基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能窗戶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王偉勝，熊蔣芹，譚玉姣，田澤強(qiáng)，柯銘慧，許四平

(湖北理工學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，湖北 黃石 435003)

隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力增強(qiáng)，人民群眾的物質(zhì)和精神生活水平不斷提高，人們對(duì)住宅的功能需求也越來(lái)越多，除了舒適、溫馨外，還要體現(xiàn)安全化、智能化。

目前，大多數(shù)家庭采用的是平拉式窗戶，窗戶嵌設(shè)在墻體內(nèi)。人們通常會(huì)在外出前打開窗戶給室內(nèi)通風(fēng)，若出門后突降大雨，往往來(lái)不及回家關(guān)窗，導(dǎo)致室內(nèi)進(jìn)水，而且開關(guān)窗對(duì)行動(dòng)不便的老年人、年齡尚小的孩子來(lái)說(shuō)并不是一件簡(jiǎn)單的事。因此,人們迫切需要一種更加智能化的家居自動(dòng)開關(guān)式的窗戶控制系統(tǒng)，能夠可靠地進(jìn)行日常開關(guān)操作，在陽(yáng)光明媚的時(shí)候，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開窗通風(fēng)；在雨天和外界嘈雜時(shí)能自動(dòng)關(guān)窗，讓人們安心工作、學(xué)習(xí)和休息，同時(shí)還可以通過(guò)移動(dòng)端進(jìn)行紅外監(jiān)測(cè)，以防家中被盜。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)是基于全球互通設(shè)備網(wǎng)絡(luò)愿景的新范例。其基本思想是各種各樣的物體能夠相互交互、合作以實(shí)現(xiàn)共同的目標(biāo)。在物聯(lián)網(wǎng)中，各種類型的執(zhí)行器和傳感器通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)連接到互聯(lián)網(wǎng)中，可以找到數(shù)十億個(gè)對(duì)象。物聯(lián)網(wǎng)提供的潛力使大量應(yīng)用的開發(fā)成為可能，如智能家居、智能電網(wǎng)、智能醫(yī)療行業(yè)、智能航運(yùn)和物流以及社交網(wǎng)絡(luò)等，均具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

智能窗戶控制系統(tǒng)由控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、LCD顯示模塊、無(wú)線通信系統(tǒng)模塊、外部環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、紅外線報(bào)警控制模塊等組成。智能窗戶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 智能窗戶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1)外部環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊是指各類傳感器安裝在窗戶框架外部，用于實(shí)時(shí)收集外部環(huán)境(如濕度、噪聲、光強(qiáng))信息，再由LCD顯示模塊即LCD1602液晶顯示屏作為顯示器，來(lái)顯示外部環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)，便于用戶實(shí)時(shí)地了解外部環(huán)境相關(guān)信息。當(dāng)外界條件達(dá)到一定的臨界值時(shí)，微控制單元(MCU)就能夠控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)窗戶的自動(dòng)打開與關(guān)閉。同時(shí)，還可通過(guò)移動(dòng)端給MCU發(fā)送指令，控制電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)開關(guān)窗。

2)紅外線報(bào)警控制模塊用來(lái)監(jiān)測(cè)有無(wú)物體穿越窗戶，若有物體穿過(guò)，則MCU通過(guò)無(wú)線通信模塊向移動(dòng)終端發(fā)送提醒信息，并立即啟動(dòng)應(yīng)急系統(tǒng)，報(bào)警器響起。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

為了精確地控制窗戶開關(guān)，系統(tǒng)采用四相六線步進(jìn)電機(jī)控制窗戶開關(guān)，步進(jìn)電機(jī)由ULN 2003芯片驅(qū)動(dòng)[2]。步進(jìn)電機(jī)的工作方式及控制字見表1[3]。由表1可知，設(shè)四相雙四拍的相序?yàn)锳B→BC→CD→DA ，當(dāng)四相八拍相序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CD→D→DA 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，若通電相序相反，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。

表1 步進(jìn)電機(jī)的工作方式及控制字

3.2 控制器模塊設(shè)計(jì)

控制器模塊即微控制單元(MCU)，采用AT89S52單片機(jī)作為主控制芯片[4]。AT89S52是一款低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器芯片，內(nèi)含8 000字節(jié)的ISP，系統(tǒng)內(nèi)可編程，可反復(fù)擦寫1 000次flash的只讀程序存儲(chǔ)器，采用了ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，兼容標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和80C51引腳結(jié)構(gòu)[5-6]。芯片集成了通用的8個(gè)中央處理器和ISP閃存單元，是一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，可為許多嵌入式控制應(yīng)用提供經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

3.3 外部環(huán)境檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

1)濕度檢測(cè)設(shè)計(jì)。采用DHT11進(jìn)行環(huán)境濕度檢測(cè)。DHT11是一種多功能傳感器，包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，可以測(cè)量溫度和濕度。DTH11以串行單線與8位AT89S52單片機(jī)相連，采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)輸出，具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[6]。當(dāng)檢測(cè)濕度時(shí)，DTH11需要對(duì)采集的濕度進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中。濕度測(cè)量值一般在20%～90%之間波動(dòng)，精度可達(dá)到0.05。上電后，DHT11需要1 s的緩沖時(shí)間，由于電波干擾，DHT11在此期間不穩(wěn)定，所以應(yīng)該在VDD和GND端子上增加一個(gè)額外的電容。

2)光強(qiáng)檢測(cè)設(shè)計(jì)。光敏電阻LY-C1對(duì)環(huán)境光非常敏感，當(dāng)光強(qiáng)變化時(shí)，其自身電阻值發(fā)生變化。當(dāng)光敏電阻兩端的電壓固定時(shí)，若光強(qiáng)變大，則電阻變小、電流變大。因此，采用光敏電阻LY-C1檢測(cè)元件，根據(jù)電流的變化來(lái)計(jì)算光強(qiáng)。光敏電阻輸出的為模擬信號(hào)，需要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。系統(tǒng)采用ADC0832轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，光敏電阻接到ADC0832芯片的引腳CH1。

3)噪聲檢測(cè)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)使用小麥克風(fēng)采集聲音，經(jīng)LM358放大信號(hào)后，采用ADC0832進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終轉(zhuǎn)換成分貝值。

3.4 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶的交互，采用nRF2401收發(fā)器[7]。其包含一個(gè)高速單片機(jī)和高性能射頻核心,其特點(diǎn)是接收靈敏度高、發(fā)射功率和數(shù)據(jù)傳輸速率高，是一款適用于全球2.4～2.5 GHz ISM頻段的單芯片無(wú)線電收發(fā)器，支持與單片機(jī)的數(shù)據(jù)接口。該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)從內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的單片機(jī)單元。nRF24L01可以設(shè)置為接收模式、發(fā)送模式、待機(jī)和掉電模式。

3.5 紅外線報(bào)警控制模塊

采用HC-SR501作為紅外線報(bào)警控制模塊。HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，具有較高的敏感度，而且能夠在電壓很低的情況下工作，還可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)延時(shí)感應(yīng)。例如，當(dāng)有物體直接進(jìn)入檢測(cè)范圍時(shí)，該模塊會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)輸入高電平，該高電平是延時(shí)出現(xiàn)的,如果物體超出了這個(gè)探測(cè)范圍，那么該模塊則會(huì)出現(xiàn)2種結(jié)果，即自動(dòng)地產(chǎn)生延時(shí)輸入高電平，或自動(dòng)地使輸入高電平關(guān)閉,并且輸出一個(gè)低電平。HC-SR501配合蜂鳴器即可實(shí)現(xiàn)紅外報(bào)警。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能窗戶控制系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

圖2 智能窗戶控制系統(tǒng)工作流程圖

4.1 外部環(huán)境檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

外部環(huán)境處理流程圖如圖3所示。溫濕傳感器DHT11檢測(cè)到的數(shù)據(jù)、麥克風(fēng)收集到的聲音和光敏電阻輸出的模擬信號(hào)由ADC0832轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)據(jù)，并在LCD1602液晶顯示屏顯示。取值范圍為0～255，數(shù)值越小，濕度及噪聲越低、光照越弱；數(shù)值越大，濕度及噪聲越大、光照越強(qiáng)，并在LCD1602液晶顯示屏顯示。假設(shè)當(dāng)濕度達(dá)到100%或噪聲達(dá)到60 dB時(shí)，若窗戶沒有關(guān)閉，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)閉窗戶；假設(shè)噪聲小于60 dB且光照強(qiáng)度大于100 Lx，若未開窗，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)開窗。

圖3 外部環(huán)境處理流程圖

4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊軟件設(shè)計(jì)

四相雙四拍步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序流程圖如圖4所示。先判斷單片機(jī)存儲(chǔ)單元51H中的內(nèi)容是否為“1”，若為“1”，表示步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，則51H單元中的8位循環(huán)右移，代表步進(jìn)電機(jī)通電繞組AB，BC，CD，DA逐次正向通電；若為“0”，表示步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，則51H單元中的8位循環(huán)左移，代表步進(jìn)電機(jī)通電繞組AB，BC，CD，DA逐次反向通電。

圖4 四相雙四拍步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序流程圖

4.3 紅外報(bào)警軟件設(shè)計(jì)

智能窗戶控制系統(tǒng)兼具防盜功能。當(dāng)檢測(cè)到有人從窗戶進(jìn)來(lái)時(shí)，紅外傳感器可以激活蜂鳴器，并發(fā)送短信通知。紅外報(bào)警處理流程圖如圖5所示。紅外傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)處理為“真”或“假”，表示是否檢測(cè)到人體。為了防止檢測(cè)錯(cuò)誤，降低紅外檢測(cè)范圍，同時(shí)可在傳感器周圍放置障礙物，以降低檢測(cè)錯(cuò)誤的概率。

圖5 紅外報(bào)警處理流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

智能窗戶控制系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能驅(qū)動(dòng)窗戶開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防雨、防噪、通風(fēng)等功能。以AT89S52芯片為核心，利用溫濕度傳感器、光敏電阻、紅外傳感器、LCD顯示屏等元件，實(shí)現(xiàn)了濕度檢測(cè)、噪聲檢測(cè)、光強(qiáng)檢測(cè)、紅外安全、無(wú)線遙控、液晶顯示等功能，能幫助人們有效解決外界噪音干擾、老人和小孩開窗不便以及家中安全等一系列生活問(wèn)題，提升生活品質(zhì)。