窗戶智能監(jiān)測及清洗系統(tǒng)設計

◎陳喬 李玉麗 姜皓銘 黎青霖

引言：隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，智能家居對人們的生活環(huán)境起著越來越重要的作用。但是目前無論是用于家庭住房的窗戶，還是用于商場、醫(yī)院等公共場所的窗戶，都是傳統(tǒng)型窗戶，即需要人操作其開啟和關閉。本文研究了一種可以檢測環(huán)境中空氣質(zhì)量狀況，既能夠自動開啟和關閉，同時控制后臺能將檢測的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)發(fā)送給住戶，也能遠程控制實現(xiàn)通風或者封閉功能的智能窗戶，從而起到保證室內(nèi)空氣質(zhì)量的目的。窗戶同時也能根據(jù)污染程度用機械臂進行智能清潔，保持窗戶自身的潔凈。

一、系統(tǒng)設計

1.傳感器監(jiān)測系統(tǒng)設計。利用夏普GP2Y1010AU0 粉塵傳感器、溫濕傳感器AM2301 元件檢測出系統(tǒng)需要工作的相關數(shù)值，通過將所檢測的相關數(shù)據(jù)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量發(fā)送到單片機系統(tǒng)。傳感監(jiān)測模塊設置于窗外，用于監(jiān)測外部空氣信息情況，例如PM2.5 濃度檢測、有毒氣體檢測、溫度檢測、濕度檢測等，獲取相關參數(shù)信息。

2.單片機控制系統(tǒng)。STM32 單片機系統(tǒng)實現(xiàn)能與不同的現(xiàn)場設備進行通信。本系統(tǒng)通過運用ZigBee 和藍牙無線傳輸功能做到實時信號傳輸，將各系統(tǒng)信息傳輸?shù)皆破脚_主控制信息顯示端，在OLED 屏幕上進行顯示，以保證系統(tǒng)的信號監(jiān)測以及無線控制，并將控制信號傳輸?shù)绞覂?nèi)空氣凈化系統(tǒng)使其運行，同時用戶也能隨時隨地通過手機APP 來實現(xiàn)精準控制。

3.清洗系統(tǒng)。設計機械臂裝置，通過陀螺儀傳感器來操作擦窗方向的控制，采用壓力傳感器來進行機械臂的伸縮控制，通過這種方式把機械臂設計成可伸縮模式，就能夠?qū)Σ煌叽绲拇皯暨M行擦洗，方便實用。

4.智能警報系統(tǒng)。當本設計其他系統(tǒng)工作出現(xiàn)故障或是數(shù)值預警報告時，通過無線傳輸模塊系統(tǒng)傳送到用戶，達到預警功能。

5.電力系統(tǒng)及相關元件選擇。設計相關的電路，來確保本設計各個系統(tǒng)的電力保障，做好備用電力系統(tǒng)的相關設計，設計的電路線路和所選擇使用的各種元件要能防水，并能在惡劣天氣持續(xù)工作，減少系統(tǒng)的損耗，保證系統(tǒng)的使用壽命。

二、工作過程及原理

當獲得相關信息后，傳感檢測模塊將信息通過無線發(fā)射模塊和無線接收模塊傳送至控制模塊，控制模塊對參數(shù)信息進行判斷，如果在合適范圍內(nèi)，則開始判斷當前窗戶是否處于打開狀態(tài)，如果是打開狀態(tài)，則不進行任何操作，保證窗內(nèi)和窗外的空氣流動，如果當前窗戶是處于關閉狀態(tài)，則使位置檢測模塊開始工作，再使電機傳動模塊開始工作，電機轉(zhuǎn)動，使窗戶打開，此時當位置檢測模塊感應到窗戶達到窗框的邊界極限位置時，則通知控制模塊，此時控制模塊關閉電機傳動模塊后再關閉位置檢測模塊。此時，窗戶打開，窗內(nèi)和窗外開始空氣流通。同樣地，如果傳感檢測模塊將信息由無憑通訊模塊傳送至控制模塊后，控制模塊判斷當前的空氣參數(shù)不在合適范圍內(nèi)，例如PM2.5 濃度超標，則開始判斷當前窗戶是否處于打開狀態(tài)，如果是關閉狀態(tài)，則將報警信號通過無線傳輸傳達給用戶，用戶決定是否啟動清潔系統(tǒng)，清潔系統(tǒng)采用機械臂加陀螺儀，在窗內(nèi)和窗外的隔絕的同時確保窗戶干凈：如果當前窗戶是處于打開狀態(tài)，則使位置檢測模塊開始工作，再使電機傳動模塊開始工作，電機轉(zhuǎn)動，使窗戶關閉，此時當位置檢測模塊感應到窗戶達到窗框的邊界極限位置時，則通知控制模塊，此時控制模塊關閉電機傳動模塊后再關閉位置檢測模塊，此時，窗戶關閉，窗內(nèi)和窗外相互隔絕，再由用戶決定是否啟動清潔。

進行以上操作時，如果傳感檢測模塊檢測到空氣質(zhì)量不在合適范圍時，可以同時開啟報警模塊，警告相關人員，得到報警應答后取消報警。原理如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

三、結(jié)語

本文所提到的窗戶的智能監(jiān)測和清洗系統(tǒng)，針對目前智能家居對空氣質(zhì)量的需求結(jié)合高層建筑玻璃窗和玻璃幕墻的清潔方式存在的不足，提出一種基于STM32 單片機的窗戶自動監(jiān)測及清洗系統(tǒng)解決方案。對系統(tǒng)整體功能和總體設計方案進行了描述，介紹了各個功能模塊的設計步驟和核心思想。通過在實驗室試驗平臺上進行測試，表明本系統(tǒng)的性能達到設計目標，實現(xiàn)了預期的各種功能，能夠在成本、效率、簡便度等方面取得一個較好的平衡點。同時機械清洗降低了人工對高層建筑物窗戶外側(cè)清洗時不安全不方便的因素；設計的思想對于建筑物自動化清洗領域也有著重要的參考意義。