一种低成本的多功能智能窗控制系统

阎昌国+陈少才+李青

摘 要：以单片机为核心控制器，提出了一种低成本的多功能智能窗控制系统设计新方案。系统通过光敏电阻、红外检测、限位开关、风雨传感器、温度传感器及烟雾传感器等设备对家居内外环境信息进行监控并作出自动开关窗的判定，实现了防强光、防干燥、防潮湿、防风、防雨、防毒、防盗等多个实用功能。仿真结果表明，该方案是正确的、可行的与有效的，具有结构简单、功能完整、成本低、机电一体化程度高等特点，对智能家居系统开发有较强的工程导向价值。

关键词：单片机；低成本；多功能；智能窗

中图分类号：TM383 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）07-0025-03

Abstract： A new design scheme of multi-function intelligent window control system with low cost is proposed based on the single-chip microcontroller unit. The system monitors the environment information inside and outside the home by means of photosensitive resistor， infrared detection， limit switch， wind and rain sensor， temperature sensor and smoke sensor， and makes the decision of automatic switch window. The utility model realizes many practical functions， such as strong light protection， dry protection， humidity prevention， wind protection， rain protection， antivirus， theft prevention and so on. The simulation results show that the scheme is correct， feasible and effective， and has the characteristics of simple structure， complete function， low cost and high degree of electromechanical integration. It has strong engineering guidance value for the development of smart home system.

Keywords： microcontroller unit （MCU）； low cost； multifunction； smart window

随着科学技术的快速发展与人们生活水平的逐步提高，智能家居的概念已深入人心，并正影响着人们的思维，人们在疲于应对工作之余，对安全、舒适、便利与健康的家居生活表现出了日益迫切的需求[1-3]。窗户作为家居主体的一部分，是居室同外界进行温度、湿度、光照及空气交流互换的主要通道，与人们的健康密切相关[4-5]。但日前人们使用的窗户大多是单纯的推拉或平移式手动窗户，不具备任何智能化功能。如果赋予了窗户一定的智能功能，如下雨自动关窗、室内有害气体超标自动开窗、盗贼从窗潜入自动报警等，这将在给人们生活带来诸多方便的同时又能极大地降低家居意外事故的发生率，可见，这种带有多功能的智能窗更能满足人们。在强调人的主观能动性、协调家居生活同自然界自适应方面有着十分重要的现实意义[6-7]。

为此，本文提出了一个以单片机为核心的智能窗控制系统制作方案，可准确地依据居室生活所处的温度、湿度、风速、雨况、光照、盗情与毒情等环境信息的变化对窗户的开启或关閉状态作出相应的自动控制。文中给出了该方案的总体架构，详述了部分主要电路的工作原理，分析了系统多个功能的优先响应顺序，最后通过搭建一个实验仿真系统证实了该方案的正确性、可行性与有效性。

1 系统架构

智能窗是一个机电一体化程度较高的装置，其控制系统的设计在影响装置整体性能方面扮演着十分重要的角色。图1示出了所提方案的控制系统总体架构框图，该架构的控制核心为一款性价比较高的单片机AT89C52，其具备体积小、成本低、控制简单等优点。前端多个传感器对窗户内外环境进行实时数据采集，通过单片机对该数据作进一步的分析处理，生成相应的信号经驱动电路去作用受控对象步进电机，从而实现窗户的多功能智能控制。

2 主要电路设计

2.1 防毒检测电路

MQ-2烟雾传感器对液化气、天然气与煤气都有较好的灵敏度，有较长的使用寿命与较高的稳定可靠性能，特别适用于家居气体泄漏监测，其检测电路如图2所示。原理为：当前端检测有可燃气体时，传感器输出有效信号，与第一比较电路（图中虚线框部分）设定阈值进行比较，当比较结果为大于设定值时，单片机P3.6口将获得低电平，触发中断子程序，执行开窗防毒并报警，同时指示灯LED亮。

2.2 防盗检测电路

HC-SR501是一种常用的红外感应传感器，有功耗小、感应不可重复触发、可长期工作的优点，其检测电路如图3所示。原理为：当前端检测到有人爬窗时，传感器输出有效信号，经由BIS0001构建的信号处理电路后，将使单片机P3.7口获得低电平，触发中断子程序，执行关窗防盗并报警。

2.3 防雨检测电路

雨滴检测采用Arduino传感器，通过搭配第二比较电路（图中虚线框部分）来识别湿雨天气，其检测电路如图4所示。原理为：当前端感应到有雨滴时，传感器输出有效信号，与第二比较电路预设值进行比较，当比较结果大于预设值时，单片机P0.2口获得低电平，控制关窗防雨，指示灯LED1亮。endprint

3 软件分析设计

考虑上述电路已代替了部分软件功能，故软件的设计变得相对容易，具体流程如图5所示。为充分体现人性化设计，设置手动开关窗为最高优先级。具体的工作流程为：在开窗动作中，将毒情与高温设置为第二优先级，当检测到煤气泄漏或居室温度过高时，电机正转开窗并报警；第三优先级为盗情，最后为强光，当检测到光照较强，且无盗情发生时，电机正转开窗；当有盗情发生，光照仍较强时，系统默认关窗。在关窗动作中，将盗情设置为第二优先级，当检测到有爬窗行为时，电机反转关窗并报警；第三优先级为毒情与高温，其次为大风与大雨，当检测到有大风或大雨，且无毒情或高温发生时，电机反转关窗；当有毒情或居室高温，室外仍有大风或大雨时，系统默认开窗。无论电机正转还是反转运行，当窗户位置检测电路监测到窗体靠近左或右边沿时，电机都停止运行。

4 仿真证实

为了验证上述理论分析的正确性，在Proteus中搭建了一个简易仿真系统[8]。考虑到仿真软件中缺乏数据采集前端的各传感器模块，故在仿真时做了一些合理的处理，图6示出了系统的仿真结果。默认值为：光照为0万LX（勒克斯）；温度为0℃；湿度为0%；CO浓度为0%。设定阈值为：光照为0.1万LX；温度为25℃；湿度为80%；CO浓度为0.01%。由图可知，系统日前处于毒情盗情并发、温度湿度超标、光照较强的多种恶劣环境工况下，运行结果为打开窗扇并实施报警。这表明，在除人为手动开关窗外，系统一旦触发毒情即立马开窗报警，与上述理论分析一致。

5 结束语

本文利用單片机+多传感器提出了一个低成本的多功能智能窗控制系统设计方案。该方案能集电、温、光、声、机等技术于一体，兼顾了智能化与人性化设计，扩展性较好，结构较为完整，有较强的实用价值，可为智能家居系统研发与设计提供有意义的指导思想。

参考文献：

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[2]张桂青，鹿曼，汪明，等.智能家居的“春天”来了[J].计算机科学，2013，40（6A）：398-402.

[3]胡泽，谢小辉，葛亮，等.自适应智能家居控制系统的设计[J].现代电子技术，2016，39（4）：51-54.

[4]何国渊，廖志飞，杨太任，等.基于IAP15F2K61S2单片机的多传感器新型智能窗控制系统[J].机床与液压，2015，43（8）：148-151.

[5]宰文姣，汪华章.基于步进电机的智能窗户控制系统设计[J].微特电机，2015，43（6）：83-86.

[6]高素萍，李旭斌，钟德勇，等.智能窗控制系统设计与实现[J].低压电器，2009（20）：8-11+47.

[7]汪倩倩，汤煊琳，彭丽萍.基于单片机的智能窗控制系统设计[J].自动化与仪器仪表，2015（10）：239-241.

[8]候玉宝.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2008（4）：985-993.endprint