談智能窗控系統(tǒng)設計實現
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摘要：隨著人們對生活舒適性、便捷性以及智能化的追求，智能家居的概念已經深入人心。本文以STM32單片機為數據分析處理核心，運用光強傳感器、溫濕度傳感器、雨滴傳感器、PM2.5等傳感器采集室外的光照前度、溫濕度、雨天檢測、空氣質量等數據，采集的數據經單片機處理后電機驅動模塊下達相應的指令，進而實現對窗戶與窗簾進行控制。調試和實驗結果表明，本文設計的智能窗控系統(tǒng)能夠根據環(huán)境參數變化自動驅動電機實現窗戶與窗簾的智能控制，效果良好，能有效提高室內舒適度。
關鍵詞：溫濕度傳感器；STM32單片機；智能窗控系統(tǒng)；智能家居
1引言
隨著科技的發(fā)展，人們對生活的追求除了舒適、便捷以外，還有朝信息化、智能化發(fā)展。物聯(lián)網時代的到來，促使人們追求更加舒適便捷的生活，因此誕生了各式各樣的與生活相關智能化家居，智能窗控系統(tǒng)就是在這樣的背景下孕育而生。當前智能辦公、智能教育等場所中采用的窗控系統(tǒng)大多為原始的手動窗控系統(tǒng)或半自動窗控系統(tǒng)，利用人體紅外感應等模塊控制窗戶與窗簾，這種類型的智能窗控系統(tǒng)沒有考慮空氣的質量，不能根據天氣是否晴朗、光照是否充足等外界環(huán)境參數變化自動實現窗戶與窗簾的智能控制，其智能化程度不高，應用上存在一定的局限性。基于此，本文設計了以STM32單片機為核心，搭載光強傳感器、溫濕度傳感器、雨滴傳感器、PM2.5傳感器以及電機等器件的智能窗控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據外界環(huán)境參數變化自動驅動電機實現窗戶與窗簾的智能控制，真正實現窗戶與窗簾的智能化控制。
2系統(tǒng)總體方案設計
系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示，系統(tǒng)以STM32F103單片機最小系統(tǒng)為控制核心，主要處理各類型3傳感器所采集的外界環(huán)境數據，并對控制窗動電機驅動模塊下達相應的控制指令。傳感器模塊主要由溫濕度傳感器模塊、PM2.5傳感器模塊、光強傳感器模塊、雨滴傳感器模塊等組成，用于采集室外環(huán)境中的光強、溫濕度、PM2.5等各類數據，并將檢測到的數據傳輸至單片機處理器進行處理。電源模塊的主要功能為單片機控制模塊、傳感器模塊以及電機驅動模塊提供電源。電機驅動模塊的功能是根據單片機控制模塊發(fā)出的指令對窗戶與窗簾進行控制，實現窗戶與窗簾的開關。遠程控制端的主要功能由WiFi等無線傳輸設備組成，可以將數據傳輸至云平臺，也可以通過串口顯示。按鍵式參數輸入模塊主要功能為設置日期、時間、定時開關，根據用戶的需求調節(jié)光強度、PM2.5值、溫濕度的對比參數。
3系統(tǒng)硬件設計
本文設計的智能窗控系統(tǒng)其硬件組成部分主要由如下4個：
3.1傳感器模塊
本文設計的智能窗控系統(tǒng)主要運用的傳感器有數字光強傳感器模塊、數字溫濕度傳感器模塊、PM2.5傳感器模塊、雨滴傳感器模塊這四種傳感器進行室外環(huán)境參數檢測。各種傳感器的型號、參數、特點等如表1所示。
3.2本設計選用
ULN2003五線四相步進電機驅動模塊作為智能窗控系統(tǒng)的窗動（簾動）電機驅動模塊，ULN2003電機驅動芯片和5V的5線4相步進電機組成，利用電機模塊控制電機的正反轉以實現窗戶與窗簾的開關。
3.3遠程控制模塊
遠程控制端的主要功能由WiFi無線傳輸設備以及上位機構成，可以將數據傳輸至云平臺，通過云平臺實現對窗戶與窗簾的遠程控制。
3.4電源模塊
在智能窗控系統(tǒng)中各功能模塊連接方式為并聯(lián)，各類模塊所需電壓均為U=5V，電流為各功能模塊所需電流之和，單片機最小系統(tǒng)的供電方式為USB供電，供電電壓U=5V、電流I=500mA。在本設計中各支路所需電流如表2所示；
4系統(tǒng)軟件設計
本文選用的KeiLuVision5為軟件開發(fā)平臺，采用模塊化的設計理念，根據不同的環(huán)境需求添加相應的功能軟件模塊。本設計中包含了八大功能軟件模塊，分別是主程序、溫濕度采集程序、光照強度采集程序、雨滴傳感數據采集程序、PM2.5傳感數據采集程序、定時功能程序、窗動（簾動）電機驅動程序、遠端控制程序等，所有的功能模塊都寫成子程序，主程序中調用相應的子程序實現具體功能，系統(tǒng)主程序如圖2所示。子程序主要獲取光照強度數據、溫濕度數據、PM2.5值數據、雨滴量等感應數據，并與系統(tǒng)預設值進行比較，進而判斷是否開啟窗戶或窗簾。例如系統(tǒng)將采集的光照強度數據、PM2.5值數據、溫濕度數據、雨滴量等數據進行分析處理，當光照強度數據達到經過按鍵輸入的預設值后，系統(tǒng)會向簾動電機發(fā)送指令，系統(tǒng)電機開啟窗簾；當雨滴傳感器采集到室外存在下雨天氣后，輸出高電平到單片機中，系統(tǒng)將會控制窗動電機關閉窗戶，如果主人出門在外，出門忘記關窗或天氣突然下雨，房屋主人可以通過訪問云平臺，通過云平臺查看窗戶的狀態(tài)，并向系統(tǒng)發(fā)送指令，關閉窗戶。雨滴傳感器控制流程圖如圖3所示，其余功能子程序與之類似。
5系統(tǒng)測試
在本設計中，分別對智能窗控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)進行單獨的調試與驗證后，得出的結論是智能窗控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)驗證通過，主要測試內容如下：（1）通電測試。檢查硬件系統(tǒng)中是否存在線路脫落和各硬件模塊是否存在端口接錯等問題后進行通電測試，然后再利用萬用表測試各測試點的電流、電壓，查看測試結果是否符合要求。（2）各模塊功能測試。系統(tǒng)硬件電路沒有問題后，對各模塊功能進行測試。測試時選擇單個模塊單獨測試，確認一個模塊功能沒有問題后再測試其他模塊功能。將光強傳感器遮住，使其處于無光環(huán)境中，系統(tǒng)的簾動電機反轉，可以實現開啟窗簾；將光強傳感器置于強光照下，系統(tǒng)的簾動電機正轉，可以實現關閉窗簾。將溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、雨滴傳感器置于不同的環(huán)境中，窗動電機可以實現開啟或關閉窗戶。（3）系統(tǒng)整體功能測試。各模塊功能測試無誤后進行系統(tǒng)整體功能測試，所有的功能模塊都通上電后，將系統(tǒng)置于多種不同的環(huán)境中，模擬真實的環(huán)境，測試系統(tǒng)的整體功能是否正常。經多次驗證，智能窗控系統(tǒng)數據傳輸穩(wěn)定，各功能模塊運作正常，整體設計符合要求，達到了預期設計目標。
6結束語
隨著科技的進步以及智能家居的發(fā)展，更加智能化、便捷化、多樣化的智能窗控系統(tǒng)將會逐漸替代現有的產品，人們的居家生活將更加舒適、方便，未來智能窗控系統(tǒng)將有著廣闊的應用前景和市場范圍。只有不斷創(chuàng)新與嘗試，開發(fā)功能更為完備、系統(tǒng)更為穩(wěn)定的、使用更為便捷、科技含量更高的人性化智能窗控系統(tǒng)將會吸引更多的消費群體，并占據市場領導地位。
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作者：徐棟梁 單位：重慶工商職業(yè)學院
