度、光照等環(huán)境信息，使用藍牙模塊實現(xiàn)用戶無線控制，使用太陽能電池板作為電源. 經(jīng)過運行測試，本系統(tǒng)可以有效提高用戶生活質(zhì)量，節(jié)能環(huán)保，符合智慧社區(qū)的發(fā)展理念，具有良好的實用和推廣價值.