智能窗戶控制系統(tǒng)                   來源：www.wwwtbr.com

開發(fā)背景：

　　目前市場(chǎng)上智能家居雖然集成了家居生活有關(guān)的設(shè)施，但是對(duì)于各部分不能做到細(xì)致具體的設(shè)計(jì)，常常忽略了一些必要的功能或者不夠人性化。而窗戶是智能家居的一個(gè)重要的組成部分，因此更好地實(shí)現(xiàn)窗戶的智能控制和安全防護(hù)提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性顯得尤為重要。

　　結(jié)構(gòu)說明：

　　整個(gè)智能窗戶控制系統(tǒng)采用1：1窗戶模型作為整體架構(gòu)，自行設(shè)計(jì)了機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)窗戶的機(jī)械閉合與開啟。機(jī)械設(shè)計(jì)原理主要由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，通過滑輪組在運(yùn)動(dòng)部件和窗架間進(jìn)行傳動(dòng)。

　　智能控制系統(tǒng)以IAP15F2K61S2單片機(jī)為CPU控制核心，外圍集成了濕度溫度探測(cè)模塊、光敏探測(cè)模塊、室內(nèi)火焰探測(cè)模塊、夜間防盜模塊、語音控制模塊等模塊來實(shí)現(xiàn)所需功能。

　　功能與使用說明：

　　實(shí)現(xiàn)的主要功能如下

　　1.可以通過語音控制窗戶及窗簾的開啟和關(guān)閉;

　　2.遇下雨天，自動(dòng)關(guān)閉窗戶，防止雨水濺入室內(nèi);

　　3.夜晚，自動(dòng)關(guān)閉窗戶;

　　4.室內(nèi)發(fā)生火警時(shí)打開窗戶;

　　5.夜間有物體通過窗戶，自動(dòng)報(bào)警;

　　6.溫濕度液晶顯示。

　　作品特色：

　　智能窗戶控制系統(tǒng)為智能家居窗戶部分做出了很好的設(shè)計(jì)方案，完善了窗戶的各項(xiàng)功能，顯得更人性化更具實(shí)用性，這給整個(gè)智能家居的設(shè)計(jì)作出了參考。從智能窗戶這一個(gè)體的設(shè)計(jì)可以具化到門、車庫、燈光、電器等家具用品，為我們的生活帶來方便，從而進(jìn)一步提高人們的生活質(zhì)量。同時(shí)，智能窗戶控制系統(tǒng)省去了按鍵操作，實(shí)現(xiàn)語音完全控制，更具智能化和人性化。

　　平臺(tái)選型說明

　　使用大賽指定的IAP15F2K61S2單片機(jī)為核心控制CPU

　　設(shè)計(jì)說明

　　1 總體方案設(shè)計(jì)

　　1.1 設(shè)計(jì)要求

　　智能窗戶控制系統(tǒng)分為兩部分設(shè)計(jì)即電子自動(dòng)控制部分和機(jī)械傳動(dòng)部分，電子控制部分使用IAP 15F2K61S2單片機(jī)為核心CPU，集成多種傳感器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)控制;機(jī)械傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)在窗戶與窗簾上安裝步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)精確控制窗戶和窗簾的開啟

　　和關(guān)閉。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)如下功能：

　　1.可以通過語音控制窗戶及窗簾的開啟和關(guān)閉;

　　2.遇下雨天，自動(dòng)關(guān)閉窗戶，防止雨水濺入室內(nèi);

　　3.夜晚，自動(dòng)關(guān)閉窗戶;

　　4.室內(nèi)發(fā)生火警時(shí)打開窗戶;

　　5.夜間有物體通過窗戶，自動(dòng)報(bào)警;

　　6.溫濕度液晶顯示。

　　1.2 設(shè)計(jì)原理以及組成結(jié)構(gòu)

　　智能窗戶控制系統(tǒng)使用機(jī)械傳動(dòng)控制窗戶的開關(guān)與窗簾的開合，機(jī)械部分由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，通過設(shè)計(jì)動(dòng)滑輪組在運(yùn)動(dòng)部件和窗架間進(jìn)行傳動(dòng)。電子自動(dòng)控制系統(tǒng)部分包含濕度溫度探測(cè)傳感器模塊、光敏電阻傳感器模塊、火焰探測(cè)傳感器模塊、夜間防盜模塊、語音控制模塊。

　　各傳感器將探測(cè)到的變化反映到單片機(jī)口，由單片機(jī)根據(jù)信號(hào)的變化(即電平的高低)判斷外界環(huán)境的變化，然后根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的程序發(fā)出命令，控制機(jī)械傳動(dòng)部分實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作。

　　系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 探測(cè)電路設(shè)計(jì)

　　2.1.1 溫濕度探測(cè)電路

　　使用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件。單片機(jī)與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次傳送40位數(shù)據(jù)，高位先出。

　　數(shù)據(jù)格式:8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和

　　DHT11傳感器的DATA引腳接單片機(jī)的P3.2口，當(dāng)室外濕度超過70%時(shí)，IAP單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)判斷濕度超出70%(表示雨天或天氣較為潮濕)，發(fā)出命令控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)窗戶的關(guān)閉(避免雨水進(jìn)入室內(nèi))。

　　2.1.2 火焰探測(cè)電路

　　采用LY-C3火焰?zhèn)鞲衅髯鳛樘綔y(cè)元件。LY-C3傳感器用于檢測(cè)火焰或者波長(zhǎng)在760納米~1100納米范圍內(nèi)的光源。在外部紅外光強(qiáng)達(dá)不到閾值時(shí)，D0口輸出高電平;光強(qiáng)超過閾值時(shí)，D0口輸出低電平。依據(jù)此原理設(shè)計(jì)該模塊監(jiān)測(cè)室內(nèi)是否著火。

　　LY-C3火焰?zhèn)鞲衅鞯腄0端接單片機(jī)的P3.5口，一旦出現(xiàn)火災(zāi)，單片機(jī)立即打開窗戶，并發(fā)出警報(bào)聲提示住戶。

　　2.1.3 光敏電阻電路

　　使用的探測(cè)元件是LY-C1光敏傳感器。光敏電阻對(duì)周圍環(huán)境光強(qiáng)最敏感，一般用來檢測(cè)周圍環(huán)境光強(qiáng)。輸出狀態(tài)靈敏度可調(diào)。在周圍光強(qiáng)達(dá)不到閾值時(shí)，D0口輸出高電平;光強(qiáng)超過閾值時(shí)，D0口輸出低電平。依據(jù)此原理可以用來監(jiān)測(cè)外界環(huán)境亮度，判斷天色，當(dāng)天黑時(shí)，信號(hào)端輸出高電平。

　　LY-C3傳感器的D0端接單片機(jī)的P3.6口。單片機(jī)檢測(cè)此IO口的變化自動(dòng)控制窗戶的開啟與關(guān)閉。

　　2.1.4 夜晚防盜電路

　　該部分自行設(shè)計(jì)了激光防盜電路，探測(cè)器由發(fā)射頭、接收頭組成。正常情況時(shí)，發(fā)射頭發(fā)射紅外線，接頭接收紅外線，探測(cè)器導(dǎo)通不動(dòng)作。當(dāng)有人擋住紅外線時(shí)，接收頭接收不到由發(fā)射頭發(fā)射的紅外線，探測(cè)器斷開輸出低電平信號(hào)。本系統(tǒng)中安裝有兩組紅外探測(cè)器，兩個(gè)接收頭的輸出端接單片機(jī)的P3.3口和P3.4口，可確保對(duì)整個(gè)窗戶面實(shí)現(xiàn)防盜。

　　2.1.5 開關(guān)窗限位電路

　　該電路的作用是探測(cè)窗戶是否已經(jīng)完全打開或關(guān)閉，其由分別安裝在窗戶和窗框上的兩組金屬片組成。固定不動(dòng)的限位片分別接IAP單片機(jī)的P2.1和P2.0口，滑動(dòng)的窗框上的限位片接地，金屬片接觸，單片機(jī)檢測(cè)兩IO口狀態(tài)即可判斷現(xiàn)在窗戶所處的位置。

　　2.2 控制及輸出電路設(shè)計(jì)

　　2.2.1 液晶顯示電路

　　液晶顯示電路采用LCD1602液晶顯示屏。LCD1602是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，其顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符。

　　1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口。在本設(shè)計(jì)中讀寫信號(hào)線RW接單片機(jī)的P2.5口，寄存器選擇RS接單片機(jī)P2.6口，使能端E接P2.5口。八位雙向數(shù)據(jù)端D0~D7依次接單片機(jī)的P0.0~P0.7口。

　　主要負(fù)責(zé)顯示室內(nèi)外溫度和室外的濕度。

　　2.2.2 語音控制電路

　　語音控制電路采用XK-V11語音識(shí)別發(fā)送模塊作為主體結(jié)構(gòu)。該模塊為非特定人語音識(shí)別，輸入拼音即可識(shí)別，能識(shí)別所有人的語音，不分男女。

　　模塊的TxD端接單片機(jī)的P3.0口，RxD端接單片機(jī)的P3.1端。采用USB供電。

　　2.2.3 步進(jìn)電機(jī)電路

　　本電路由兩組ULN2003模塊和24YBJ組成。

　　步進(jìn)電機(jī)1(控制窗戶)由AT89C51單片機(jī)的P1.0~P1.3控制，步進(jìn)電機(jī)2(控制窗簾)由AT89C51單片機(jī)的P1.4~P1.7控制。所有的控制信號(hào)由IAP核心CPU發(fā)送給51單片機(jī)，51單片機(jī)在此處作為擴(kuò)展端口使用。

　　2.2.4 蜂鳴器電路

　　蜂鳴器正極接高電平，負(fù)極接單片機(jī)P2.2端。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 程序流程圖

　　接通電源后，單片機(jī)開始工作。語音模塊啟動(dòng)，發(fā)出啟動(dòng)告示音。濕溫度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒐饷綦娮琛⒄Z音控制模塊將檢測(cè)到的信號(hào)傳入到單片機(jī)中。濕溫度傳感器檢測(cè)到室外濕度超過70%時(shí)，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)關(guān)窗。當(dāng)窗戶與窗框完全接觸時(shí)，兩個(gè)關(guān)窗限位片導(dǎo)通，步進(jìn)電機(jī)1停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅魈綔y(cè)到室內(nèi)起火時(shí)，單片機(jī)立刻發(fā)出開窗指令，窗戶打開至兩個(gè)開窗限位器接觸時(shí)，停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在此期間蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。進(jìn)入夜晚時(shí)，在光敏電阻發(fā)出的信號(hào)后，關(guān)閉窗戶。在夜晚?xiàng)l件下，當(dāng)激光束被阻斷時(shí)，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)語音模塊收到特定控制詞時(shí)，向單片機(jī)發(fā)出信號(hào)。單片機(jī)根據(jù)信號(hào)執(zhí)行開關(guān)窗戶以及窗簾的命令。

　　4 原理圖

　　5 結(jié)論

　　智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過硬件和軟件的設(shè)計(jì)同時(shí)考慮多種情況，解決了大部分問題，經(jīng)過多次調(diào)試和修改，成功的將多種傳感器集成進(jìn)系統(tǒng)中，完好的實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)。該智能窗讓人在不同的環(huán)境狀況中或出門在外時(shí)不用擔(dān)心窗戶的開合情況。讓人在無法手動(dòng)直接控制時(shí)能夠通過語音控制窗戶和窗簾。夜間發(fā)生入室行為時(shí)窗戶會(huì)自動(dòng)報(bào)警，為人們生活提供方便和安全。

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然具有較大的提升空間。例如可以在室內(nèi)安裝有害氣體探測(cè)模塊，當(dāng)室內(nèi)有害氣體濃度過高時(shí)，進(jìn)行開窗通風(fēng)，這樣可以為人們的生活提供更多的安全保障。