一种基于环境因子变化的可自动控制智能窗户的设计＊

2018-12-18郝思思张倩张慧古淳月郝佩瑶

科技与创新 2018年23期

郝思思，张倩，张慧，古淳月，郝佩瑶

郝思思，张倩，张慧，古淳月，郝佩瑶

（西北工业大学工程训练实践中心，陕西西安 710129）

随着互联网、物联网技术及信息技术的快速发展，智能家居产业变得越来越热门，而窗户作为室内与外界贯通的通道，将其智能化具有重要的意义。以室内防霾为出发点，设计了一款智能窗户，旨在解决开窗和雾霾、扬尘等恶劣天气变化间的矛盾。采用STC89C52单片机与传感器件正常通信，并对数据进行正确处理，及时响应环境因子（雾霾、温度、雨滴、人体）的变化。通过智能窗户的感知、控制系统，实时应对恶劣天气变化，给予人们更加舒适的家居体验，并带有太阳能供电系统，节能环保。

智能窗户；雾霾；STC89C52；控制系统

1 研究现状

美国和欧洲的一些国家最先研究智能家居，是世界领先者。在功能方面，仍停留在简单的传感器集成。而我国对于智能窗户还处于实验室阶段，主要集中于各高校，研究的范围分为防盗和应对天气变化。近年来雾霾横行，但市面上依旧未能有任何报告显示提出关于防雾霾的智能窗户，因此，设计一款多功能的基于环境因子变化的智能窗户很有必要。

2 技术路线

2.1 机械结构

传动示意图如图1所示。

图1 传动示意图

将电机作为动力源，把齿条作为窗框底部，利用电机的转动和齿轮、齿条的传动拉动窗户向左右平移。其结构制作简单，用料节省成本低，并且由于是直接控制，避免了传动过程中累计的误差，转动的精度更高，可以更准确地执行控制指令。

2.2 硬件控制

采用高性能8位单片机STC89C52，以MCS-51为核心，以宏景科技有限公司为主控板，控制烟雾监测模块、温湿度检测模块、降雨感应模块、人体感应模块、传输模块、太阳能模块和显示模块。

2.2.1 雾霾监测模块

在本文中，通过灰尘传感器的光散射原理与Arduino方法的组合来检测烟雾。Arduino利用串口与52单片机进行通信，用 GP2Y1014AU0F光学传感器，通过计算散射光的强度得出灰尘的浓度，将结果发送给52单片机。

2.2.2 温湿度检测模块

本文中使用的温度和湿度传感器是DS18B20，它具有品质优良、响应速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点。单线串行接口使系统集成变得简单、快捷；超小尺寸，功耗极低，信号传输距离超过20 m。

2.2.3 降雨感知模块

本文中雨滴检测采用的是YL-83雨滴传感器，该传感器分为2部分，即感应板和信号比较电路。感应板采用高品质FR-04双面材料，规格为50 mm×40 mm，表面用镀镍处理，抗氧化性和导电性更加优越。主要用于感知是否有雨水降落，置于室外，信号比较电路板规格为32 mm×14 mm。信号比较运用电压比较器LM393，输出波形完美，信号纯净，用于对感应板采集回来的信号进行比较处理，然后输出给单片机分析计算。

2.2.4 人体感应模块

本设计中的人体检测是通过人体温度释放的红外线与红外热释电传感器相结合实现的，使用无源热电红外探测器HC-SR501。人体的正常体温在36～37 ℃。HC-SR501通过检测从人体温度发出的约10 μm的红外线起作用。

2.2.5 传动模块

步进电机在本文的设计中作为主要的传动结构，采用的是5 V电源驱动的五线四相式步进电机28BYJ-48，选用ULN2003驱动芯片驱动电机。

图2 软件流程图

2.2.6 太阳能电源模块

本文中选用多晶硅太阳能电池，设计了一个稳压电路，减少了光照、温度等环境因素的影响，稳压电路用的是开关型电源芯片LM2577升压模块，使太阳能电池能给整个系统的电池充电。

2.2.7 显示模块

本文的显示单元采用的是ST7920控制器的12864液晶显示屏，自带国家一级、二级简体中文字库，显示方便。

2.3 软件部分

软件流程图如图2所示。

本文的软件设计是基于 Keil uVision4进行的，整个系统以数据流为主线，系统首先初始化，包括LCD屏幕的初始显示和传感器的初始化。然后，MCU收集每个传感器的信号，然后通过算法计算每个传感器的数据。计算出温度的值、雾霾浓度的值和雨滴的量等，然后根据各个传感器的优先级，比较各个数据，根据优先级控制步进电机以执行相应的操作。人工操作具有最高优先级，其次是窗口关闭命令，最低级别是窗口命令。在没有人为开窗或关窗的时候，当温度较高超过上线值时，系统会先判断雾霾的浓度和是否有降雨，如果条件满足，则执行开窗动作。