Arduino的智能光控窗户设计

南京工程学院 刘一诺 张 祥

随着电子技术的发展和人们生活水平的提高，人们对于一款智能窗户的需求也越来越高，给用户提供一个安全，方便，智能的环境。光照强度对于人的生活有很大的影响，因此设计一款能够利用光照强度完成相应功能的系统是非常重要的。本设计的智能窗户系统能够实时监测外界的温度，光照强度等。当外界温度和光照强度低于某一个值或者监测到雨滴时，窗户自动关闭，防止雨水或者冷风吹进房间；另外可设置自动关闭窗户和自动关闭窗户两种模式；最后还附加了一些功能：

（1）倾角传感器监测窗户把手的姿态角，判断窗户是否被破，防止盗贼进入，并通过GSM通信模块和蜂鸣器报警。

（2）烟雾报警器分别放置在窗户镜面两侧，分别监测外界的烟雾和房间内的烟雾，一旦室内着火时即刻打开窗户，室外有烟时及时关窗防止烟雾进入家中，另外一旦判定为室内着火时，蜂鸣器立刻报警并且发送信息给家人。

1 系统设计

本设计采用光敏传感器、雨滴传感器、烟雾传感器、温湿度传感器、倾角传感器结合Arduino单片机实现对外界光强、雨滴、温湿度、烟雾数据的监测，并且在LCD1602上显示温湿度等信息。其中最主要的单元是光敏传感器，它通过编程设定光强临界值完成对窗户的关闭或打开。总体设计框图如图1所示。

图1 总体设计框图

2 硬件设计

2.1 单片机选择

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。它是一款8位单片机，核心是ATNEGA系列单片机，配上一些周边器件，安装在一款印刷电路板上，能够独立完成设定的功能。Arduino相比其他单片机没有复杂的内部硬件结构，指令的可读性强，并且它开源，软硬件完全开放，可以在原有基础上稍加修改就可以实现复杂的编程。基于以上特点，我们选择Arduino作为此设计的控制核心。

2.2 光敏传感器模块

光敏传感器内部有一个光电管，它精度较高，光电管内有一块小平板，当一个反向的固定压加在光电管两端时，可见光照在传感器上会导致其释放出电子，光照强度增加时，光电管的电流也会增大，电流通过一个电阻时，电阻两端的电压通过数模转换器转换成0到5V电压，然后将结果保存下来。光敏传感器实质是利用光敏元件将光信号转换为电信号的器件，敏感波长在可见光波长附近。光传感器还可以对许多非电量进行检测，最后将这些非电量转换为光信号的变化。光敏传感器利用光敏电阻受光线强度影响而阻值发生变化的原理向单片机发送模拟信号。光敏传感器主要用于检测环境的光强进而控制窗户的开和关。

2.3 光感式雨滴传感器模块

光感式雨滴传感器上由三个光强传感器和一个发光二极管组成。它们分别测量近光的环境光强、测量前方光线的光强、为测量雨滴的光强。一个发光二极管主要用于测量雨滴密度。如果传感器上没有雨滴，大部分光都折射出去，反射回来被接收的光很少；雨滴较多时，被反射回来传感器接收的光强增加，于是传感器输出发生变化。当传感器检测结果为有雨滴时，步进电机旋转90°完成关窗，无雨滴时，再次根据其他条件判断是否打开窗户。

2.4 DS18B20温度传感器

DS18B20温度传感器采用单总线数字式，它结构简单，外接电路简单，一根I/O数据线既可以供电又可以传输数据，它广泛用于温度测量和控制，在温控系统中得到广泛应用。它的供电方式灵活，该类型的传感器可以采用内部电路从数据线获取电源。它系统结构更趋简单，可靠性更高。DS18B20的测量分辨率可以设定9～12位。它具有掉电保护功能，DS18B20含有独立的EEPROM，如果外部掉电，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。用户将温度传感器放置在窗户外面就能感知外界温度。

2.5 ATK-SIM800C通信模块

ATK-SIM800C是一款高性能通信模块，它功能完善，适用于各种领域的通信，SIM800C模块突破了WiFi模块和蓝牙模块距离短的局限。只要有移动网络信号覆盖该模块就能与控制端进行点对点数据传输，从而实现远程控制，它与GSM网络业务进行交互从而实现家里数据的传输，从而让家人远程了解家里的各项数据。

2.6 MQ-2烟雾传感器模块

图2 软件实现部分截图

图3 实物图

MQ-2常用于监测气体是否发生泄漏，能对多种气体进行检测，例如瓦斯等。MQ-2准确的来说是一个多种气体探测器。MQ-2的探测范围极其的广泛。它灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单。MQ-2这种烟雾传感器由半导体气敏材料构成，它工作温度在200到300摄氏度时，二氧化锡吸收氧气，吸附氧离子，导致半导体内部的电子密度减少，进一步使传感器的电阻增大。传感器与气体接触，如果烟雾浓度变化，从而会导致表面导电率发生变化。气体的浓度越高，相应的导电率越高，传感器输出的模拟信号值就越大。烟雾报警器用于监测室内与室外的烟雾，继而让步进电机完成相应的关窗或开窗指令。

2.7 步进电机模块

我们采用28BYJ46步进电机进行控制窗户的运动，它主要将电脉冲信号转化为角位移或线位移量信号输出，通过单片机控制加在步进电机线圈上的电脉冲顺序和脉冲频率以及脉冲数量，从而实现步进电机的转向、速度转换和旋转角度变换。步进电机一般由前后端盖、轴承、中心轴、转子铁芯、定子铁芯、定子组件、波纹垫圈、螺钉等部分构成，步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，是由缠绕在电机定子齿槽上的线圈驱动的，通过步进电机的旋转可以实现窗户的关闭和开启。

3 软件设计（见图2）

主要采用Arduino ide环境进行相应功能编程，主要功能如下：

（1）当光强高于某一值时，打开窗户，当检测到外面下雨时，立即关闭窗户，如果一直没用下雨，当光强低于某个值（即夜晚），关闭窗户。

（2）当外面或者家里检测到烟雾时，蜂鸣器报警，打开或者关闭窗户，同时给家里人发送信息。

（3）当外部有人试图翻越窗户进入房间时，蜂鸣器报警，同时发送相应信息给家里人。

（4）LCD显示屏实时显示当时温湿度和时间。

4 实物及总结

本设计成品模型如图3所示，它采用光敏传感器、雨滴传感器、烟雾传感器、温湿度传感器实现预期的功能，本设计应当今时代需要，充分将光学原理运用到实际生活中来，它能够智能实现窗户的关闭与开启，同时具有防小偷，烟雾报警等功能，稳定性高，能够有效提高社会和经济效益，为智能时代作出一定积极贡献。