智能窗户控制系统设计研究

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摘要:为解决人们日常出行时忘记开窗通风、突降大雨来不及关窗、外界噪声干扰、老人小孩开窗不便、破窗盗窃等问题，设计了一款基于物联网技术的新型智能窗户控制系统。其以AT89S52为控制芯片，通过各类传感器自动采集和处理外界环境信息，并通过LCD1602液晶屏进行显示，驱动步进电机和报警器，以实现窗户自动开关、安全报警等功能。用户可以使用移动端随时远程操控窗户，有效提升了生活品质。

关键词:物联网技术;智能窗户;AT89S52

随着我国市场经济快速发展，国家经济实力增强，人民群众的物质和精神生活水平不断提高，人们对住宅的功能需求也越来越多，除了舒适、温馨外，还要体现安全化、智能化。目前，大多数家庭采用的是平拉式窗户，窗户嵌设在墙体内。人们通常会在外出前打开窗户给室内通风，若出门后突降大雨，往往来不及回家关窗，导致室内进水，而且开关窗对行动不便的老年人、年龄尚小的孩子来说并不是一件简单的事。因此，人们迫切需要一种更加智能化的家居自动开关式的窗户控制系统，能够可靠地进行日常开关操作，在阳光明媚的时候，能实现自动开窗通风;在雨天和外界嘈杂时能自动关窗，让人们安心工作、学习和休息，同时还可以通过移动端进行红外监测，以防家中被盗。

1物联网概述

物联网是基于全球互通设备网络愿景的新范例。其基本思想是各种各样的物体能够相互交互、合作以实现共同的目标。在物联网中，各种类型的执行器和传感器通过无线传感器网络(WSN)连接到互联网中，可以找到数十亿个对象。物联网提供的潜力使大量应用的开发成为可能，如智能家居、智能电网、智能医疗行业、智能航运和物流以及社交网络等，均具有广阔的应用前景［1］。

2系统总体方案设计

智能窗户控制系统由控制器模块、电机驱动模块、LCD显示模块、无线通信系统模块、外部环境监测模块、红外线报警控制模块等组成。智能窗户控制系统设计框图如图1所示。1)外部环境监测模块是指各类传感器安装在窗户框架外部，用于实时收集外部环境(如湿度、噪声、光强)信息，再由LCD显示模块即LCD1602液晶显示屏作为显示器，来显示外部环境相关数据，便于用户实时地了解外部环境相关信息。当外界条件达到一定的临界值时，微控制单元(MCU)就能够控制电机驱动，实现窗户的自动打开与关闭。同时，还可通过移动端给MCU发送指令，控制电机运行，实现开关窗。2)红外线报警控制模块用来监测有无物体穿越窗户，若有物体穿过，则MCU通过无线通信模块向移动终端发送提醒信息，并立即启动应急系统，报警器响起。

3系统硬件设计

3．1电机驱动模块设计

为了精确地控制窗户开关，系统采用四相六线步进电机控制窗户开关，步进电机由ULN2003芯片驱动［2］。步进电机的工作方式及控制字见表1［3］。由表1可知，设四相双四拍的相序为AB→BC→CD→DA，当四相八拍相序为A→AB→B→BC→C→CD→D→DA时，步进电机正转，若通电相序相反，则电机反转。

3．2控制器模块设计

控制器模块即微控制单元(MCU)，采用AT89S52单片机作为主控制芯片［4］。AT89S52是一款低功耗、高性能的CMOS8位微控制器芯片，内含8000字节的ISP，系统内可编程，可反复擦写1000次flash的只读程序存储器，采用了ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，兼容标准的MCS－51指令集和80C51引脚结构［5－6］。芯片集成了通用的8个中央处理器和ISP闪存单元，是一个功能强大的单片机，可为许多嵌入式控制应用提供经济高效的解决方案。

3．3外部环境检测模块设计

1)湿度检测设计。采用DHT11进行环境湿度检测。DHT11是一种多功能传感器，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，可以测量温度和湿度。DTH11以串行单线与8位AT89S52单片机相连，采集到的数据以数字信号输出，具有响应速度快、抗干扰能力强、稳定性好、性价比高等优点［6］。当检测湿度时，DTH11需要对采集的湿度进行内部校准，标准系数以程序的形式储存在OTP内存中。湿度测量值一般在20%～90%之间波动，精度可达到0．05。上电后，DHT11需要1s的缓冲时间，由于电波干扰，DHT11在此期间不稳定，所以应该在VDD和GND端子上增加一个额外的电容。2)光强检测设计。光敏电阻LY－C1对环境光非常敏感，当光强变化时，其自身电阻值发生变化。当光敏电阻两端的电压固定时，若光强变大，则电阻变小、电流变大。因此，采用光敏电阻LY－C1检测元件，根据电流的变化来计算光强。光敏电阻输出的为模拟信号，需要将其转换成数字信号。系统采用ADC0832转换器实现模数转换，光敏电阻接到ADC0832芯片的引脚CH1。3)噪声检测设计。系统使用小麦克风采集声音，经LM358放大信号后，采用ADC0832进行模数转换，最终转换成分贝值。

3．4无线通信模块设计

为了实现系统与用户的交互，采用nRF2401收发器［7］。其包含一个高速单片机和高性能射频核心，其特点是接收灵敏度高、发射功率和数据传输速率高，是一款适用于全球2．4～2．5GHzISM频段的单芯片无线电收发器，支持与单片机的数据接口。该节点负责从内部网络接收数据，并将数据发送到网关的单片机单元。nRF24L01可以设置为接收模式、发送模式、待机和掉电模式。

3．5红外线报警控制模块

采用HC－SR501作为红外线报警控制模块。HC－SR501是基于红外线技术的自动控制模块，具有较高的敏感度，而且能够在电压很低的情况下工作，还可以通过多种方式实现完全自动延时感应。例如，当有物体直接进入检测范围时，该模块会自动产生一个输入高电平，该高电平是延时出现的，如果物体超出了这个探测范围，那么该模块则会出现2种结果，即自动地产生延时输入高电平，或自动地使输入高电平关闭，并且输出一个低电平。HC－SR501配合蜂鸣器即可实现红外报警。

4系统软件设计

智能窗户控制系统工作流程图如图2所示。

4．1外部环境检测软件设计

外部环境处理流程图如图3所示。温湿传感器DHT11检测到的数据、麦克风收集到的声音和光敏电阻输出的模拟信号由ADC0832转换器转换为模拟数据，并在LCD1602液晶显示屏显示。取值范围为0～255，数值越小，湿度及噪声越低、光照越弱;数值越大，湿度及噪声越大、光照越强，并在LCD1602液晶显示屏显示。假设当湿度达到100%或噪声达到60dB时，若窗户没有关闭，则驱动电机关闭窗户;假设噪声小于60dB且光照强度大于100Lx，若未开窗，则驱动电机开窗。

4．2电机驱动模块软件设计

四相双四拍步进电机的驱动程序流程图如图4所示。先判断单片机存储单元51H中的内容是否为“1”，若为“1”，表示步进电机正转，则51H单元中的8位循环右移，代表步进电机通电绕组AB，BC，CD，DA逐次正向通电;若为“0”，表示步进电机反转，则51H单元中的8位循环左移，代表步进电机通电绕组AB，BC，CD，DA逐次反向通电。

4．3红外报警软件设计

智能窗户控制系统兼具防盗功能。当检测到有人从窗户进来时，红外传感器可以激活蜂鸣器，并发送短信通知。红外报警处理流程图如图5所示。红外传感器检测到的数据处理为“真”或“假”，表示是否检测到人体。为了防止检测错误，降低红外检测范围，同时可在传感器周围放置障碍物，以降低检测错误的概率。

5结束语

智能窗户控制系统运用物联网技术智能驱动窗户开关，以实现自动防雨、防噪、通风等功能。以AT89S52芯片为核心，利用温湿度传感器、光敏电阻、红外传感器、LCD显示屏等元件，实现了湿度检测、噪声检测、光强检测、红外安全、无线遥控、液晶显示等功能，能帮助人们有效解决外界噪音干扰、老人和小孩开窗不便以及家中安全等一系列生活问题，提升生活品质。

作者：王伟胜 熊蒋芹 谭玉姣 田泽强 柯铭慧 许四平 单位：湖北理工学院 数理学院