基于Proteus的家用智能門窗控制系統(tǒng)的設(shè)計

趙浩然 董小燕 龔斌

摘? 要：本文簡要介紹了一款智能門窗控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。基于“機器判斷+人工決策”，設(shè)計了一套功能豐富的門窗遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機為核心處理器，配以各種傳感器、GSM物聯(lián)網(wǎng)平臺等，最終實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制門窗開關(guān)的目的。其造價低廉，適合任何家庭使用。

關(guān)鍵詞：智能門窗;單片機;傳感器;遠(yuǎn)程控制

Abstract：In this paper，the structure and function of an intelligent door and window control systemwas briefly introduced. Based on “machine judgment and manual decision”，we designed a set of functional remote control system for doors and windows. It took STM32F103ZET6 SCM as the core processor，and was equipped with various sensors，GSM internet of things platform，etc.，so as to realize the purpose of remote intelligent control of door and window switch. It was cheap and suitable for any family.

Keywords：intelligent door and window;SCM;sensor;remote control

0? 引? 言

在智能化產(chǎn)業(yè)日新月異的今天，很多智能化電器已經(jīng)步入尋常百姓家，如智能電風(fēng)扇、智能空調(diào)等。在《中國制造2025》和《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》等戰(zhàn)略的響應(yīng)下，制造業(yè)的發(fā)展特別迅猛，尤其是智能制造類產(chǎn)品越來越多地出現(xiàn)在人們面前。但在門窗等傳統(tǒng)家具方面，智能制造業(yè)的發(fā)展卻相對緩慢?，F(xiàn)階段智能化門窗普遍設(shè)計復(fù)雜，裝配繁瑣，造價高昂，并不適合普通家庭使用。基于這樣的原因，我們希望利用單片機、傳感器等器件，設(shè)計出一套造價低廉且可以步入尋常百姓家的智能門窗控制系統(tǒng)。

1? “機器判斷+人工決策”下的門窗控制模式

機器判斷是區(qū)別智能化與非智能化的重要參考依據(jù)，機器基于當(dāng)時的數(shù)據(jù)通過計算生成一系列結(jié)果的過程稱之為機器判斷。而現(xiàn)階段，各種人工智能及機器系統(tǒng)發(fā)展不完善導(dǎo)致了一些事故的出現(xiàn)，為了降低事故概率，我們引入人工決策這一重要概念，將人工決策作為防止機器判斷出現(xiàn)故障造成災(zāi)難的“最后一道門檻”。

我們設(shè)計的系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機為核心處理器，配以各種傳感器、GSM物聯(lián)網(wǎng)平臺等，最終實現(xiàn)各類傳感器對當(dāng)時的天氣、溫度、濕度等數(shù)據(jù)進行智能控制門窗開關(guān)的目的。基本電路圖如圖1所示，該系統(tǒng)先判斷是否需要對門窗進行某項操作（開關(guān)窗、窗口開大開小等），接著會生成一個短信發(fā)送至用戶的移動設(shè)備，這時用戶可以根據(jù)該條提醒決定是否執(zhí)行該操作。

區(qū)別于人工判斷，機器判斷是機器本身對當(dāng)時的數(shù)據(jù)進行的判斷，這是系統(tǒng)智能化的重要體現(xiàn)。機器的數(shù)據(jù)庫存儲足夠多的數(shù)據(jù)，然后將傳感器中收集到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)一一對比，最后給出對比數(shù)據(jù)相同（或相似度超過85%）的一組判斷。我們可以預(yù)先在單片機中設(shè)置一個儲存各種天氣數(shù)據(jù)的儲存卡，當(dāng)系統(tǒng)運作時，隨時將傳感器信息與數(shù)據(jù)庫信息進行對比，最后將機器判斷結(jié)果以及系統(tǒng)建議一同以短信形式推送至用戶手機，由用戶決定對窗戶采取什么樣的操作，系統(tǒng)執(zhí)行程序圖如圖2所示。

人工智能技術(shù)的出現(xiàn)對各類產(chǎn)品產(chǎn)生了非常大的沖擊。特別是人工智能的深度學(xué)習(xí)能力。例如，在2017年5月的中國烏鎮(zhèn)圍棋峰會上，一款名為“阿爾法圍棋”的人工智能機器人以比分3：0擊敗的世界排名第一的圍棋選手柯潔。人工智能技術(shù)馬上席卷全球。而“阿爾法”人工智能機器人的贏點就在于其深度學(xué)習(xí)功能。因此，我們希望將將人工智能用在本文設(shè)計的這個系統(tǒng)上。數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)越多，機器判斷越精準(zhǔn)，但是數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)一定是有限的，如果遇到有些沒有預(yù)先收集到的情況要如何解決？這就需要利用人工智能的學(xué)習(xí)功能。機器判斷只能給出收集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)相似度超過85%的判斷。當(dāng)數(shù)據(jù)相似度小于這一百分比時，系統(tǒng)的工作模式直接轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯Q策模式，而后將人工決策后的操作存入數(shù)據(jù)庫，之后再出現(xiàn)這種情況后就可以進行機器判斷功能了。另外，各種數(shù)據(jù)在征得用戶同意的情況下進行聯(lián)網(wǎng)上傳，可以逐步增強數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確程度。

2? 移動互聯(lián)下的智能門窗功能實現(xiàn)

在各種智能手機普及度極高的時代下，將該系統(tǒng)加入移動互聯(lián)的范疇是不可或缺的。移動互聯(lián)下的智能門窗應(yīng)該實現(xiàn)以下功能：

2.1? 遙控與智能控制功能

我們分別針對三種情況實現(xiàn)對門窗的遙控功能，遙控與智能控制功能對應(yīng)表如表1所示。

首先是用戶在家中的情況?？梢詫⑹謾C藍(lán)牙與系統(tǒng)連接或通過單片機遙控器的模式進行連接。目的在于讓系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)功能發(fā)揮作用，在該情景下，用戶可以根據(jù)實際情況對門窗進行操作，系統(tǒng)根據(jù)用戶的偏好不斷更新數(shù)據(jù)庫，從而達到讓系統(tǒng)更智能的目的。

其次是遠(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程控制正如上文所說，當(dāng)機器判斷需要更改窗戶所處的狀態(tài)時，會自動生成一條信息發(fā)送至用戶手機，用戶根據(jù)信息提示即可對門窗進行操控。這條信息中包括各傳感器在信息發(fā)送時的實時數(shù)據(jù)以及機器判斷的結(jié)果，由用戶來決策對門窗采取什么樣的操作。

最后是完全智能化控制。當(dāng)上述兩種操作都長時間無用戶響應(yīng)的情況下，系統(tǒng)將會執(zhí)行機器判斷給出的最優(yōu)解，盡最大可能減少用戶忘記對門窗進行操作而造成的損失。

2.2? 防盜功能

為了保護一個房屋，我們設(shè)置了門窗，如果我們永遠(yuǎn)不對門窗進行開關(guān)操作，那么門窗便失去了其存在的意義。但是如果打開了門窗，就存在家中被盜的可能。所以現(xiàn)今的房屋門窗基本上都是通過加裝防盜欄桿來達到防盜的功能的，但是在遇到緊急情況時，這些防盜欄桿就成了阻擋逃生的“攔路虎”。

基于這個現(xiàn)狀，我們對所設(shè)計的系統(tǒng)安裝了紅外傳感器，當(dāng)門窗處于開啟狀態(tài)時，該傳感器進入工作狀態(tài)，如果有疑似人員進出，系統(tǒng)會生成一條短信發(fā)至用戶手機并激活房屋中的蜂鳴報警器對其進行驅(qū)逐。系統(tǒng)一方面可以與物業(yè)聯(lián)網(wǎng)，若有可疑人員進入，系統(tǒng)將自動聯(lián)系物業(yè)部門;另一方面還將加入家居攝像頭等控件，當(dāng)有可疑人員進入時，系統(tǒng)會直接將攝像頭等圖像傳至用戶手機，由用戶決定是否報警或聯(lián)系物業(yè)部門。

3? 傳感器的功能實現(xiàn)

在設(shè)計之初，我們采用Proteus8.0軟件進行仿真設(shè)計，在此過程中，可以方便地觀察傳感器與配置電機之間配合的程度。傳感器數(shù)據(jù)是系統(tǒng)進行機器判斷的重要參考依據(jù)，相當(dāng)于系統(tǒng)的“眼睛”，所以要針對不同的功能選擇合適的傳感器，傳感器工作程序圖如圖3所示。

3.1? 環(huán)境監(jiān)測功能

空氣質(zhì)量是現(xiàn)今人們關(guān)注的重要指數(shù)。同樣地，空氣質(zhì)量也是衡量是否適合開窗通風(fēng)的重要依據(jù)。可以說，現(xiàn)如今，門窗的開閉與空氣質(zhì)量息息相關(guān)。

實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測功能的關(guān)鍵是加裝各種氣體傳感器，目前我們的系統(tǒng)中設(shè)計安裝了PM2.5傳感器、一氧化碳濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器。其中，第一種傳感器是用來收集門窗之外的數(shù)據(jù)的，后兩種是收集門窗內(nèi)部數(shù)據(jù)的。如果門窗外的PM2.5濃度過高，系統(tǒng)將生成信息通知用戶建議關(guān)窗。但是如果門窗內(nèi)部的二氧化碳、一氧化碳高于危險濃度，系統(tǒng)會自動執(zhí)行開窗動作，并激活蜂鳴器提醒內(nèi)部人員。未來可將系統(tǒng)與國家環(huán)境局的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進行同步，更精準(zhǔn)地收集PM2.5的相關(guān)數(shù)據(jù)，傳感器的功能實現(xiàn)圖如圖4所示。

3.2? 天氣監(jiān)測功能

天氣監(jiān)測主要依據(jù)溫度與濕度兩個傳感器。溫度傳感器可以收集溫度，而濕度傳感器可以收集當(dāng)時的空氣濕度。當(dāng)有降雨天氣時，濕度傳感器可以收集數(shù)據(jù)。當(dāng)濕度數(shù)據(jù)提示該地區(qū)正在降雨時，系統(tǒng)將會生成信息通知用戶，并且請用戶進行決策。未來可將系統(tǒng)與國家氣象臺數(shù)據(jù)共享，可以直接采用氣象臺數(shù)據(jù)，以傳感器為輔助，可以更精準(zhǔn)地控制門窗，傳感器的功能實現(xiàn)圖如圖4所示。

4? 結(jié)? 論

隨著科技的進步，在單片機的基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)更多的軟件控制硬件的功能，未來系統(tǒng)可以與更多的智能化家居同步，比如智能攝像頭、智能燈具、自動化窗簾、空調(diào)、空氣凈化機等等，這樣可以構(gòu)建智能化家居生活的成熟模式，從而使普通家庭也可以享受智能家居帶來的便捷。

參考文獻：

[1] 陳忠平.基于Proteus的51系列單片機設(shè)計與仿真（第3版） [M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[2] 何靜.人類學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)：當(dāng)人腦遇上人工智能 [J].西南民族大學(xué)學(xué)報（人文社科版），2017，38（12）：84-88.

作者簡介：趙浩然（1999.08-），男，漢族，山東濟南人，本科在讀，研究方向：電子技術(shù)及自動化控制;通訊作者：董小燕（1978.11-），女，漢族，江蘇鹽城人，碩士，高級實驗師，研究方向：量子光學(xué)研究及大學(xué)物理實驗教學(xué)法。