家庭窗户自动开关管理系统设计

张昊泽

(北京市大峪中学,北京 102300)

随着现如今城市生活节奏的加快,多数人面临居家时间减少的问题,而当人们外出工作时,家中窗户的打开与关闭往往成为一个难题。当遇到室内外空气质量的变化、狂风或暴雨等天气的变化时,如若不能及时开关窗户,将带来室内环境污染、风雨侵袭等问题,尤其是在厨房煤气灶使用不得当时,更会引发煤气中毒等严重后果。自动化技术的发展为解决上述问题提供了思路与方向。在自动化家具的研发与使用愈发成熟的今天,设计一种可以及时自动开关窗户的家庭窗户自动开关管理系统,便可以大大减少不必要的人力投入、环境污染和财务损失等,具有较强的现实意义。

1 方案选择

单片机系统是日常生活中常用的微型控制系统,它具有构造简单,体积小,故障率低等特点。单片机系统通常由运算器、执行器、寄存器等组成,它可以配合各种传感器通过收集环境信息从而执行相应的程序指令,广泛应用于航空航天、工业生产、自动化设备等。

1.1 系统方案选择

本设计采用STM32系列单片机作为微控制单元搭建自动化控制系统。系统组成包括各种传感器、专用配套放大器、STM32系列单片机以及窗户开关执行机构等。系统的主要运行过程可以简单表述为：相应的被测物理量经过数据采集系统传输到微控制器,微控制器再根据既定的程序控制窗户开关执行机构的动作。

图1 数据采集系统组成

图2 执行机构示意图

如图1所示,数据采集系统主要实现从传感器和其它待测设备的物理信号数据被单元中微控制器自动采集信息的过程。本系统所采用的单片机数据采集系统可以利用不同种类的温度、湿度、气流、空气质量、一氧化碳气体浓度等传感器对相应物理信号进行采集;其次通过专用配套放大器将信号处理放大;然后利用A／D转换器将放大后的模拟量转换成数字量传输给微控制器;最后微控制器将会对相应的数据信息进行处理计算从而控制执行机构进行运作。

1.2 执行机构设计

控制窗户开关的执行机构设计包括电机设计与机械臂设计。如图2所示,电机与单片机系统连接,单片机可以通过分析当前环境状况控制电机的转动,电机的转动将驱动关节轴的转动,驱使机械臂伸长与收缩。机械臂由两根金属杆所构成,它们通过一个关节轴进行连接,分别固定在窗户的边框上与窗框上,当电机向一个方向转动时,驱动关节轴转动,从而带动窗户打开;同理,当电机向另一方向转动时,驱动关节轴反方向转动,从而带动窗户的关闭。

需要特别注意的是,当窗户处于自动控制状态时,出于各种不同的原因(如：使用者的主观需求),需要手动控制窗户的开关,然而在市面上现有的自动开关窗设计中,大多数设计只能进行自动控制,不能够人为控制窗户的开关,这将会给使用者带来较差的使用体验。本系统在窗户自动控制开关时,充分考虑使用者的需求,窗户不仅仅由自动控制系统所控制,还可以进行人为控制窗户开关的操作,窗户处于自动控制时可以被手动干预,并且执行机构的安装不会干扰到手动控制。

2 系统硬件设计

2.1 系统组成

本控制管理系统主要由单片机系统、相匹配的放大器、温度测试传感器、湿度测试传感器、气流测试传感器、空气质量测试传感器、一氧化碳气体浓度监测传感器等组成。其系统结构框图如图3所示。

图3 系统组成框图

表1 湿度敏感型控制方案中不同环境量对应窗户动作状态和优先级

2.2 各部分组成

在本设计中涉及到多种不同类型的传感器、单片机控制系统、键盘、显示模块、人机交互模块等系统硬件,不同的系统硬件之间需相互协调,才能达到精准度高,效率高,实际意义显著的目的。

2.2.1 传感器选择

在一个具体的测试系统中,需优先考虑所选的传感器,传感器的选择需要考虑以下具体问题,如：传感器的量程;传感器的测试温度;传感器的类型等。需要针对不同用途的传感器确定所需要的类型。

温度传感器选用热敏电阻温度传感器,其灵敏度较高、体积小、使用方便。湿度传感器选用湿敏电阻湿度传感器,其准确度较高。气流(风压)传感器选用微差压传感器其受动压影响小,可用来对潮湿、浑浊的气体进行测量。空气质量(污染)传感器选用常见的空气质量检测净化装置,既可检测空气中所存在的多种空气质量污染物,同时还可以监测可吸入颗粒物(PM10、PM2.5等)的浓度,其灵敏度较高,稳定性较强。一氧化碳气体浓度监测传感器选用检测与警报器一体的传感器,确保其精度高、测量准确,并能够在检测到一氧化碳气体时发出警报,以警报声为信号传递室内一氧化碳气体浓度超标、构成人身安全的信息。

不同种类的传感器同时运作,将所测得的数据通过电路传递至单片机控制系统实现数据采集系统的高效利用。

2.2.2 微控制器(单片机)

单片机微控制器是本系统设计的核心,是将传感器所测得的数据进行处理并向执行机构、显示模块、人机交互模块传达命令的核心装置。STM32系列单片机是常使用的微控制器,本设计采用基本型STM32系列单片机,其性能较高、成本较低、功耗较低,可有效地将采集到的数据进行处理,并控制整个系统的运行。

2.2.3 其他部分

显示模块使用LCD显示屏,可以将单片机系统接收处理所得到的温度、湿度、空气质量等数据信息进行显示,此外还可以进行系统工作状态正常与否的显示。

人机交互模块可以通过蓝牙、无线网的方式将系统的工作状态与窗户所处于的动作状态向其它电子设备进行远程信息传递,同时外部终端也可以远程对系统进行控制。

3 软件设计

3.1 窗户自动开关控制情况分析

本设计主要针对室外温度、室外湿度、室外风力、室内外空气质量以及室内一氧化碳气体浓度为所测量的模拟量实现窗户的自动开关,并可与手动调控相结合,共同控制窗户的开与关。窗户的自动控制系统在接收到来自不同传感器的不同信号时,呈现出不同的打开或关闭的状态。

图4 湿度敏感型控制方案程序设计流程图

由于本设计所检测到的环境量较多,不同使用者对于不同环境条件下窗户的开关状态的需求不同,因此可能对于环境数据处理的先后顺序也会有不同的需求。针对这样的情况,本系统为更好地满足用户的使用需求,预先拟定了3种不同的控制方案,分别为温度敏感型、湿度敏感型和空气质量敏感型。此外,还预留了一种用户自定义操作状态,用户可以根据自身使用需求对各环境量的系统响应优先级进行自定义。

下面以湿度敏感型控制方案为例进行详细的介绍：

表1为湿度敏感型控制方案中不同环境量对应窗户动作状态和优先级。一氧化碳气体是燃气不完全燃烧时产生的有毒气体,当检测到一氧化碳气体时应当立即开窗,以人身安全为最优先事项。雨雪天气时,室外的空气湿度相对较高,中雨时空气湿度可达到80%,如果不能及时关窗将有可能发生雨雪进入室内并造成室内环境的污染以及财物损失的情况,因此也应优先考虑。风力过强时,空气中的扬尘容易被吹进室内,造成环境污染,并且当风速达到10.8至13.8m/s时,风级将达到6级风,可能吹倒室内的陈设,造成财物损失,对于室内环境影响较大,所以风力的检测优先考虑。保证室内温度的适宜同样是人们对于房屋内环境评价最重要的参考指标之一,室内环境的最适宜温度大约处在18摄氏度到25摄氏度之间,但是考虑到不同的季节,室外温度的变化范围不同,所以本系统针对温度检测设置了相应的最高温度与最低温度界限。空气质量的检测必要性相对较弱,可以适当延缓考虑。

3.2 系统自动控制部分程序设计

仍然以湿度敏感型控制方案为例,在此按照表1所给出的优先级仍以一氧化碳气体浓度为第一优先级,湿度为第二优先级为例进行系统程序设计。图4为湿度敏感型控制方案程序设计流程图。

系统初始化完毕后,首先处理一氧化碳气体浓度检测传感器所传回的数据,当检测到室内一氧化碳气体超标时自动开窗,否则继续处理湿度传感器所传回数据,当检测到室外湿度超过80%时自动关窗,否则继续处理空气流速传感器传回的数据,当室外空气流速达到10.8m/s时自动关窗,否则继续处理温度传感器传回的数据,当室外温度低于18摄氏度或高于25摄氏度时自动关窗,否则继续处理空气质量传感器传回的数据,当检测到室内空气质量高于室外空气质量时自动关窗,否则自动开窗,每次执行开窗或关窗的命令后,会发送信号到电子设备并在10分钟后循环上述检测执行过程。

3.3 手动操作与自动控制之间的冲突与解决

图5 中断处理子程序流程图

在窗户的使用过程中,自动控制系统可以大大增加窗户对于环境变化的应激性,减少人力投入与室内环境污染,但是在实际操控过程中,涉及到人为控制窗户的关闭,在不同情况下,人们会出于不同原因做出与自动控制相反的指令操作,这也就构成了在窗户实用的过程中自动控制与手动控制的冲突。

面对自动与手动控制的冲突,市面上现有的设计大多数没有相应的处理措施,这也就导致了在真正使用过程中,人不能根据自己的需求控制窗户的开关,大大降低了产品的灵活性,给客户带来了较差的使用体验,为此本设计针对手动操作与自动控制的矛盾进行了进一步的设计与处理。

为了能够实现在系统设计中窗户既可以通过自动控制自动调控窗户的打开或关闭,也可以通过手动操作调控窗户的打开或关闭,本系统采用了两种操作模式：

第一种为自动开关模式,可以根据室外温度、室外湿度、室外风力、室内外空气质量以及室内一氧化碳气体自动控制窗户的开与闭,在自动控制模式下,存在两个按键分别为按键“自动开”和“自动关”,当按下按键“自动开”时,系统将执行自动控制系统,当按下按键“自动关”时,系统将停止执行自动控制系统。

第二种为自动控制与手动操作并行模式,便于人们的操作以及对于突发状况等因素的处理。当处于自动控制模式时将根据所测得的数据进行处理,对于不同的环境状况做出相适合的命令,控制窗户的打开与关闭;当客户需要进行手动控制时,存在两个按键“手动关”和“手动开”当按下按键“手动关”时,窗户将被关闭,当按下按键“手动开”时,窗户将被打开,手动控制信号会在自动程序执行时形成中断信号,程序在此会进入中断处理子程序,在一段时间后系统将返回继续执行自动控制的主程序。系统中断自动控制后恢复的时间可由客户自主设定。

图5以10分钟后恢复自动控制系统为例进行手动控制与自动控制相协调的进一步说明。例如,当按下按键“自动开”时,自动控制系统根据环境信息调控窗户为开启状态,在此时按下按键“手动关”,窗户将自动关闭,并停止自动控制系统的执行,并在10分钟后继续执行自动控制,根据当前的环境状况做出相应的命令。

图6 系统控制面板

上述四个按键,位于系统控制面板键盘处,方便客户使用,如图6。

4 总结与展望

本文针对日常生活中窗户不能自动打开与关闭会造成的室内环境污染与财物损失的问题进行了分析,利用了多种功能的传感器进行数据采集,配合S TM 32单片机系统进行控制,设计了一种家庭窗户自动开关系统,实现了在各种不同情况下对于窗户自动开关的调控,同时采取了自动控制与手动操作相结合的设计,解决了自动控制与手动操作之间的矛盾。本系统设计小巧灵便、结构简单、可监控性强、实用性高,在自动化家具的使用不断扩大的今天,具有较好的应用前景。由于本人知识水平和时间所限,文中仍有很多问题未能很好解决,还需进一步完善。

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