針對高原氣候的窗戶智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

馬柯研，高紅梅，楊強，王蘇童

（1.西藏大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，西藏拉薩，850000；2.西南交通大學(xué) 計算機與人工智能學(xué)院，四川成都，610031）

0 引言

由于西藏地處高原地區(qū)，海拔高度大，紫外線輻射強度大，日夜溫差大，氣候多變等特點導(dǎo)致室內(nèi)舒適度十分不穩(wěn)定。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計一款智能窗戶能改善室內(nèi)環(huán)境，提高生活質(zhì)量。

目前很多智能窗戶僅限于類似電動開關(guān)的控制器設(shè)計，少量結(jié)合氣候變化自動開關(guān)的設(shè)計，但內(nèi)地的窗戶控制系統(tǒng)并不適合于西藏地區(qū)的自身情況，在西藏地區(qū)的使用體驗并不盡如人意，針對西藏氣候的智能窗戶設(shè)計并也不可見。研究一款根據(jù)西藏高原氣候設(shè)計的窗戶智能控制系統(tǒng)，為長期居住于西藏的人們營造一種舒適的生活環(huán)境很有必要。

STC89C52單片機以其簡單的結(jié)構(gòu)和低廉的價格在智能控制方面取得了廣泛應(yīng)用，在此單片機基礎(chǔ)上開發(fā)的應(yīng)用研究有：林關(guān)成[1]設(shè)計了一款pH值測量儀，可以準(zhǔn)確測量氣體PH值。郭強等[2]設(shè)計了一套智能信號控制系統(tǒng)，可以由上位機使用達林頓陣列、繼電器隊列和LED燈組進行控制。韓興國[3]采用溫度傳感器和無線遙控模塊，設(shè)計了溫度高時能自動換擋的智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)。張哲等[4]采用藍牙串口模塊、紅外熱分解模塊、電機驅(qū)動模塊設(shè)計智能全自動洗衣機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)無線設(shè)置洗滌模式和洗滌時間。喻偉闖等[5]采用紅外避障模塊、超聲波測距模塊、電機驅(qū)動模塊，實現(xiàn)自動避障，將車停在車庫?？子賉6]設(shè)計了一套家庭智能安防系統(tǒng)。如果發(fā)生火災(zāi)或煤氣泄漏，系統(tǒng)會自動提醒您并提供防盜功能。這些研究為本設(shè)計提供了技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)功能和總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

本文以STC89C52單片機為控制器，通過感應(yīng)外界溫度、濕度、光照、PM2.5、有害氣體、可疑人物等外界條件的變化，實現(xiàn)自動地開窗、關(guān)窗、報警等操作，同時還可以通過OneNet平臺對其進行遠程監(jiān)控。最終實現(xiàn)使室內(nèi)無論是否有人都可以一直處于一種較為舒適的環(huán)境，達到改善生活質(zhì)量的目的。

1.2 機械結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該設(shè)計為一款可以放置于窗戶外沿處的裝置。它可以實時監(jiān)測光強、溫度、氧氣濃度等并自動地實現(xiàn)開、關(guān)窗等操作。本窗戶由窗框、玻璃、操作電機、手動操作把手、聯(lián)合控制轉(zhuǎn)動系統(tǒng)組成。通過步進電機的轉(zhuǎn)動，以及把手的操作，實現(xiàn)了對窗戶的自動開關(guān)。

圖1 窗戶機械結(jié)構(gòu)示意圖

可以根據(jù)外界光線的強弱來進行自動開關(guān)窗戶，光線強弱的上下限可以上下調(diào)節(jié)。傳感器測量的數(shù)字值用于與用戶定義的預(yù)設(shè)值進行比較，并通過程序設(shè)計了一組用于打開和關(guān)閉窗口的邏輯。例如，如果光強超過設(shè)定的閾值，窗口將自動關(guān)閉。紅外傳感器應(yīng)用實現(xiàn)防盜報警功能。用戶可以通過獨立的按鈕和紅外遙控器控制系統(tǒng)，例如手動開窗和自定義控制邏輯。

1.3 系統(tǒng)模塊設(shè)計

本設(shè)計的核心處理器為C51，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。包括單片機、信息采集、電源、顯示等功能模塊。液晶實時顯示模塊顯示目前的狀態(tài)，包括溫度、濕度、煙霧濃度、光線強度、時間等信息。信息采集模塊包括光強傳感器、煙霧傳感器、溫度濕度傳感器和紅外傳感器溫度、濕度、煙霧等數(shù)據(jù)進行采集、分析、判斷，實現(xiàn)了窗戶的智能開關(guān)。例如光強傳感器可以通過光線強弱的上下限進行上下調(diào)節(jié)，傳感器測量的數(shù)字值用于與用戶定義的預(yù)設(shè)值進行比較，設(shè)計了一組用于打開和關(guān)閉窗口的邏輯。如果光強超過設(shè)定的閾值，窗口將自動關(guān)閉。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.4 單片機結(jié)構(gòu)

單片機結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中所采用的單片機型號是STC89C52，內(nèi)有8K字節(jié)的存儲區(qū)域，可以達到所需的要求。光敏電阻部分用于檢測光強，外界光照會引起光敏電阻的阻值變化，進而起到檢測光照強度的作用；MQ2對于空氣中的微小顆粒形成的PM2.5值進行檢測；DHT11數(shù)字溫濕度傳感器可以檢測周圍環(huán)境的溫度和濕度；紅外傳感器可以識別人體所發(fā)出的電磁輻射，可以用于防盜。用LCD1602顯示，LCD1602采用5V供電，具有低功耗、長壽面、高可靠性等優(yōu)點。

圖3 單片機結(jié)構(gòu)圖

2 各模塊工作流程及部分電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體工作流程

如圖4所示，系統(tǒng)的各個傳感器會對外界信息進行檢測，并產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，這個信號會和實現(xiàn)設(shè)置好的參數(shù)臨界值大小進行對比，進而判斷出此時窗戶應(yīng)該處于開啟狀態(tài)還是關(guān)閉狀態(tài)，然后再基于窗狀態(tài)檢測電路檢測的當(dāng)前窗狀態(tài)，實現(xiàn)脈沖信號的輸出對步進電機進行調(diào)整，利用步進電機順向或者是逆向轉(zhuǎn)動來帶動滑輪組進行轉(zhuǎn)動，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)窗戶的開啟和關(guān)閉工作。溫濕度傳感器模塊檢測窗戶周邊的溫濕度，通過A/D采樣傳輸?shù)絾纹瑱C、顯示器，經(jīng)單片機處理后，當(dāng)溫度超過30℃時，電機正轉(zhuǎn)開窗，當(dāng)溫度低于10℃時，電機反轉(zhuǎn)關(guān)窗。人體紅外探測器模塊檢測窗外是否有人。經(jīng)單片機處理后，當(dāng)有人時，控制電機關(guān)窗，蜂鳴器響，否則控制電機保持原狀。紅外接收模塊采集紅外遙控信號輸出到單片機，控制電機正向開窗，反向關(guān)窗。碰撞傳感器模塊檢查窗戶是完全關(guān)閉還是打開。 經(jīng)單片機處理后，如果窗戶完全關(guān)閉或打開，則控制電機停止轉(zhuǎn)動。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

設(shè)計開機后自動進入系統(tǒng)初始化階段，完成后進入自動控制運行模式。當(dāng)啟用自動控制操作模式時，系統(tǒng)通過檢測標(biāo)志位，定位窗口，并在窗口打開或檢測到時從外部傳感器接收監(jiān)控數(shù)據(jù)來關(guān)閉或打開窗口。手動控制的操作系統(tǒng)是一個獨立的系統(tǒng)，其控制優(yōu)先級高于自動化和遠程控制的操作系統(tǒng)。如果自動或遙控系統(tǒng)出現(xiàn)異常，在不影響系統(tǒng)運行的情況下，可以使用手動控制系統(tǒng)。如果自動控制操作系統(tǒng)和遠程控制操作系統(tǒng)影響系統(tǒng)運行，則斷開連接。

2.2 氣體檢測工作流程

自治區(qū)地處高原，空氣稀薄，氧氣含量較低，因此西藏的居民需要及時地開窗通風(fēng)，我們根據(jù)這一問題研究出氣體檢測功能。如圖5所示，當(dāng)C51單片機接收到室內(nèi)氣體傳感器傳輸?shù)臍怏w濃度數(shù)值（如二氧化碳、氧氣）大于或小于設(shè)定數(shù)值時，若窗體為關(guān)閉狀態(tài)，則控制步進電機打開窗體；若窗體為開啟狀態(tài)，則控制步進電機關(guān)閉窗體。1602顯示會同步顯示情況，反映實時數(shù)據(jù)。

圖5 氣體檢測工作流程圖

2.3 光照強度檢測

如圖6所示，系統(tǒng)通過光敏電阻來判斷光照強度是否達到了所設(shè)定的光照閾值，如果光照強度過高，將引起蜂鳴器報警并向用戶發(fā)送紫外線過高的警報。在本設(shè)計中探測元件所選擇的是一種型號為LY-C1的光敏傳感器。通常情況下光敏電阻對于周圍環(huán)境中的光的強弱很敏感，所以經(jīng)常被用于對周圍環(huán)境的光強進行檢測。該傳感器能夠調(diào)節(jié)輸出狀態(tài)的靈敏度。如果周圍環(huán)境光強沒有達到閾值的時候，那么D0口就會進行高電平的輸出；相反如果光強比閾值大的話，那么D0口就會進行低電平的輸出。因此通過該光敏傳感器就能夠針對外界環(huán)境亮度進行監(jiān)測，對天色進行判斷，在天黑的時候，信號端就會實現(xiàn)高電平的輸出。在該設(shè)計中傳感器的D0端口與單片機的P3.6口進行連接。這樣系統(tǒng)的單片機就能夠?qū)@個I/O口的變化進行檢測，并且發(fā)送信號給單片機，單片機控制電機轉(zhuǎn)動，從而對窗戶的開啟或關(guān)閉進行自動控制[8]。

圖6 光照檢測流程及電路圖

2.4 溫濕度檢測

如圖7所示，本設(shè)計選用DHT11溫濕度傳感器對周圍環(huán)境的溫濕度進行檢測，該傳感器使用溫濕度傳感技術(shù)以及數(shù)字模塊采集技術(shù)[9]。在傳感器的內(nèi)部，集成了一個NTC測溫元件以及一個電阻式感濕元件，同時和一個八位單片機進行連接。所以該傳感器具有非常優(yōu)異的效率，較強的抗干擾能力以及極高的性價比[10]。包括DHT11的所有的產(chǎn)品在出廠之前都通過了專門的濕度校驗室完成過精準(zhǔn)的校準(zhǔn)。其中校準(zhǔn)系數(shù)是以一個程序的形式在OTP內(nèi)存中進行儲存，傳感器在處理檢測信號的時候就會對這些校準(zhǔn)系數(shù)進行調(diào)用。該傳感器采取的是一種單線制串行接口，通過該接口的設(shè)置能夠使得系統(tǒng)集成更為方便。該傳感器由于體積較小，傳輸距離較長，目前在很多場合中都得到了運用。當(dāng)周圍環(huán)境達到溫濕度閾值標(biāo)準(zhǔn)時，將會檢測當(dāng)前窗體的開關(guān)情況，若窗體處于打開狀態(tài)，則控制電機將窗體關(guān)閉，并將溫濕度數(shù)據(jù)實時地顯示在1602顯示屏上[11]。

圖7 溫濕度檢測流程及電路圖

2.5 沙塵與煙霧檢測

西藏地區(qū)氣候干燥，地處高原多有大風(fēng)，人們常常會受到沙塵的困擾，因此本設(shè)計針對這一現(xiàn)狀增加了沙塵檢測的功能。如圖8，沙塵的檢測原理與煙霧檢測大體相同。其中，當(dāng)沙塵傳感器檢測到外界有沙塵時，將會立即地將窗體關(guān)閉，并及時地向用戶發(fā)送警報[12]。而當(dāng)煙霧傳感器檢測到有煙霧時，會先檢測煙霧是在室內(nèi)還是室外，若煙霧在室內(nèi)，系統(tǒng)會判斷窗體當(dāng)前的位置狀態(tài)，若窗體處于關(guān)閉狀態(tài)，將會控制電機將窗體打開；若煙霧在室外，系統(tǒng)將發(fā)出警報，向用戶手機發(fā)送警報信息并關(guān)閉窗戶。

圖8 沙塵以及煙霧檢測流程圖

在這個模塊中選擇的元器件是MQ-2煙霧傳感器，該傳感器是二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料制成的，二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料是一種面離子式N型半導(dǎo)體。若溫度處在200℃～ 300℃之間，二氧化錫就會吸附空氣里面含有的氧氣，產(chǎn)生氧的負離子吸附，能夠使半導(dǎo)體內(nèi)部的電子密度變低，進而提高電阻值[13]。該型號傳感器尤其在面對液化石油氣或者是天然氣等煙霧時，靈敏度非常高，特別在檢測到烷類煙霧的時候，將會擁有更高的敏感性。同時該傳感器的抗干擾性能非常好，能夠?qū)Ψ强扇夹詿熿F所造成的干擾進行有效地排除。

2.6 遙控工作控制

如圖9所示，用戶可以用手機掃描檢測當(dāng)時單片機發(fā)送的環(huán)境檢測狀態(tài)和窗戶開/關(guān)狀態(tài)，并進行遠程控制。 打開和關(guān)閉窗口可以防止用戶打開和關(guān)閉窗口，避免因篡改硬件或軟件而造成不必要的損失。

圖9 遙控工作控制流程圖

2.7 紅外檢測

西藏地區(qū)多為平房，這使得竊賊有了可乘之機。因此我們針對這一問題設(shè)計了紅外檢測功能用于防盜。如圖10所示，當(dāng)有物體伸出窗戶一定范圍時，單片機會接收到紅外傳感器的信息使蜂鳴器報警，并通過GSM系統(tǒng)向用戶發(fā)送短信通知。這將有效地減少被盜竊的概率。

圖10 紅外檢測流程圖

在紅外檢測模塊中采用了激光防盜電路的設(shè)計思路，該設(shè)計的紅外探測器由發(fā)射頭和接收頭兩個部分構(gòu)成。當(dāng)處于正常情況下時，發(fā)射頭會發(fā)射紅外線，并使這個紅外線會被接頭接收到，此時探測器就會導(dǎo)通進而不發(fā)生動作。一旦紅外線被遮擋住，那么接收頭將無法接收紅外線，相應(yīng)的探測器就會斷開，之后進行低電平的輸出[14]。在該系統(tǒng)設(shè)計中，紅外探測器一共設(shè)置了兩組，其中兩個接收頭所對應(yīng)的輸出端分別和系統(tǒng)單片機的P3.3口以及P3.4口。從而能夠保證整個窗戶面達到防盜的效果。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計

3.1 單片機電路

該系統(tǒng)設(shè)計采用STC89C52單片機，該單片機如圖11所示，有8k字節(jié)Flash、512字節(jié)RAM以及32位I/O口線，并且該單片機內(nèi)置看門狗定時器，4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)的515向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串口。此外，STC89C52可以降低到0Hz靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的省電模式。在空閑模式下，CPU停止工作并允許RAM、定時器/計數(shù)器、串行端口和中斷繼續(xù)工作[15]。

圖11 單片機電路原理圖

在掉電保護模式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器凍結(jié)，所有微控制器操作停止，直到下一次中斷或硬件復(fù)位。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

3.2 晶振電路

結(jié)合單片機內(nèi)部的電路，該設(shè)計提供單片機所必備的時鐘頻率為系統(tǒng)提供最基本的時鐘信號[16]。該單片機中的18與19都是它的晶振引腳，其大小為11.0592MHz，如圖12所示。外加兩個大小為20pF的電容以實現(xiàn)晶振起振并維持振蕩信號的穩(wěn)定。

圖12 晶振電路原理圖

4 系統(tǒng)硬件測試

4.1 硬件連接性測試

在進行硬件測試之前，需要根據(jù)設(shè)計的電路原理圖以及各個元器件的規(guī)格說明書和管腳說明材料，按照順序?qū)⒏鱾€重要模塊通過焊錫焊接的方式連接起來，最后依據(jù)電路原理圖檢查每個模塊之間的管腳連接是否正確，各管腳是否定義準(zhǔn)確、連接通暢。系統(tǒng)的焊接難點就是各個傳感器模塊的分布位置，因為模塊較多，需要按照各個傳感器之間的關(guān)系合理分配空間。本設(shè)計的實物連接圖如圖13所示。

圖13 實物連接圖

4.2 硬件功能測試

硬件連接性測試完成之后，給整個系統(tǒng)上電，溫濕度傳感器、光線傳感器、氣體傳感器、紅外傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)傳遞給STC89C52單片機，單片機進行數(shù)據(jù)處理之后驅(qū)動液晶顯示模塊LCD1602顯示信息。液晶顯示界面如圖14所示。

圖14 液晶顯示界面

當(dāng)溫濕度傳感器檢測到溫度或者濕度達到閾值，就會傳遞信號給單片機，單片機控制步進電機轉(zhuǎn)動，模擬開關(guān)窗過程。當(dāng)煙霧傳感器檢測到有毒氣體濃度達到閾值的時候，同樣執(zhí)行上面的過程。

當(dāng)紅外探測器檢測到有物體移動的時候，同樣會傳遞信號給單片機，單片機控制電機轉(zhuǎn)動，模擬關(guān)窗過程，同時單片機控制蜂鳴器發(fā)出警報，以起到警示作用，同時可以遙控關(guān)閉警報。

4.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

該文將整個系統(tǒng)放置于海拔3500米的室外進行高壓測試，持續(xù)運行24小時，測試期間并未出現(xiàn)短路、斷路現(xiàn)象，經(jīng)過測試，整個系統(tǒng)功能正常，供電穩(wěn)定，程序未出現(xiàn)亂碼現(xiàn)象。由此得出，該系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

經(jīng)過上述硬件測試過程，結(jié)果各個模塊均正常顯示。

5 結(jié)語

該文針對西藏地區(qū)的特殊環(huán)境設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于STC89C52單片機的窗戶控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以針對西藏地區(qū)的環(huán)境特點有效地改善居住于西藏地區(qū)人們的生活質(zhì)量。系統(tǒng)研發(fā)過程兼顧了應(yīng)用價值與實驗需求以檢測設(shè)備便攜化、無線化的市場需求為研究出發(fā)點，注重了功能性與現(xiàn)場適應(yīng)性。