伴隨著物聯網技術的日漸成熟和其產業規模的快速發展，智能與智慧的生產生活方式更多地來到了人們的身邊。其中，智能家居作為一個與日常生活密不可分的新興產物而受到大眾的密切關注，并且一躍成為物聯網技術廣泛應用且快速發展的領域之一。

智能窗戶作為智能家居中一塊尚未大量開發和探索的部分，具有廣闊的發展空間。截至目前的設計與制作，本文設計的智能窗戶控制裝置可以通過多種傳感器實現對室內外溫度、光照、可燃氣體濃度、室外風速、雨滴、煙塵等環境參數的實時監測，并將這些信息以輸入電平信號的形式傳入單片機，在經過程序對參數的比較和處理后，由單片機輸出端輸出電平信號控制電動機進行正反轉，從而實現對窗戶和窗簾的開合調節，達到智能控制的目的。該裝置不僅可以很好地提升用戶的使用感受，而且也為居家舒適和生產安全提供了保障。

1 裝置總體設計

基于AT89C2051單片機系統設計，該裝置主要包含了由多種傳感器相互配合的參數采集模塊、單片機輸出端的電動機驅動模塊、根據用戶設定在每天的規定時間控制電動機實現開關窗的定時繼電器模塊、可實時預警的蜂鳴器報警模塊和定時向用戶顯示檢測到的環境參數的顯示模塊四大基本模塊。

其中，參數采集模塊在很大程度上將光照傳感器、溫度傳感器、煙塵傳感器、可燃氣體傳感器、風速傳感器、雨滴傳感器以及振動傳感器相結合，很好地達到了對室內外環境參數的24h不間斷檢測采集的目的。其原理框圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 單片機最小系統模塊

本裝置將高性能處理器AT89C2051作為主控芯片。該單片機作為ATMEL公司的一款價格低且性能好的8位CMOS微型處理器，其具有體積小、功能強等優點。不僅如此，AT89C2051單片機的最低工作電壓僅為2.7V，可以由兩節五號電池帶動進行工作。所以將其應用在窗戶的控制裝置中不僅可以有效解決在發生停電等特殊情況時單片機的正常運行問題，而且有效縮小了裝置的體積，實現了安裝的美觀。

圖1 裝置原理框圖

對于裝置的設計制造者而言，由于該單片機內部程序存儲器為Flash，所以相較于其他微處理器，當需要修改它的內部程序時，所需的工作更為精簡。而且AT89C2051在前期的設計與生產中為使用者留有2個程序保密位，當保密位1被編程之后，程序存儲器不能再被進行編程和修改；當保密位2被編程之后，在程序存儲器內已有的程序則不能被讀出。因此，該單片機的選用也為后期該裝置在市場上投放及保證核心程序不泄露而奠定了良好的基礎。

2.2 光照傳感器模塊

由于利用了光敏二極管的原理，光照傳感器模塊可以很好地實現對室內光照強度的檢測功能。當午時來臨時，光照強度逐漸增強，二極管在感知到光照變化后實現單向導通，輸出高電平，指示燈變亮，單片機控制窗簾的電動機正向旋轉，從而實現窗簾的閉合；當夜晚來臨時，光照強度逐漸減弱，二極管在感知到光照減弱后截斷電流，輸出低電平，指示燈熄滅，單片機控制窗簾的電動機反向旋轉，從而實現窗簾的開啟。

不僅如此，在給窗簾的電動機設置了自動模式的同時也為其增設了手動模式，使用者也可依據自身的生活習慣與個人喜好進行調節，從而達到使居家生活更為舒適智能的目的。將窗戶與窗簾進行聯動控制的實現不僅可以使居家生活更舒適便捷，而且在一些特殊的場合也會產生巨大的使用價值。

例如在醫院安裝該智能窗戶控制裝置，控制權可交由醫院進行統一管理，根據每位病患的病情需要，定時為其通風或給予適宜的光照，以輔助病情的緩解和病患的康復。該傳感器的電路結構如圖2所示。

圖2 光照傳感器模塊

2.3 溫度傳感器模塊

溫度傳感器模塊采用了數字集成溫度傳感器DS18B20，其可以實現對室內溫度變化的連續不間斷監測。該傳感器尺寸為21mm×10mm，不僅具有硬度大、耐碰撞、體積小和精度高的特點，而且其測量的溫度范圍可達到◆55℃～125℃（誤差±2℃），因此可用于各種日常生產生活。

由于該傳感器還具有多種封裝形式，因此在不同的外部環境，根據用戶窗戶的不同形式可以進行靈活的調整。DS18B20的有效工作電壓為5V，將其負極接地，輸出引腳DO與單片機引腳相連接。

工作時，DO引腳傳輸的電信號會隨著環境溫度的變化而產生一系列相應的變化，所得的溫度值也將會存放在對應的存貯器中。再將上述信號經過DO引腳傳送至單片機，借助單片機對數據進行處理以實現對電動機正反轉的控制，繼而做到窗戶的自動開啟和關閉。

2.4 煙塵傳感器模塊

煙塵傳感器模塊采用了目前檢測精度較高的夏普GP2Y1051AU0F灰塵傳感器，其主要原理為將平行光束射入被測顆粒場時，隨著場內顆粒物濃度的變化，其對平行光的散射情況也會相應地改變，從而根據平行光的衰減程度來確定空氣中顆粒物的濃度。

該傳感器具有很低的電流消耗（11～20mA），不僅如此，其最小粒子檢出值高達0.8◆m。在清潔的空氣環境中，該傳感器會給單片機輸出一個0.9V的模擬電壓，隨著空氣中顆粒物濃度的升高，該模擬電壓會根據所測顆粒物濃度而成正比地增加，且靈敏度為0.5V/（0.1mg/m3）。

煙塵傳感器模塊的增設不僅可以檢測空氣中存在的煙塵以及PM2.5等對人體有害的顆粒物，而且在一些對空氣中粉塵濃度要求較高的特殊的生產加工工廠（例如面粉廠），也可以有效避免一系列安全事故的發生。

當被檢測對象為空氣中的PM2.5等有害顆粒物時，該傳感器會被安裝在室外，一旦發現空氣中的煙塵濃度高于標準時，裝置就會控制窗戶及時地關閉，以便最大限度地保證室內空氣的清潔程度；而當被檢測對象為工廠內的粉塵濃度時，該傳感器則會被安裝在室內，如發現空氣中的煙塵濃度高于標準時，裝置就會控制窗戶及時地打開，從而進行良好的通風，達到降低粉塵濃度、避免生產安全事故發生的目的。

2.5 可燃氣體傳感器模塊

為實現對室內空氣中例如甲烷、乙烷等可燃性有毒氣體進行實時監測，可燃氣體檢測傳感器采用的是目前應用比較廣泛的MQ135空氣污染檢測傳感器。MQ135氣體傳感器采用的氣敏材料為在空氣中電導率較低的二氧化錫。

當所處環境中存在污染氣體時，其電導率會隨著空氣中污染氣體濃度的增加而增大。將該傳感器與基本電路進行配合使用，可以將電導率的變化轉換為與所測有害氣體濃度對應的模擬電壓進行輸出。

該傳感器的工作電壓為5V，將其AO端與單片機進行連接，在相對無污染的情況下，AO端向單片機輸出0.1～0.3V的模擬電壓；當發生有害氣體泄漏時，AO端輸出的模擬電壓升高至4V左右。單片機在接收到信號的改變后會根據程序的設定控制電機轉動，從而實現及時開窗通風以及蜂鳴器報警的功能。

2.6 風速傳感器模塊

風速傳感器采用了三杯式風速計，該風速計可檢測的風速范圍為0～70m/s，具有測風范圍大、材料強度高且耐腐蝕等優點。在不同的天氣情況下，風速計的三個杯體隨著不同等級的風力帶動而連續不停地旋轉。

將其電壓采樣端與單片機引腳相連，如果室外的風速產生變化，采樣端的輸出電壓等級也會對應地進行改變。風速越大，風速計的旋轉葉片轉速越高，采樣端的輸出電壓等級也就相應地升高。而如果單片機的輸入電壓升高，就會控制電動機旋轉實現關窗；輸入電壓如果降低，則其控制電動機旋轉實現開窗。

2.7 雨滴傳感器模塊

雨滴傳感器模塊采用了Arduino雨滴傳感器，借助導電性能良好的大面積鎳處理感應板，該傳感器可將是否下雨及雨量的多少轉成數字信號（DO）和模擬信號（AO）。將其數字輸出端DO與單片機引腳進行連接。

在天氣晴朗干燥時，傳感器的感應板上沒有水滴滴落，其輸出端DO輸出高電平，單片機控制電動機轉動進行開窗；當天氣突變，遇到降雨時，感應板上感應到有水滴滴落，輸出端DO輸出低電平，單片機控制電動機轉動進行關窗。

2.8 振動傳感器模塊

振動傳感器模塊則主要采用了壓電陶瓷片。作為一種功能性陶瓷材料，壓電陶瓷可以將機械能有效地轉化為電能。該材料主要是利用了壓電效應的原理，當壓電陶瓷片表面受到機械壓力時，介質材料會產生一定程度的收縮或拉伸等形狀的變化，從而引起陶瓷片表面帶電，產生正壓電效。

壓電陶瓷片體積小、質量輕且靈敏度高，將其安裝在窗口處，既不影響美觀，又能很及時地檢測到窗戶的振動。如遇到盜賊撬窗，窗戶就會產生持續不間斷的振動，繼而在壓電陶瓷片上產生較長時間的電壓。

將上述電平信號傳入單片機，單片機可以依據壓電陶瓷片上產生電壓時間的長短來確定是正常情況下的自然振動還是盜賊作案，進而控制蜂鳴器報警。該傳感器的電路結構如圖3所示。

圖3 振動傳感器模塊

2.9 定時繼電器模塊

定時繼電器模塊與智能窗戶控制裝置的首次結合不僅解決了家里有老人常出現忘關窗而導致安全事故的問題，而且在極大程度上使無人在家但保持家里定時通風換氣成為了可能。該模塊的工作電壓為5V，可分為OPE（控制繼電器閉合時間）和CLE（控制繼電器斷開時間）兩種工作模式，且每個模式均可設置多個時間段。

用戶可以根據居住的地域條件以及自身的喜好來設定每日開窗和關窗的時間。當到達預先設定的開窗時間，定時繼電器模塊輸出高電平，控制單片機從而實現電動機正轉打開窗戶；當預先設定好的關窗時間來臨，定時繼電器模塊輸出低電平，控制單片機從而實現電動機反轉關閉窗戶。

3 系統主程序設計流程圖

本裝置的系統軟件以Keil作為編輯軟件，C語言作為編程語言，AT89C2051作為控制核心，并結合多種傳感器所檢測到的環境參數進一步控制電動機的轉動，進而實現對窗戶的智能控制，如圖4所示。如遇到停電等特殊情況，用戶也可將該裝置切換為手動的操作模式。Keil編輯軟件開發圖如圖5所示，系統設計流程如圖6所示。

圖4 裝置實物圖

圖5 Keil編輯軟件開發圖

4 結論

本裝置以AT89C2051單片機為基礎，配合多種傳感器進行環境參數采集，進而達到利用電平信號對電動機進行控制的效果，窗戶的自動開合也由此實現。該裝置很大程度上改變了室內無人時遇到外界環境突變而無法開關窗的現狀，有效滿足了人們的生產生活需要。

圖6 程序流程圖

其簡單實用的結構、明了清晰的電路、價格低廉的器件材料，也為其在家庭、醫院及工廠倉庫等的廣泛使用奠定了良好的基礎。在接下來的研究工作中，將結合現代信息通信技術擴增遠程控制的功能。伴隨智能家居領域的不斷發展，該裝置的研發可為后續物聯網技術的研究發揮重要的作用。