窗户智能监测及清洗系统设计

◎陈乔 李玉丽 姜皓铭 黎青霖

引言：随着现代社会的发展，智能家居对人们的生活环境起着越来越重要的作用。但是目前无论是用于家庭住房的窗户，还是用于商场、医院等公共场所的窗户，都是传统型窗户，即需要人操作其开启和关闭。本文研究了一种可以检测环境中空气质量状况，既能够自动开启和关闭，同时控制后台能将检测的空气质量数据发送给住户，也能远程控制实现通风或者封闭功能的智能窗户，从而起到保证室内空气质量的目的。窗户同时也能根据污染程度用机械臂进行智能清洁，保持窗户自身的洁净。

一、系统设计

1.传感器监测系统设计。利用夏普GP2Y1010AU0 粉尘传感器、温湿传感器AM2301 元件检测出系统需要工作的相关数值，通过将所检测的相关数据经A/D 转换成数字量发送到单片机系统。传感监测模块设置于窗外，用于监测外部空气信息情况，例如PM2.5 浓度检测、有毒气体检测、温度检测、湿度检测等，获取相关参数信息。

2.单片机控制系统。STM32 单片机系统实现能与不同的现场设备进行通信。本系统通过运用ZigBee 和蓝牙无线传输功能做到实时信号传输，将各系统信息传输到云平台主控制信息显示端，在OLED 屏幕上进行显示，以保证系统的信号监测以及无线控制，并将控制信号传输到室内空气净化系统使其运行，同时用户也能随时随地通过手机APP 来实现精准控制。

3.清洗系统。设计机械臂装置，通过陀螺仪传感器来操作擦窗方向的控制，采用压力传感器来进行机械臂的伸缩控制，通过这种方式把机械臂设计成可伸缩模式，就能够对不同尺寸的窗户进行擦洗，方便实用。

4.智能警报系统。当本设计其他系统工作出现故障或是数值预警报告时，通过无线传输模块系统传送到用户，达到预警功能。

5.电力系统及相关元件选择。设计相关的电路，来确保本设计各个系统的电力保障，做好备用电力系统的相关设计，设计的电路线路和所选择使用的各种元件要能防水，并能在恶劣天气持续工作，减少系统的损耗，保证系统的使用寿命。

二、工作过程及原理

当获得相关信息后，传感检测模块将信息通过无线发射模块和无线接收模块传送至控制模块，控制模块对参数信息进行判断，如果在合适范围内，则开始判断当前窗户是否处于打开状态，如果是打开状态，则不进行任何操作，保证窗内和窗外的空气流动，如果当前窗户是处于关闭状态，则使位置检测模块开始工作，再使电机传动模块开始工作，电机转动，使窗户打开，此时当位置检测模块感应到窗户达到窗框的边界极限位置时，则通知控制模块，此时控制模块关闭电机传动模块后再关闭位置检测模块。此时，窗户打开，窗内和窗外开始空气流通。同样地，如果传感检测模块将信息由无凭通讯模块传送至控制模块后，控制模块判断当前的空气参数不在合适范围内，例如PM2.5 浓度超标，则开始判断当前窗户是否处于打开状态，如果是关闭状态，则将报警信号通过无线传输传达给用户，用户决定是否启动清洁系统，清洁系统采用机械臂加陀螺仪，在窗内和窗外的隔绝的同时确保窗户干净：如果当前窗户是处于打开状态，则使位置检测模块开始工作，再使电机传动模块开始工作，电机转动，使窗户关闭，此时当位置检测模块感应到窗户达到窗框的边界极限位置时，则通知控制模块，此时控制模块关闭电机传动模块后再关闭位置检测模块，此时，窗户关闭，窗内和窗外相互隔绝，再由用户决定是否启动清洁。

进行以上操作时，如果传感检测模块检测到空气质量不在合适范围时，可以同时开启报警模块，警告相关人员，得到报警应答后取消报警。原理如图1 所示。

图1 系统流程图

三、结语

本文所提到的窗户的智能监测和清洗系统，针对目前智能家居对空气质量的需求结合高层建筑玻璃窗和玻璃幕墙的清洁方式存在的不足，提出一种基于STM32 单片机的窗户自动监测及清洗系统解决方案。对系统整体功能和总体设计方案进行了描述，介绍了各个功能模块的设计步骤和核心思想。通过在实验室试验平台上进行测试，表明本系统的性能达到设计目标，实现了预期的各种功能，能够在成本、效率、简便度等方面取得一个较好的平衡点。同时机械清洗降低了人工对高层建筑物窗户外侧清洗时不安全不方便的因素；设计的思想对于建筑物自动化清洗领域也有着重要的参考意义。