智能型光伏百叶窗防盗报警装置的设计与实现

吴帆 王志宝 施成

摘  要： 针对目前的建筑遮阳研究状况及市场需求，设计了一种智能型光伏百叶窗防盗报警装置，既有智能遮阳功能、又能光伏发电并且具有防盗短信报警能力。本装置由光伏板与遮阳叶片组成阵列，可根据外界环境气候及一年四季太阳运行的变化而自动调整叶片角度，取得符合设计要求的遮阳效率及发电量。通过无线模块把室内的温度、湿度、光照度传送至手机界面上，实时监测室内环境情况，并可以一键开启光伏百叶窗，单片机通过外接光敏电阻采集室外光强变化，也可根据雨滴传感器采集的天气情况，为叶片运行提供输入信号。系统联动的智能家庭防盗装置可以检测家中是否有人未经许可进入，如果发生异常情况则通过GSM模块及时将提醒短信发送给用户。本装置通过实验模拟验证了系统设计的可行性。

关键词： 光伏;智能遮阳;防盗

中图分类号： TU17    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.006

【Abstract】： In view of the current research status and market demand of building sun shading， a kind of intelligent PV blinds anti-theft alarm device has been designed， which not only has intelligent sun shading function， but also can generate photovoltaic power， and has the ability of security short message alarm. This device consists of photovoltaic panel and sunshade blade array， which can automatically adjust the blade angle according to the environment climate and the change of the solar running of the four seasons of the year， and obtain the sun shading efficiency and the power generation quantity that meet the design requirements. Through the wireless module， the indoor temperature， humidity and light illumination are transmitted to the mobile phone interface， and the indoor environment is monitored in real time， and the photovoltaic shutters can be opened at one key. The single chip microcomputer collects the outdoor light intensity through the external photosensitive resistance， and can also provide the input letter for the blade operation according to the sky gas situation collected by the raindrop sensor. Number. The intelligent family burglar device of the system can detect whether there is an unauthorized entry in the home. If there is an abnormal situation， a reminder message is sent to the user in time through the GSM module. The feasibility of the system design is verified by experimental simulation.

【Key words】： Photovoltaic; Intelligent sunshade; Anti-theft

0  引言

光伏發电与建筑相结合（BIPV）是光伏发电大规模推广应用的重要发展方向，而与建筑遮阳相结合是其主要实现形式之一，对于节约建筑能耗、改善室内环境及以可再生能源替代传统石化能源等具有重要意义[1]。对建筑遮阳的研究大多从建筑学的角度来进行，缺乏全面的、系统的具备工程指导意义的研究。一般仅以传统的单片遮阳板为研究对象进行理论分析，对以百叶窗形式为代表的现代遮阳技术的理论分析及具体的系统设计、制造、安装研究很少，特别是对代表遮阳发展趋势的智能控制遮阳系统的研究更是少见，与现代建筑遮阳的发展要求有一定的差距。

针对目前的建筑遮阳研究状况及市场需求，设计了一种智能型光伏百叶窗防盗报警装置，既有智能遮阳功能、又能光伏发电并且具有防盗短信报警能力。本装置由光伏板与遮阳叶片组成阵列，可根据外界环境气候及一年四季太阳运行的变化而自动调整叶片角度，取得符合设计要求的遮阳效率及发电量。所有叶片均由单片机集中统一控制，同时每列叶片又可单独接受手动或遥控控制。通过无线模块把室内的温度、湿度、光照度传送至手机界面上，实时监测室内环境情况，并可以一键开启光伏百叶窗，单片机通过外接光敏电阻采集室外光强变化，也可根据雨滴传感器采集的天气情况，为叶片运行提供输入信号。叶片由步进电机驱动，通过调节运行时间来控制叶片角度。光伏阵列所产生的电能可为电机执行机构提供电力，并可组成独立供电系统为其他设备供电，条件允许时可直接并入电网，同时系统联动的智能家庭防盗装置可以检测家中是否有人未经许可进入，如果发生异常情况则通过GSM模块及时将提醒短信发送给用户[2-4]。本装置通过实验模拟验证系统设计的可行性。

1  设计方案

本装置设计主要解决支撑结构及遮阳板（叶片）设计;电机及传动机构设计;光伏遮阳控制系统设计;光伏发电系统设计;防盗报警系统设计等设计问题。

1.1  光伏控制系统原理

光伏发电板是贴在百叶窗扇叶的表面的，通过在窗外设置两个光敏电阻，比较它们接受的光照强度来确定哪个方向的光照比较强。随后通过步进电机去调节百叶窗的倾角，使得光伏板始终接收到最大的光照强度，提高发电效率。其控制系统框图如图1所示。

1.2  智能光伏百叶窗模块

当使用自动模式时，该装置不仅可以自动追踪太阳光，而且可以在适当的情况下进行自动开闭。如果在打开百叶窗时，外面下雨了，这时候百叶窗就会自动感知，帮用户自动关闭百叶窗，同时还可以在设置界面中设定最小光照强度，当两个光敏电阻都检测到光照强度低于设定值时也会自动帮用户关闭百叶窗[5]。当使用手动模式时，百叶窗不再追踪太阳光，需要通过系统中的“模式切换”按钮先切换进手动模式，然后通过“上”“下”按钮去调整叶片打开角度，使得用户能够根据自己的喜好调成最需要的角度。如图2所示光伏百叶窗控制系统框图。

1.3  基于GSM防盗报警模块

当家里无人时，可把防盗报警模块设置为外出防盗状态，当有人闯入时，热释电红外传感器开始工作，设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，经过信号处理电路对电信号进行滤波、放大、比较、输出高电平作为告警信息送给单片机，经单片机处理运算后驱动执行短信报警电路使GSM模块，向用户发送短信息实现远程防盗报警功能[6-8]。基于GSM短信模块的家庭防盗报警系统组成如图3所示。

2  控制系统

虽然百叶窗在千家百户中都得到广泛的应用，但是大多数的百叶窗都是固定在一个角度，不能够根据实际情况进行调整，因此使用的场景十分有限，

所以研究出一个智能的百叶窗系统是很有必要的。在日常生活中，开关窗户主要就是为了遮挡风雨。如果百叶窗能够自动帮助用户开闭窗户就能真正地做到了智能。而且建筑物的立面接受太阳光照的时间是特别长的，如果能够再引入光伏发电系统就更能够迎合环保的要求，真正的做到节能又智能。

2.1  主控制系统和外围电路设计

智能百叶窗主控制系统是以STC89C52单片机为核心的，其最小系统的复位电路由电容，电阻和按钮组成。首先将编辑好的hex烧录到单片机的内部，然后接通单片机电源，单片机产生复位信号，完成启动，单片机就进入初始工作状态，按照设定执行程序。当电路中出现干扰，死机等状况时，可以按下复位按钮，这样就可以使程序从头开始执行。

2.2  光线传感电路设计

通过在设置界面设定光线的阈值，当光线低于阈值时，百叶窗就会自动关闭。同时，两个光线传感器感应光线的强弱，通过ADC 0832数模转换器读取数据，发送给核心单片机进行比较，单片机判断出光线最强的方向，随后控制步进电机调整百叶窗叶片的角度，使得光伏板的发电效率达到最高。

2.3  雨水传感电路设计

雨水传感电路通过雨滴传感器感知有无雨滴下落，如果没有雨滴下落，雨滴传感器DO输出为高电平，如果有雨滴下落，DO输出为低电平。当雨水干燥后，又恢复到高电平状态。将DO口连接到单片机的引脚上，可以通过检测引脚上电平的高低来确定是否有雨滴下落，若有雨滴下落关闭百叶窗，防止雨水打进屋内，若雨水停止后，再自动重新开启百叶窗。

2.4  显示电路设计

为了实现人机友好的思想，方便用户根据不同情况调节百叶窗。采用了LCD1602液晶显示屏，在首页上可以显示出装置所处的模式，时钟以及光照强度。模式显示可以方便用户查看当前所处模式状态，防止模式的混乱。时钟显示可以方便用户即时查看时间，依据时间来设定百叶窗的开启;光照强度显示方便用户了解当前光照强度，方便用户根据光照强度设定百叶窗的开启。在设置页面上有时间设置和光照阈值设置选项。时间设置选项可以方便用户调节时间，类似钟表的时间设置。光照阈值设置选项能够让用户根据自己的喜好，设定百叶窗自动关闭的阈值。

2.5  步进电机电路设计

实现百叶窗叶片翻转角度变化的执行器件是步进电机，通过步进电机的正转和反转来实现叶片角度的改变。将步进电机与驱动芯片相连，驱动芯片又与单片机相连，接通电源后，STC89C52根据写入的指令开始执行，设置好什么情况下电机正转，电机就会正转;什么情况下电机反转就会反转。步进电机连接到单片机，通过给特定的I/O口拉低电平来实现步进电机的转动。

2.6  无线模块设计

本项目中采用的是HLK-M35无线模块，是海凌科电子新推出的低成本嵌入式UART-WIFI（串口-无线网）模块。本产品是基于通用串行接口的符合网络标准的嵌入式模块，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口-无线网（WIFI）之间的转换。通过HLK-M35模块，传统的串口设备在不需要更改任何配置的情况下，即可通过Internet 网络传输自己的数据[9-10]。

2.7  人體感应模块电路设计

利用被动式热释电型红外传感器检测人体辐射的红外线，当检测到红外信号变化时，将其转化为微弱的电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送至单片机，单片机判断是否报警，如果满足报警条件，就会发出控制信号，控制GSM短信模块给用户发短信息，实现防盗报警[11-13]。

2.8  GSM模块电路设计

SIM900A模块主要通过数据信号线TXD和

RXD串口与单片机进行连接，从而单片机实现对SIM900A模块的控制。RXD数据接收信号线用于接收来自单片机的数据，TXD数据发送信号线用于向单片机发送数据[14-15]。如图4所示GSM防盗报警装置原理图。

3  智能型光伏百叶窗实物平台搭建

3.1  电机及传动机构设计

本系统主要由电池板支架，转动轴，底座，步进电机和传动条构成，如图5所示。机械装置由步进电机进行驱动，可以使百叶窗叶片在垂直方向进

行90°的转动。控制部分主要由STC89C52单片机系统构成。系统机械结构大致为在其中一块叶片的末端安装步进电机，然后通过传动条将动力传送给其他的叶片，进而所有的百叶窗叶片都能够同时进行转动。同时，光敏电阻被分别固定在叶片的上下两侧来检测光线强弱。

3.2  支撑结构及遮阳板（叶片）设计

遮阳系统安装于室外，按水平方向布置，水平形式能够有效地遮挡太阳高度角较小、从窗侧向斜射下来的直射阳光。系统支撑结构在其中一块光伏叶片的末端安装步进电机，然后通过传动条将动力传送给其他的光伏叶片，进而所有的光伏百叶窗叶片都能够同时进行转动。

3.3  光电转换电路工作原理

光电互补电路工作原理是由光电互补装置接收太阳光，将光信号转换成电信号，根据所采集到的信号，由单片机分析得最终控制的步进电动旋转与转向来达到光伏板，使其始终是垂直于入射光线，从而达到利用光伏板的最高效率。光照强度检测电路当光线远离光伏板时上边光敏电阻，则会给单片机信号使其控制驱动芯片驱动水平步进电机正转使光伏板跟随光线上转。光照检测下边光敏电阻，远

离光伏板时则实时传输给单片机信号使其控制驱动芯片驱动水平步进电机反转使电池板跟随光线下转。

4  系统软件设计

4.1  主程序设计

主程序设计流程图如图6所示。

4.2  时钟模块子程序

此设计就是在用户设定好的时间后可以使单片机接到一个中断信号，进而发出对照的指令就可以控制百叶窗的开启或者关闭。其流程图如图7所示：

4.3  光伏模块子程序

光伏模块子程序其流程图如图8所示：

5  操作方法

日常生活中使用智能型光伏百叶窗的流程图如图9所示。

（1）早上起床后用户先按下“电源”按钮接通百叶窗电源，然后通过按下“模式切换”按钮切换成手动模式，手动控制百叶窗的开闭，进行适当的室内通风。

（2）外出前用户可以再次按下“模式切换”按钮，调节成自动模式，让百叶窗根据光照强度自动追踪太阳光，达到最大的发光效率。如果在外出期间下雨，智能百叶窗能够自动检测雨水，将百叶窗关闭。在此期间，防盗报警模块将开启，自动监测是否有人闯入。

（3）下班后可以再次按下“模式切换”按钮调节回手动模式，根据用户的需求再进行适量的通风。

这时，防盗报警模块也将关闭，防止因户主的活动而产生误判。

（4）晚上睡觉前可以先调整好需要的叶片角度，然后按下“电源”按钮关闭百叶窗，使百叶窗固定在特定的角度，以保证室内适量的通风，并遮挡室外的城市光污染。

6  仿真与调试

本设计部分仿真效果如图10所示，共实现四个功能：手动控制，光敏控制，雨滴控制和定时控制

四种。用S1键表示雨滴传感器，当按下S1键是表示雨滴传感器上有水，这时百叶窗就会自动关闭，当传感器上雨滴已干，这时百叶窗就会自动打开。S2键是自动手动模式的切换键，手动模式时，S4键表示反转，S5键表示正转。按S1键切换到自动模式时，光敏控制，当光线大于或小于某设定值时，百叶窗就会自动关闭;最后一个是定时模式，按设置好自动开关的时间，当到了所设置好的时间，百叶窗就会自动开关。

7  结语

智能型光伏百叶窗防盗报警装置的设计利用光伏技术和智能控制技术的结合，利用机械装置不断改变光伏板的角度，使太阳光不论时间如何变化，光伏板都能够保持正向面对太阳，从而提高对太阳能的利用率，同时光伏板发出的电能可以并入国家电网，这样能够享受国家的新能源优惠政策，而且不用几年就可以收回购买装置的成本。本装置还可以与防盗设备进行组合联动，通过加入无线模块，通过手机端的APP进行远程操控，这样用户只需要动动手指就可以实现模式的切换以及百叶窗角度的调整，因此应用前景很广。

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