一种智能开关窗系统的设计与研究

何仁宇 邵逸帆 石慧君

（江苏大学，江苏 镇江 212013）

1 概述

近年来，人们的生活水平飞速提高，物联网技术蓬勃发展，智能家居概念渐渐走入人们的视野之中，进入市场。人们对门窗的开关要求越来越高，相对于传统门窗，人们越来越倾向于智能开关门窗[1]。智能开关窗系统可通过对环境信息的检测，及时自动调整窗户开或者关，以避免不必要的损失。目前市场上智能门窗选择较少、价格偏高，同时更换窗户也将造成一部分资源浪费，智能开关窗系统就成为了一个合适的过渡选择。现有智能开关窗系统设计多为对外推式窗户，无法满足平推式窗户的家庭需求，因此本文设计一种能够直接安装在原平行推拉式窗上的智能开关窗系统，安装使用方便、成本低廉，满足了人们对智能化的需求。

2 系统总体设计与功能

本文设计的智能开关窗系统包括窗户开关器和测控系统。窗户开关器基于平推式窗户结构，将步进电机固定安装在窗台或者窗内墙上，将步进电机与丝杆相连，带动丝杆转动；再在丝杆上装一螺母滑台，沿窗户导轨槽移动；最后通过一固定器将螺母滑台与窗户相连接，实现系统对窗户的开关控制[2]。窗户开关器安装完成后，需手动开关窗，依据开关的状态设置窗户的开状态与关状态极限位置，并分别安装限位开关，以供系统识别记录限位状态，当超出限位范围之后系统将不再向超出方向运动，以免造成窗体损伤。

测控系统如图1 所示，包括单片机主控制器，环境传感器及限位开关检测模块、步进电机驱动控制模块、手动按键及其输入接口、报警模块及其输出接口、WIFI 无线设计模块及接口等。系统运行时，将自动检测室外风速、雨量、光照度、温度、湿度和PM2.5 数据，室内温度、湿度、有害气体浓度数据，以及窗户开关状态数据，并将数据通过WIFI 无线发送至移动终端显示。系统将自动根据室内外环境信息，判断当前窗户状态是否合适，当超出指定的预警范围之时，通过报警器或者移动终端自动发出开关窗预警提示；当超出指定的开关窗范围之时，系统将直接通过控制步进电机，实现窗户的自动开或者关。自动运行过程中遇到障碍物，系统将会自动停止，等待障碍物清除后再继续运行。同时，用户也可通过移动终端或按键手动控制进行窗户的开或者关。

图1 测控系统组成结构图

3 测控系统硬件设计

3.1 主控制器设计

本系统选用ATmega2560 单片机芯片作为主控制器。该芯片具有54 路数字输入/ 输出端口，16 路模拟输入端口，4 路UART 串口，运行速度可达16MHz，能够达到本设计的要求，同时成本较低，因此选用该芯片。

3.2 步进电机驱动模块

本系统选用28BYG 两相四线步进电机，静力矩可达6N.cm，能够承载大部分窗户进行运动。同时选用DM430 作为步进电机驱动器，该驱动器具有200-51200 的大细分，可满足不同速度需求，同时具有过压、欠压、过流等保护功能，能够满足本系统要求。

3.3 报警模块

使用蜂鸣器作为报警装置，与单片机IO 口相连，当系统检测到危险信息时，单片机将IO 口电位拉低，蜂鸣器震荡，发出警报。

3.4 传感模块

本系统使用的传感器主要有检测环境信息的风速传感器、光照度传感器、雨滴传感器、温湿度传感器、烟雾传感器、粉尘传感器、防止碰撞的激光传感器和限位开关等。选用的各传感器的型号、参数、特点如表1 所示。

表1 传感器参数表

将温湿度传感器、烟雾传感器安装于室内，检测室内温湿度、有害气体浓度信息；将风速传感器、温湿度传感器、粉尘传感器、雨滴传感器安装于室外，检测室外风速、温湿度、PM2.5 浓度、是否下雨等；将激光传感器和限位开关安装于滑台前，检测系统运动过程中是否遇到障碍物，以及开关窗状态等。下图为各传感器与主控制接口电路图，其中激光传感器作为检测障碍物的传感器需要更快的反应速度，同时检测到障碍物时需停止系统运行，需要与中断口相连（图2）。

图2 各传感器与主控制器接口电路图

3.5 通讯模块

通讯模块使用ESP8266WiFi 模块实现单片机与移到终端之间的无线通讯。ESP8266 芯片无线传输速率最高可达54Mbps，频率范围2.41GHz～2.484GHz。同时有WIFI STA+WIFI AP 工作模式，用户可通过互联网控制无缝切换，操作方便。

3.6 按键及接口电路

本系统设计通过按键手动控制窗的开启与关闭，在使用时停止其他动作，优先进行手动控制，需要与中断口相连，同时分别加装红色与绿色发光二极管作为指示灯，当按下开窗键时，红色发光二极管导通，亮红光；当按下关窗键时，绿色发光二极管导通，亮绿光。

图3 按键与主控制器接口电路图

4 测控系统软件设计

本系统软件设计选用Arduino 作为软件开发平台，设计主程序及多个功能子程序，用于控制步进电机、采集各传感器参数、计算处理数据、判断发出警报、遇到限位开关停止子程序等。同时设计遇到障碍物停止中断子程序和手动控制中断子程序。主程序主要进行环境信息的检测及集成处理，并将结果发送至移动终端，同时进行智能处理。当室内温湿度传感器检测湿度过高时，自动驱动窗户进行关闭；当室外雨滴传感器检测有雨时，自动驱动窗户进行关闭；当室外光照强度传感器检测光强过高或过低时，自动向移动终端发送信息；当室外风速传感器检测风速过高时，自动驱动窗户进行关闭；当室外粉尘传感器检测粉尘浓度（主要检测PM2.5 浓度）浓度过高时，自动驱动窗户进行关闭；当室内有害气体传感器检测有害气体浓度过高时，自动驱动窗户进行开启，同时震荡蜂鸣器，发出警报，并发送危险提示至远程终端。当限位开关被触发，表示到达开窗或关窗极限位置，则关闭电机驱动。图4 为主程序流程图。

图4 主控程序流程图

同时，系统设计遇到障碍物停止中断子程序和手动控制中断子程序，分别通过激光传感器与按键作为中断程序入口。当激光传感器检测到障碍物时进入遇到障碍物停止中断子程序；当检测到开窗或关窗按键按下时，进入手动控制中断子程序。遇到障碍物停止子程序中断优先级高于手动控制。若运行手动控制子程序时遇到障碍物，则退出手动控制子程序，进入遇到障碍物停止子程序。以下为遇到障碍物停止中断子程序流程图及手动控制中断子程序（以开窗为例）(图5、6)。

图5 遇障停止子程序流程图

图6 手动控制开窗子程序流程图

结束语

本文设计了一种包括窗户开关器和测控系统的智能开关窗系统。窗户开关器可直接安装于传统平推窗之上。测控系统通过程序运行，实现针对不同环境状态自动开关窗户的智能化功能。所设计的智能开关窗系统能够在不改变传统窗的结构情况下完成智能化功能，安装便捷，功能实用，非常适合作为传统家居到智能家居的过渡产品。