伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日漸成熟和其產(chǎn)業(yè)規(guī)模的快速發(fā)展，智能與智慧的生產(chǎn)生活方式更多地來(lái)到了人們的身邊。其中，智能家居作為一個(gè)與日常生活密不可分的新興產(chǎn)物而受到大眾的密切關(guān)注，并且一躍成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用且快速發(fā)展的領(lǐng)域之一。

智能窗戶作為智能家居中一塊尚未大量開(kāi)發(fā)和探索的部分，具有廣闊的發(fā)展空間。截至目前的設(shè)計(jì)與制作，本文設(shè)計(jì)的智能窗戶控制裝置可以通過(guò)多種傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)外溫度、光照、可燃?xì)怏w濃度、室外風(fēng)速、雨滴、煙塵等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將這些信息以輸入電平信號(hào)的形式傳入單片機(jī)，在經(jīng)過(guò)程序?qū)?shù)的比較和處理后，由單片機(jī)輸出端輸出電平信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)窗戶和窗簾的開(kāi)合調(diào)節(jié)，達(dá)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(chǎn)安全提供了保障。

1 裝置總體設(shè)計(jì)

基于AT89C2051單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該裝置主要包含了由多種傳感器相互配合的參數(shù)采集模塊、單片機(jī)輸出端的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、根據(jù)用戶設(shè)定在每天的規(guī)定時(shí)間控制電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)窗的定時(shí)繼電器模塊、可實(shí)時(shí)預(yù)警的蜂鳴器報(bào)警模塊和定時(shí)向用戶顯示檢測(cè)到的環(huán)境參數(shù)的顯示模塊四大基本模塊。

其中，參數(shù)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?xì)怏w傳感器、風(fēng)速傳感器、雨滴傳感器以及振動(dòng)傳感器相結(jié)合，很好地達(dá)到了對(duì)室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)的24h不間斷檢測(cè)采集的目的。其原理框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

本裝置將高性能處理器AT89C2051作為主控芯片。該單片機(jī)作為ATMEL公司的一款價(jià)格低且性能好的8位CMOS微型處理器，其具有體積小、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。不僅如此，AT89C2051單片機(jī)的最低工作電壓僅為2.7V，可以由兩節(jié)五號(hào)電池帶動(dòng)進(jìn)行工作。所以將其應(yīng)用在窗戶的控制裝置中不僅可以有效解決在發(fā)生停電等特殊情況時(shí)單片機(jī)的正常運(yùn)行問(wèn)題，而且有效縮小了裝置的體積，實(shí)現(xiàn)了安裝的美觀。

圖1 裝置原理框圖

對(duì)于裝置的設(shè)計(jì)制造者而言，由于該單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器為Flash，所以相較于其他微處理器，當(dāng)需要修改它的內(nèi)部程序時(shí)，所需的工作更為精簡(jiǎn)。而且AT89C2051在前期的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中為使用者留有2個(gè)程序保密位，當(dāng)保密位1被編程之后，程序存儲(chǔ)器不能再被進(jìn)行編程和修改；當(dāng)保密位2被編程之后，在程序存儲(chǔ)器內(nèi)已有的程序則不能被讀出。因此，該單片機(jī)的選用也為后期該裝置在市場(chǎng)上投放及保證核心程序不泄露而奠定了良好的基礎(chǔ)。

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(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)光照強(qiáng)度的檢測(cè)功能。當(dāng)午時(shí)來(lái)臨時(shí)，光照強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，二極管在感知到光照變化后實(shí)現(xiàn)單向?qū)ǎ敵龈唠娖剑甘緹糇兞粒瑔纹瑱C(jī)控制窗簾的電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)窗簾的閉合；當(dāng)夜晚來(lái)臨時(shí)，光照強(qiáng)度逐漸減弱，二極管在感知到光照減弱后截?cái)嚯娏鳎敵龅碗娖剑甘緹粝纾瑔纹瑱C(jī)控制窗簾的電動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)窗簾的開(kāi)啟。

不僅如此，在給窗簾的電動(dòng)機(jī)設(shè)置了自動(dòng)模式的同時(shí)也為其增設(shè)了手動(dòng)模式，使用者也可依據(jù)自身的生活習(xí)慣與個(gè)人喜好進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到使居家生活更為舒適智能的目的。將窗戶與窗簾進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)不僅可以使居家生活更舒適便捷，而且在一些特殊的場(chǎng)合也會(huì)產(chǎn)生巨大的使用價(jià)值。

例如在醫(yī)院安裝該智能窗戶控制裝置，控制權(quán)可交由醫(yī)院進(jìn)行統(tǒng)一管理，根據(jù)每位病患的病情需要，定時(shí)為其通風(fēng)或給予適宜的光照，以輔助病情的緩解和病患的康復(fù)。該傳感器的電路結(jié)構(gòu)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(shù)字集成溫度傳感器DS18B20，其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度變化的連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)。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(diǎn)，而且其測(cè)量的溫度范圍可達(dá)到◆55℃～125℃（誤差±2℃），因此可用于各種日常生產(chǎn)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(huán)境，根據(jù)用戶窗戶的不同形式可以進(jìn)行靈活的調(diào)整。DS18B20的有效工作電壓為5V，將其負(fù)極接地，輸出引腳DO與單片機(jī)引腳相連接。

工作時(shí)，DO引腳傳輸?shù)碾娦盘?hào)會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生一系列相應(yīng)的變化，所得的溫度值也將會(huì)存放在對(duì)應(yīng)的存貯器中。再將上述信號(hào)經(jīng)過(guò)DO引腳傳送至單片機(jī)，借助單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，繼而做到窗戶的自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉。

2.4 煙塵傳感器模塊

煙塵傳感器模塊采用了目前檢測(cè)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(cè)顆粒場(chǎng)時(shí)，隨著場(chǎng)內(nèi)顆粒物濃度的變化，其對(duì)平行光的散射情況也會(huì)相應(yīng)地改變，從而根據(jù)平行光的衰減程度來(lái)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(dá)0.8◆m。在清潔的空氣環(huán)境中，該傳感器會(huì)給單片機(jī)輸出一個(gè)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(huì)根據(jù)所測(cè)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(shè)不僅可以檢測(cè)空氣中存在的煙塵以及PM2.5等對(duì)人體有害的顆粒物，而且在一些對(duì)空氣中粉塵濃度要求較高的特殊的生產(chǎn)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(fā)生。

當(dāng)被檢測(cè)對(duì)象為空氣中的PM2.5等有害顆粒物時(shí)，該傳感器會(huì)被安裝在室外，一旦發(fā)現(xiàn)空氣中的煙塵濃度高于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，裝置就會(huì)控制窗戶及時(shí)地關(guān)閉，以便最大限度地保證室內(nèi)空氣的清潔程度；而當(dāng)被檢測(cè)對(duì)象為工廠內(nèi)的粉塵濃度時(shí)，該傳感器則會(huì)被安裝在室內(nèi)，如發(fā)現(xiàn)空氣中的煙塵濃度高于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，裝置就會(huì)控制窗戶及時(shí)地打開(kāi)，從而進(jìn)行良好的通風(fēng)，達(dá)到降低粉塵濃度、避免生產(chǎn)安全事故發(fā)生的目的。

2.5 可燃?xì)怏w傳感器模塊

為實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空氣中例如甲烷、乙烷等可燃性有毒氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可燃?xì)怏w檢測(cè)傳感器采用的是目前應(yīng)用比較廣泛的MQ135空氣污染檢測(cè)傳感器。MQ135氣體傳感器采用的氣敏材料為在空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫。

當(dāng)所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí)，其電導(dǎo)率會(huì)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(jìn)行配合使用，可以將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與所測(cè)有害氣體濃度對(duì)應(yīng)的模擬電壓進(jìn)行輸出。

該傳感器的工作電壓為5V，將其AO端與單片機(jī)進(jìn)行連接，在相對(duì)無(wú)污染的情況下，AO端向單片機(jī)輸出0.1～0.3V的模擬電壓；當(dāng)發(fā)生有害氣體泄漏時(shí)，AO端輸出的模擬電壓升高至4V左右。單片機(jī)在接收到信號(hào)的改變后會(huì)根據(jù)程序的設(shè)定控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)及時(shí)開(kāi)窗通風(fēng)以及蜂鳴器報(bào)警的功能。

2.6 風(fēng)速傳感器模塊

風(fēng)速傳感器采用了三杯式風(fēng)速計(jì)，該風(fēng)速計(jì)可檢測(cè)的風(fēng)速范圍為0～70m/s，具有測(cè)風(fēng)范圍大、材料強(qiáng)度高且耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。在不同的天氣情況下，風(fēng)速計(jì)的三個(gè)杯體隨著不同等級(jí)的風(fēng)力帶動(dòng)而連續(xù)不停地旋轉(zhuǎn)。

將其電壓采樣端與單片機(jī)引腳相連，如果室外的風(fēng)速產(chǎn)生變化，采樣端的輸出電壓等級(jí)也會(huì)對(duì)應(yīng)地進(jìn)行改變。風(fēng)速越大，風(fēng)速計(jì)的旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)速越高，采樣端的輸出電壓等級(jí)也就相應(yīng)地升高。而如果單片機(jī)的輸入電壓升高，就會(huì)控制電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)關(guān)窗；輸入電壓如果降低，則其控制電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(dǎo)電性能良好的大面積鎳處理感應(yīng)板，該傳感器可將是否下雨及雨量的多少轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)（DO）和模擬信號(hào)（AO）。將其數(shù)字輸出端DO與單片機(jī)引腳進(jìn)行連接。

在天氣晴朗干燥時(shí)，傳感器的感應(yīng)板上沒(méi)有水滴滴落，其輸出端DO輸出高電平，單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行開(kāi)窗；當(dāng)天氣突變，遇到降雨時(shí)，感應(yīng)板上感應(yīng)到有水滴滴落，輸出端DO輸出低電平，單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行關(guān)窗。

2.8 振動(dòng)傳感器模塊

振動(dòng)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(jī)械能有效地轉(zhuǎn)化為電能。該材料主要是利用了壓電效應(yīng)的原理，當(dāng)壓電陶瓷片表面受到機(jī)械壓力時(shí)，介質(zhì)材料會(huì)產(chǎn)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(chǎn)生正壓電效。

壓電陶瓷片體積小、質(zhì)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(shí)地檢測(cè)到窗戶的振動(dòng)。如遇到盜賊撬窗，窗戶就會(huì)產(chǎn)生持續(xù)不間斷的振動(dòng)，繼而在壓電陶瓷片上產(chǎn)生較長(zhǎng)時(shí)間的電壓。

將上述電平信號(hào)傳入單片機(jī)，單片機(jī)可以依據(jù)壓電陶瓷片上產(chǎn)生電壓時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)確定是正常情況下的自然振動(dòng)還是盜賊作案，進(jìn)而控制蜂鳴器報(bào)警。該傳感器的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 振動(dòng)傳感器模塊

2.9 定時(shí)繼電器模塊

定時(shí)繼電器模塊與智能窗戶控制裝置的首次結(jié)合不僅解決了家里有老人常出現(xiàn)忘關(guān)窗而導(dǎo)致安全事故的問(wèn)題，而且在極大程度上使無(wú)人在家但保持家里定時(shí)通風(fēng)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(shí)間）和CLE（控制繼電器斷開(kāi)時(shí)間）兩種工作模式，且每個(gè)模式均可設(shè)置多個(gè)時(shí)間段。

用戶可以根據(jù)居住的地域條件以及自身的喜好來(lái)設(shè)定每日開(kāi)窗和關(guān)窗的時(shí)間。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)先設(shè)定的開(kāi)窗時(shí)間，定時(shí)繼電器模塊輸出高電平，控制單片機(jī)從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)打開(kāi)窗戶；當(dāng)預(yù)先設(shè)定好的關(guān)窗時(shí)間來(lái)臨，定時(shí)繼電器模塊輸出低電平，控制單片機(jī)從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)閉窗戶。

3 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖

本裝置的系統(tǒng)軟件以Keil作為編輯軟件，C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，AT89C2051作為控制核心，并結(jié)合多種傳感器所檢測(cè)到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)一步控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)的操作模式。Keil編輯軟件開(kāi)發(fā)圖如圖5所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖4 裝置實(shí)物圖

圖5 Keil編輯軟件開(kāi)發(fā)圖

4 結(jié)論

本裝置以AT89C2051單片機(jī)為基礎(chǔ)，配合多種傳感器進(jìn)行環(huán)境參數(shù)采集，進(jìn)而達(dá)到利用電平信號(hào)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的效果，窗戶的自動(dòng)開(kāi)合也由此實(shí)現(xiàn)。該裝置很大程度上改變了室內(nèi)無(wú)人時(shí)遇到外界環(huán)境突變而無(wú)法開(kāi)關(guān)窗的現(xiàn)狀，有效滿足了人們的生產(chǎn)生活需要。

圖6 程序流程圖

其簡(jiǎn)單實(shí)用的結(jié)構(gòu)、明了清晰的電路、價(jià)格低廉的器件材料，也為其在家庭、醫(yī)院及工廠倉(cāng)庫(kù)等的廣泛使用奠定了良好的基礎(chǔ)。在接下來(lái)的研究工作中，將結(jié)合現(xiàn)代信息通信技術(shù)擴(kuò)增遠(yuǎn)程控制的功能。伴隨智能家居領(lǐng)域的不斷發(fā)展，該裝置的研發(fā)可為后續(xù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究發(fā)揮重要的作用。