浅谈智能窗户系统设计的新思路

郑路 刘辉恒 李晓梅

摘 要 本文设计的“智能窗户系统”是窗户和窗帘两个部分的智能结合体。此系统以单片机为主控制器，运用传感器技术、通信技术使窗户窗帘成为有机结合的智能系统。此系统的主要创新点在于分为“有人在家”，“无人在家”两种工作模式，两种模式实现不同情况下运用不同的功能，更加人性化，营造出高效、舒适、便捷的居住环境。

关键词 智能窗户系统;传感器技术;单片机;两种工作模式

前言

“窗户”给了人们向外看的机会，但在物理层面将人们隔离，既向外探求，又制造安全地带。从古至今，出现在我们眼前的窗户琳琅满目，巧夺天工。随着智能时代、信息时代的到来，特别是现在5G时代的到来，随着生活水平的提高，人们对智能化产品的个性化需求不断提高。中国正在引领5G发展，世界将处于万物互联的时代，智能技术，通信技术，传感器技术已经用到了生活的方方面面。因此有着几千年历史文化的窗户必将在智能化的道路上给人们不一样的体验。智能家居系统也已经非常成熟，各种各样的智能窗户也被设计出来。但是现阶段的智能窗户大多还是单一的自动开关系统，远远不能满足人们对个性化的需求了。本文设计的“智能窗户系统”是窗户和窗帘两个部分的智能结合体。此系统以单片机为主控制器，结合各种传感器，运用通信技术、自动化技术使窗户窗帘成为有机结合的智能系统。相对于传统的窗户，窗帘，“智能窗户系统”更能满足人们对于生活品质的追求。在春夏秋冬的交替变化中，随着不同的天气变化，人们对于窗帘、窗户。打开与闭合的需求大多是不同的;在“早中晚”一天的变化中，及时间段的不同，人们对于窗帘、窗户打开与闭合的需求也是不一致的，以及有人在家和无人在家对窗户的功能需求也是不同的。这也就为智能窗户系统的研发提供了市场价值。此系统分为“有人在家”，“无人在家”两种工作模式，两种模式实现不同情况下运用不同的功能，更加人性化，营造出更高效、更舒适、更便捷的居住环境，让我们一起去感受智能窗户系统给我们带来的舒适体验[1]。

1基于单片机技术的智能窗户系统设计思路

1.1 系统的总体框图

此系统以STM32单片机为主控制器，利用单片机的GPIO、定时器，中断，通信等功能结合光敏传感器，湿度传感器，温度传感器，雨滴检测传感器，PM2.5检测等各种传感器来智能化我们的窗户系统。根据家里有人无人两种情况，编写不同的程序代码，分为“有人在家”和“无人在家”两种工作模式，每种模式下对应不同的功能。单片机作为主控制器通过与传感器输入输出操作来检测室内外温湿度，空气质量，光线强度等等指标，再与我们设置的个性化参数进行对比，最后智能控制电机来开关窗户、窗帘，显示器显示需要的参数。通过无线通信技术手机可以用手机更加高效的控制我们的窗户系统，无人在家时，火灾报警，防盗报警系统也能通过手机把消息通过手机及时传递给我们[2]。

1.2 单片机主控模块

此系统以STM32F407单片机作为主控制器，STM407是ST公司2011年推出基于Cortex M4内核的STM32F4系列产品。STM32的IO口非常的多，而且与其他外设模块通常是复用的，在不同的外设中IO口的设置也是不一样的。STM32的定时器也非常多，主要用到两个部分：用定时器产生PWM和定时触发ADC。还有中断，USART串口通信等强大功能，完全可以满足我们多传感器，多外设的庞大智能窗户系统[3]。

1.3 硬件电路设计思路

用STM32F407单片机主控制器，结合各种电路，制造结构简单，反应灵敏，功耗低，实用性高的智能窗户系统，实现窗户的智能通风，换气，智能改变室内光照，调节湿度，温度。提供了更方便、快捷、舒适安全的生活环境。

（1）电源电路：窗户是能长时间接受日晒的地方，因此可以用太阳能作为整个系统的动力来源，非常节能。符合国家清洁能源的倡导。

（2）数据检测传感电路：一是用DHT11数字温湿度传感器来检测温湿度，该传感器是一款含有已交准数字信号输出的温湿度复合传感器，数据端口采用串行数据，单总线的。二用PM2.5传感器检测空气质量，也叫粉尘传感器，可用来检测我们周围空气中的粉尘浓度。三是用HC-SR501人体传感器来制作红外防盗电路，无人在家模式时用来防盗报警。四是用烟雾传感器设计火灾报警电路，该传感器是用来检测烟雾的浓度来实现火灾防范的。五用雨滴检测传感器，用于检测下雨及雨量的大小，根据雨滴冲击能量的变化进行检测。检测到下雨及时关窗。

（3）窗驱动电路：开关窗驱动电路，用步进电机28BYJ48和ULN2003驱动板来控制窗户的开关

（4）液晶显示电路：用OLED显示屏模块来显示工作模式的菜单以及显示需要的参数[4]。

1.4 两种工作模式

根据检测家里有无人，或者手动设置工作模式，可以使系统工作在不同的模式下，不同的模式下对应不同的功能。

（1）“无人在家”功能：①家里无人通过检测雨水，下雨时自动关闭窗，玻璃自动清洗。②外出开启报警系统：发生火灾自动报警，有人通过玻璃进入偷盗自动报警。③室外空气质量（PM2.5，温湿度）好的情况下，定时开窗通风换气④手动控制：该功能是根据用户的需求通过手机进行窗帘的开关，此功能可以使窗帘的开闭处于任何一种状态[5];

（2）“有人在家”功能：①根据个人喜好可以用红外遥控和手机智能控制开关窗帘与窗户。②根据室内外光照强度变化，窗帘自动开关，甚至窗帘打开幅度可以有效控制。③显示屏显示室内外温湿度对比提醒用户外出穿衣厚薄，及是否适合通风。④时间显示及闹钟系统：可以自行设置闹钟时间，到达指定时间后，窗户会自动更换空气。

1.5 系统软件设计

STM32单片机现在都是普遍使用keil的环境下，用C语言编程。C语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。而且STM32有着非常成熟的一套C语言库函数调用起来非常方便。因此可以写一套完整的C语言程序来控制我们的智能窗户系统[6]。

2结束语

信息时代的大背景下，特别是现在5G时代的到来，万物互联的步伐更加快速前进。全面小康社会的建设，人们生活水平的不断提高，人们对智能化的要求更高。

這种系统可以为我们营造出高效、舒适、便捷的居住环境。因为它是窗户、窗帘两者智能结合的产物，因此它可以牵动一大批产业。如此广泛的应用，其前景也必将非常广阔。智能窗户系统是现代电子技术发展带给人们的高科技新产物，它涉及窗户和窗帘的智能开关，利用了传感技术，单片机技术等，为人们的繁忙的生活减轻了负担，提供了方便，同时也为室内的空气质量提供了保障。有人在家和无人在家对窗户的需求是不同的。这也就为智能窗户系统的研发提供了市场价值。因此设计一个智能窗户系统，有非常广阔的应用前景和推广前景。此项目还有很好的拓展性，比如窗户是接受日晒最多的地方，因此完全可以采用太阳能作为此系统的动力来源。

参考文献

[1] 赵负图.新型传感器集成电路应用手册[M].北京：人民邮电出版社，2009：117.

[2] 韩磊.家居进入“智能窗时代”[J].环境与生活，2008（1）：17-19.

[3] 张毅刚.新编MSC-51单片机应用设计（第三版）[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008：27.

[4] 李全利，迟荣强.单片机原理及接口技术[M].北京：高等教育出版社，2004：57.

[5] 马忠梅，单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003：61.

[6] （英）Robin Heydon.低功耗蓝牙开发权威指南[M].北京：机械工业出版社，2014：79.

作者简介

郑路（1998-），男;现就读学校：大连大学，学生，专业：通信工程。