基于STM32的智能窗口控制系統(tǒng)設計

王洋 阮瑩

摘 要：本文以STM32單片機為核心，設計了一套智能窗口控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對室內(nèi)外溫度、濕度、光照度，室外雨量、風速，室內(nèi)人體等環(huán)境因素進行實時監(jiān)測，并根據(jù)設定的相關參數(shù)標準值，智能進行窗簾與窗戶的開閉。并使用WIFI無線通信，融入手機APP控制，通過手機APP可實現(xiàn)各種信息展示、參數(shù)設定、控制指令下發(fā)、異常信息提示、歷史數(shù)據(jù)分析等功能，可實現(xiàn)家居窗口的智能化，為人們提供一個舒適、有樂趣的居住環(huán)境。

關鍵詞：STM32;智能家居;智能窗口;控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

0 引言

隨著現(xiàn)代自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的生活在不斷地向自動化、信息化、智能化發(fā)展，萬物互聯(lián)不再是夢想，智能家居是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)影響下的萬物互聯(lián)的具體體現(xiàn)。智能家居可將各種家用電器通過互聯(lián)網(wǎng)進行互聯(lián)，并將原本手動操作的裝置進行自動化改造，一起通過互聯(lián)網(wǎng)并入到智能物聯(lián)網(wǎng)中。

窗口作為室內(nèi)與室外溝通的橋梁，是調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量、溫度、濕度、光照度等環(huán)境要素的重要裝置，因此對其進行自動化、智能化改造，融入互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)中[1]，對提高人們生活便利性、增加生活樂趣、拉動消費增長具有一定的意義。

1 控制系統(tǒng)設計方案

如圖1所示，以單片機為控制核心，通過對溫度、濕度、光照度、人體、雨量、風速等參數(shù)的實時監(jiān)測，實現(xiàn)窗簾、窗戶的智能開閉[2]。并加入WIFI無線通信功能，通過手機即可實現(xiàn)該系統(tǒng)相關參數(shù)的設置和相關信息的獲取，使系統(tǒng)更加智能化、個性化，增加人機互動樂趣。

2 控制系統(tǒng)硬件選型

控制系統(tǒng)硬件由單片機、溫濕度傳感器、光照度傳感器、雨量傳感器、風速傳感器、人體傳感器、WIFI無線通信、電機控制與限位等模塊組成[3]。

2.1 單片機選型

該系統(tǒng)采用嵌入式單片機，制成集成電路板，較PLC可大大節(jié)省空間，增加控制的靈活性。單片機常用的有基本的51單片機和高性能的ARM系列單片機。51系列通常是8位單片機，價格低廉，但存在集成度較低、A/D等功能需要擴展，晶振頻率<24 MHz、處理速度較慢，芯片保護能力差、易燒毀等缺點。ARM系列是高性能單片機，如STM32系列，32位Cortex-M3內(nèi)核、集成十多路A/D檢測、晶振頻率通常為72MHz、有多達11個定時器，處理速度快、功能強大。

選用工業(yè)應用廣泛的STM32F103ZET6單片機，LQFP封裝100引腳，滿足該控制系統(tǒng)功能需求和處理速度要求，且獲取渠道多、成本較低。

2.2 溫濕度傳感器模塊選型

室內(nèi)、室外皆需溫度傳感器和濕度傳感器采集對應溫度和濕度信號，如圖2所示，選用集成溫度和濕度檢測功能的DHT22溫濕度傳感器模塊，濕度測量范圍：0%～100% RH，精度±2% TH;溫度測量范圍：-40℃～+80℃，精度±0.5℃。該模塊可采用DC3.3 V供電，單線串行接口，該模塊為3線接口：3.3 V＼GND＼DATA。

2.3 光照度傳感器模塊選型

室內(nèi)、室外皆需該傳感器，光照度的檢測不需特定方向，因此檢測元件不采用光敏二極管。如圖2所示，選用5 GM55系列光敏電阻組成的光照度傳感器模塊，使用環(huán)境溫度：-30℃～+70℃，響應時間20 ms～30 ms。該模塊可采用DC3.3V供電，有1個模擬量輸出接口和1個數(shù)字量輸出接口，該模塊為4線接口：3.3 V＼GND＼AOUT＼DOUT，該系統(tǒng)不使用其數(shù)字量輸出接口DOUT。

2.4 雨量傳感器模塊選型

室外需要此模塊，如圖2所示，采用由LM393比較器模塊和雨量采集板組成的雨量傳感器模塊，該模塊可采用DC3.3 V供電，有1個模擬量輸出接口和1個數(shù)字量輸出接口，該模塊為4線接口：3.3 V＼GND＼AOUT＼DOUT，該系統(tǒng)不使用其數(shù)字量輸出接口DOUT。

2.5 風速傳感器模塊選型

室外需要此模塊，如圖3所示，選用三杯模擬量風速變送器，使用環(huán)境溫度：-30℃～+80℃，環(huán)境濕度0%～100%RH，風速測量范圍0 m/s～30 m/s，測量精度±1 m/s，波特率2400/4800/9600。DC12 V供電，信號輸出端口為0 V～5 V模擬量，該模塊為3線接口：12 V＼GND＼AOUT。

2.6 人體傳感器模塊選型

室內(nèi)需要此模塊，如圖3所示，選用SR602人體紅外感應模塊，感應距離為0 m～5 m，DC3.3 V供電，信號輸出端口為數(shù)字量接口，該模塊為3線接口：3.3 V＼GND＼DOUT。

2.7 WIFI模塊選型

家居類控制系統(tǒng)通信通常采用WIFI，借助家庭路由器搭建通信網(wǎng)絡較為方便[4]，與手機、電腦等設備兼容性好。如圖3所示，選用正點原子的ATK-ESP8266 WIFI模塊，支持STA/AP/STA+AP三種模式，本系統(tǒng)使用STA模式：WIFI模塊通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，手機通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對設備的遠程控制和信息傳輸。該模塊可采用DC3.3V供電，有1對串行通信接口和2個數(shù)字量輸入接口，該模塊為6線接口：3.3 V＼GND＼TXD＼RXD＼RST＼IO0，其中TXD/RXD為串行通信接口，RST為復位接口，IO0可選擇運行模式或燒寫模式。

2.8 電機控制與限位

2.8.1 單相AC220 V電機

家電都是采用單相AC220 V供電，因此窗簾驅(qū)動電機和窗戶驅(qū)動電機可選用單相AC220 V電機，且價格較低廉，具體型號需根據(jù)現(xiàn)場情況確定。單相交流電機的正反轉(zhuǎn)接線如圖4所示，由兩個繼電器K1和K2控制實現(xiàn)（K1和K2不可同時閉合）。

2.8.2 開關到位行程開關

因窗簾驅(qū)動電機和窗戶驅(qū)動電機為開環(huán)控制，因此在窗簾打開和關閉的兩端、窗戶打開和關閉的兩端，共設置4個行程開關，用于識別窗簾和窗戶是否開關到位，且能防止電機過流。

3 核心電路板原理圖設計

核心電路板實現(xiàn)對各模塊供電、各傳感器信號收集、各行程開關信號收集、各電機正反轉(zhuǎn)控制等功能，原理圖如圖5所示。

3.1 供電模塊及接口

控制系統(tǒng)供電采用AC220 V輸入、DC 5V&12 V輸出的開關電源。為核心電路板提供DC5 V和DC12 V，DC5 V經(jīng)過變壓與穩(wěn)壓模塊后，給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的DC5 V和DC3.3 V控制電源。

3.2 數(shù)字量輸入模塊及接口

1個人體傳感器模塊、2個溫濕度傳感器模塊的信號輸出采用數(shù)字量接口，直接與單片機接口進行連接。

4個行程開關采用DC12 V供電，因此行程開關到單片機的信號需要先經(jīng)過光耦TLP521進行隔離轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為3.3 V信號后再輸入單片機接口。

3.3 模擬量輸入模塊及接口

2個光照度傳感器模塊、1個雨量傳感器模塊、1個風速傳感器模塊的信號輸出采用模擬量接口，需經(jīng)過分壓、LM358放大器后，分別輸入單片機不同的A/D接口。

3.4 繼電器模塊及接口

采用DC12 V線圈繼電器，每個繼電器使用兩個常開觸點，控制一個電機的一個轉(zhuǎn)動方向，因此一個電機的正反轉(zhuǎn)需要兩個繼電器模塊，且此兩個繼電器不可同時閉合。窗簾驅(qū)動電機和窗戶驅(qū)動電機共需4個繼電器模塊。

4 控制系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)的控制方式有兩種：智能控制模式和人工控制模式，人工設定相關參數(shù)后即可實現(xiàn)智能控制[5]，同時人工控制具有更高的優(yōu)先級。人機互動通過手機APP實現(xiàn)。

4.1 智能控制模式

通過手機端APP界面設定人體舒適溫度值和濕度值、打開窗簾光照度值和關閉窗簾光照度值、早晨開窗時間、晚上關窗時間、雨量、風速、開窗時間等參數(shù)。

如圖6所示，系統(tǒng)不斷檢測實時的室內(nèi)室外溫度、濕度、室內(nèi)室外光照度、人體檢測、雨量、風速等參數(shù)，如遇到雨量或風速大于設定值，則自動關窗。否則按照設定的室內(nèi)室外溫度、濕度、室內(nèi)室外光照度和早晨開窗時間、晚上關窗時間進行判斷是否進行開關窗動作。

冬天和夏天因為室內(nèi)外溫差較大，換氣不需要開太大的窗口，因此冬夏開較小的窗口即可，春天和秋天窗口可以開的大些。且窗口開的程度不需太精確，窗簾驅(qū)動電機和窗戶驅(qū)動電機沒有采用成本較高的伺服電機，而是通過控制繼電器閉合時間的長短來實現(xiàn)的。窗簾和窗戶開閉到位的狀態(tài)和電機的保護是依靠檢測行程開關的狀態(tài)實現(xiàn)的。

4.2 人工控制模式

除了系統(tǒng)智能運行參數(shù)的設定，人工可隨時通過手機APP獲取各傳感器實時信息、異常提示信息，還可手動控制窗簾、窗戶的開閉，且人工模式優(yōu)先級高于智能模式[6]。

4.3 手機端APP

手機端APP需具備與控制系統(tǒng)進行WIFI通信的功能，實時獲取并展示系統(tǒng)各模塊狀態(tài)信息，并可下發(fā)參數(shù)、控制指令，展示異常提示信息;具備數(shù)據(jù)存儲和分析功能，對系統(tǒng)各模塊獲取的實時信息進行存儲，并可查詢和分析歷史信息。

5 結(jié)論

本文以STM32F103ZET6單片機為控制核心，采用WIFI無線通信方式，依托手機APP平臺，設計了一套智能窗口控制系統(tǒng)。對室內(nèi)外溫度、濕度、光照度，室外雨量、風速，室內(nèi)人體等環(huán)境因素進行實時監(jiān)測，并根據(jù)手機設定的相關參數(shù)標準值，智能進行窗簾與窗戶的開閉。還可通過手機APP實現(xiàn)各種信息展示、控制指令下發(fā)、異常信息提示、歷史數(shù)據(jù)分析等功能，實現(xiàn)了家居窗口的智能化控制，可提高人們的生活便利性、增加人們的生活樂趣。

參考文獻：

[1]鄧圓，李佳佳，何秋元.基于STC89C52的智能窗戶設計[J].電腦知識與技術(shù)，2020，16（13）：206-207.

[2]李小敏，張翠玲，趙艷麗.一種基于STC12C5A60S2的智能窗戶系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（05）：70-72.

[3]吳哲，劉星雨，黃建行，等.基于多傳感器融合的智能窗設計與實現(xiàn)[J].電工技術(shù)，2019，40（12）：19-21.

[4]王盟.基于ZigBee通信技術(shù)在智能家居中的應用[J].長春大學學報，2019，29（02）：1-5.

[5]陳傳軍，王瑞東，廖偉豪，等.全自動化智能窗戶智能控制系統(tǒng)設計[J].科技經(jīng)濟導刊，2019，29（12）：51+55.

[6]王健，王一凡.基于STM32的空調(diào)與窗戶聯(lián)動自動控制系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2019，27（03）：115-118.