智能窗戶控制系統(tǒng)                   來源：lzzrhvn.cn

開發(fā)背景：

　　目前市場上智能家居雖然集成了家居生活有關(guān)的設(shè)施，但是對于各部分不能做到細致具體的設(shè)計，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重要的組成部分，因此更好地實現(xiàn)窗戶的智能控制和安全防護提升家居安全性、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)計了機械傳動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)窗戶的機械閉合與開啟。機械設(shè)計原理主要由步進電機提供動力，通過滑輪組在運動部件和窗架間進行傳動。

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

　　功能與使用說明：

　　實現(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，自動關(guān)閉窗戶，防止雨水濺入室內(nèi);

　　3.夜晚，自動關(guān)閉窗戶;

　　4.室內(nèi)發(fā)生火警時打開窗戶;

　　5.夜間有物體通過窗戶，自動報警;

　　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)計方案，完善了窗戶的各項功能，顯得更人性化更具實用性，這給整個智能家居的設(shè)計作出了參考。從智能窗戶這一個體的設(shè)計可以具化到門、車庫、燈光、電器等家具用品，為我們的生活帶來方便，從而進一步提高人們的生活質(zhì)量。同時，智能窗戶控制系統(tǒng)省去了按鍵操作，實現(xiàn)語音完全控制，更具智能化和人性化。

　　平臺選型說明

　　使用大賽指定的IAP15F2K61S2單片機為核心控制CPU

　　設(shè)計說明

　　1 總體方案設(shè)計

　　1.1 設(shè)計要求

　　智能窗戶控制系統(tǒng)分為兩部分設(shè)計即電子自動控制部分和機械傳動部分，電子控制部分使用IAP 15F2K61S2單片機為核心CPU，集成多種傳感器實現(xiàn)監(jiān)測控制;機械傳動部分設(shè)計在窗戶與窗簾上安裝步進電機，實現(xiàn)精確控制窗戶和窗簾的開啟

　　和關(guān)閉。設(shè)計實現(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，自動關(guān)閉窗戶，防止雨水濺入室內(nèi);

　　3.夜晚，自動關(guān)閉窗戶;

　　4.室內(nèi)發(fā)生火警時打開窗戶;

　　5.夜間有物體通過窗戶，自動報警;

　　6.溫濕度液晶顯示。

　　1.2 設(shè)計原理以及組成結(jié)構(gòu)

　　智能窗戶控制系統(tǒng)使用機械傳動控制窗戶的開關(guān)與窗簾的開合，機械部分由步進電機提供動力，通過設(shè)計動滑輪組在運動部件和窗架間進行傳動。電子自動控制系統(tǒng)部分包含濕度溫度探測傳感器模塊、光敏電阻傳感器模塊、火焰探測傳感器模塊、夜間防盜模塊、語音控制模塊。

　　各傳感器將探測到的變化反映到單片機口，由單片機根據(jù)信號的變化(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，控制機械傳動部分實現(xiàn)相應(yīng)的動作。

　　系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 探測電路設(shè)計

　　2.1.1 溫濕度探測電路

　　使用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。該傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(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期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件。單片機與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校驗和

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

　　2.1.2 火焰探測電路

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

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

　　2.1.3 光敏電阻電路

　　使用的探測元件是LY-C1光敏傳感器。光敏電阻對周圍環(huán)境光強最敏感，一般用來檢測周圍環(huán)境光強。輸出狀態(tài)靈敏度可調(diào)。在周圍光強達不到閾值時，D0口輸出高電平;光強超過閾值時，D0口輸出低電平。依據(jù)此原理可以用來監(jiān)測外界環(huán)境亮度，判斷天色，當天黑時，信號端輸出高電平。

　　LY-C3傳感器的D0端接單片機的P3.6口。單片機檢測此IO口的變化自動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)計了激光防盜電路，探測器由發(fā)射頭、接收頭組成。正常情況時，發(fā)射頭發(fā)射紅外線，接頭接收紅外線，探測器導(dǎo)通不動作。當有人擋住紅外線時，接收頭接收不到由發(fā)射頭發(fā)射的紅外線，探測器斷開輸出低電平信號。本系統(tǒng)中安裝有兩組紅外探測器，兩個接收頭的輸出端接單片機的P3.3口和P3.4口，可確保對整個窗戶面實現(xiàn)防盜。

　　2.1.5 開關(guān)窗限位電路

　　該電路的作用是探測窗戶是否已經(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。固定不動的限位片分別接IAP單片機的P2.1和P2.0口，滑動的窗框上的限位片接地，金屬片接觸，單片機檢測兩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

　　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、符號等的點陣型液晶模塊，其顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符。

　　1602采用標準的16腳接口。在本設(shè)計中讀寫信號線RW接單片機的P2.5口，寄存器選擇RS接單片機P2.6口，使能端E接P2.5口。八位雙向數(shù)據(jù)端D0~D7依次接單片機的P0.0~P0.7口。

　　主要負責(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別，輸入拼音即可識別，能識別所有人的語音，不分男女。

　　模塊的TxD端接單片機的P3.0口，RxD端接單片機的P3.1端。采用USB供電。

　　2.2.3 步進電機電路

　　本電路由兩組ULN2003模塊和24YBJ組成。

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

　　2.2.4 蜂鳴器電路

　　蜂鳴器正極接高電平，負極接單片機P2.2端。

　　3 軟件設(shè)計

　　3.1 程序流程圖

　　接通電源后，單片機開始工作。語音模塊啟動，發(fā)出啟動告示音。濕溫度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒐饷綦娮?、語音控制模塊將檢測到的信號傳入到單片機中。濕溫度傳感器檢測到室外濕度超過70%時，單片機控制步進電機關(guān)窗。當窗戶與窗框完全接觸時，兩個關(guān)窗限位片導(dǎo)通，步進電機1停止轉(zhuǎn)動。當火焰?zhèn)鞲衅魈綔y到室內(nèi)起火時，單片機立刻發(fā)出開窗指令，窗戶打開至兩個開窗限位器接觸時，停止電機轉(zhuǎn)動，在此期間蜂鳴器進行報警。進入夜晚時，在光敏電阻發(fā)出的信號后，關(guān)閉窗戶。在夜晚條件下，當激光束被阻斷時，蜂鳴器進行報警。當語音模塊收到特定控制詞時，向單片機發(fā)出信號。單片機根據(jù)信號執(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)計通過硬件和軟件的設(shè)計同時考慮多種情況，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系統(tǒng)中，完好的實現(xiàn)了各項功能設(shè)計。該智能窗讓人在不同的環(huán)境狀況中或出門在外時不用擔(dān)心窗戶的開合情況。讓人在無法手動直接控制時能夠通過語音控制窗戶和窗簾。夜間發(fā)生入室行為時窗戶會自動報警，為人們生活提供方便和安全。

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