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1、 智能窗户设计报告组别：普招电子二组指导老师：朱国贞摘要： 随着电子技术的发展和人民生活水平的提高，自动控制系统已经越来越多的被用到现代智能化建筑中，与此同时，人们对家居生活的要求也越来越高，“安全、方便、人性化”的家居产品日益成为人们的青睐对象。根据预计，在未来的几年时间里，安装智能窗户的用户将不断增加。 根据人们的需求，设计了一款具可为住户提供安全、方便、舒适的环境的智能窗户，该装置可不间断检测室外的天气情况，通过识别室外的天气情况，控制窗户开合，可以防止雨水对室内物品的损害；当有强风时，窗户可自动关闭，防止沙尘等对室内物品及环境的损害；还可以检测光强度，可根据光强度指数自动关窗；最后，还
2、可以实现远程控制窗户开合，让用户得到尽可能的舒适的体验。该装置功能的实现是以STM32芯片为主控，加之各个传感器监测天气状况，并以LCD液晶屏显示相应性能指标，并且采用GSM模块进行远程控制。关键词：实时控制、自动控制、风雨传感器、粉尘传感器、光强度传感器、单片机目 录一 绪论1.1选题的背景41.2选题的意义5二系统方案2.1系统框图62.2各模块功能概述6三详细设计方案3.1具体性能指标73.2各模块原理及电路图3.2.1系统供电部分73.2.2 系统主控模块83.2.3 GSM通讯模块83.2.4 外部环境监测模块93.2.5 LCD液晶显示设置模块113.2.6 电机传动装置113.3
3、软件部分3.3.1程序流程图12一绪论1.1选题的背景从1984年美国建造了世界上第一幢智能化建筑“都市办公大楼”（CityPlaceBuilding），拉开美国智能家居发展的大幕，到1994年深圳出现几家专门从事美国X-10智能家居代理销售的公司，预示着中国智能家居发展进入萌芽期，中国智能家居起步发展与世界相差十年左右的时间，与其他行业相比似乎不存在太大的劣势。事实上，我国智能家居产业虽走过了二十年左右历史，但目前仍只有少数像物联传感一样的智能家居大品牌企业。而西方国家作为现代科技的发源地已逐渐产生了一系列享誉世界的知名智能家居品牌，在国内智能家居市场上，国外品牌反而占据了其中大部分的市场。
4、一方面，智能家居行业涉及的核心技术几乎都源自西方国家，并且当前几乎所有的技术革新都由他们领导，国内的技术水平仍旧处于追随的状况，只少数公司拥有智能家居的产品专利，大多数只是对国外技术的“小修小补”，短时间难以做到青出于蓝而胜于蓝。同时，由于在智能家居资金、技术等方面的投入上远远不够，品牌产品的质量也难以保证，走入市场之后自然会遇到各种各样的不适应症状。另一方面，不难发现智能家居技术和产业标准仍然掌握在国外企业手里，如事关智能家居技术发展的组织KNX协会、Zigbee联盟、Z-wave联盟、HomePlug联盟等，核心成员多是国外大公司，行业标准和协议多由他们参与制定，国内智能家居企业扮演的多是
5、“参与者”的角色，难有国际话语权，而能够给智能家居产业的实际发展空间也大在受限，与国外的差距“沟壑”客观存在并短时期内难以跨越。 如今，我国经济快速发展使得人们物质生活水平不断提高，人们对住宅的要求越来越高，表现在不仅希望拥有舒适、温馨的住所，而且对其安全性、智能性等发面也提出了更高的要求。正是因为如此，国内智能家居如智能手机一般逐渐得到大众的认可和热捧市场需求量呈几何数级增长。进入2014年面对智能家居市场的巨大需求和发展潜力各大互联网公司和家电巨头为取得一席之地纷纷发力陆续加入到智能家居“蛋糕”的争夺战中来一时间国内智能家居市场硝烟四起火爆异常热度丝毫不减“高光时刻”的房地产。然而这种快速
6、的发展、激增的需求带来许多产业发展的问题。1）地域发展不平衡近年来国内智能家居的市场需求在迅速扩大活跃的市场需求带动了大量智能家居厂商的应运而生但这些生产厂商主要集中在北京、上海、广州、深圳和南京等经济发达地区而新加入智能家居“大战”的互联网公司和家电巨头也主要分布在沿海城市并将中东部的消费者作为主要的瞄准对象经济相对落后的中西部地区则尚处于初级阶段智能家居发展水平相对较低甚至一些城市仍存在智能家居市场空白。2）产品质量参差不齐由于市场规范不够完善很多所谓的智能产品良莠不齐不乏一些假借“智能”之名鱼龙混珠而非真正的智能家居产品。此外一些智能家居商过度强调智能家居产品的高档、奢华突出产品的消费性
7、而忽视智能家居的核心功用大大弱化了产品的智能作用。3）无线技术标准不统一业内商家各自为“政”标准化是智能家居发展的基础统一的标准是智能家居普及的重要推动力。但是关于智能家居的标准至今仍没有统一规范国际上也只是在局部领域有些规范而在对智能家居发展有巨大推动作用的无线网络接入技术协议上一直存在Z-WAVE和ZIGBEE之争。在国内用于智能家居无线接入方式多是延用国际上的标准仍然是多种方式并存如蓝牙、WIFI、Z-WAVE、X-10、ZIGBEE和SMARTROOM等。其中ZIGBEE技术因近距离、低复杂度、低功耗、低速率和低成本的优势是国内外最多采用的技术而SMARTROOM则是物联传感在ZIGB
8、EE技术基础研发的升级版本也是国际最为选进的智能家居无线接入技术之一。但是由于没有一套权威的技术规范行业之间、用户之间有较强的独立性国内不同商家之间仍然各自为“政”采用不同的无线技术标准从而造成多种产品和设备难以兼容各类应用无法有效管理服务质量也大打折扣其次，价格也高得让望而却步，不利于给广大用户带来良好的智能家居体验严重制约了智能家居的快速推广和规模化发展。由于这种种因素，人们迫切需要一种智能的家庭自动关窗系统：一 能可靠的进行日常的开关工作，在大风或下雨或空气中粉尘多时实现自动关窗，以便出门在外的人能安心工作，不用忘关窗而担心室内物品等受损。二 实用性好，性价比高，而不是看着智能窗如同看着
9、天上的月亮，可望而不可即，靠近大众消费水平。1.2选题的意义在我国经济的快速发展中，人民生活水平也随之日益提高，人们对健康、舒适、方便的家居生活的追求也越来越高涨，因为在这个快节奏的现代化生活中，人们常常忙于工作而忘记开关窗，不利于室内通风换气，也常常因为不清楚窗户是否关闭，如遇刮风下雨便担心不已。现在的智能窗户，虽然品种各色各样，但主要应用于高档建筑和公共建筑中，而且价格不菲，普通大众还无法体验到智能窗户带来的舒适与便利。基于以上原因，本课题提出一种智能的实用的价格适中的窗户开关装置，让跟多的人体验到智能窗户带来的舒适与便利。二 系统总体方案设计 2.1系统框图本系统主要由五大部分组成，分别
10、是单片机核心控制模块，外部环境监测模块，GSM通讯控制模块，LCD液晶显示设置模块，电机传动装置模块。其中，由外部环境监测模块中的各个传感器检测采集如雨水，风力，粉尘，光强度等所需信号，传送到单片机进行判断处理，对电机传动装置做出相应开窗关窗操作，而且LCD液晶显示出各种环境状态以便于人机交互，当然，LCD液晶兼有触屏设置部分，可以设置用户所需模式；此外，GSM通讯模块可以接收由用户手机短信发送的开关窗指令，传到单片机判断处理进行相关操作，并且，当窗户处于非正常状态无法闭合时，GSM模块将发出报警短信给用户，以便用户处理。系统架构示意图：2.2各模块功能外部环境检测模块，实现对室外天气状况的检
11、测，如是否下雨、风力大小、是否有大量粉尘等颗粒物、光强度大小等，并将检测数据送往主控模块，进行数据的处理和应对动作。LCD液晶屏显示设置模块，用于显示相应数据，且供用户进行相关设置，如选择自动模式还是手动模式、设置风力大于三级时自动关窗等。电机传动模块，根据主控模块命令，控制窗户的开合。GSM通讯模块，实现远程控制。GSM将窗户开合状态及室外天气情况告知用户，以便用户根据实际情况发送开关窗命令至主控模块。如若发生异常情况，如室外下大雨而窗户无法关闭，GSM将发送报警信号给用户，以便能在最短时间内解决问题。 主控模块，由STM32作为主控芯片，对外部环境监测模块监测到得数据进行处理，将数据处理结
12、果送至液晶显示模块，并作出相应动作，如发送关窗命令至电动传动模块。三详细设计方案3.1具体性能指标 性能指标：下雨即可关窗；风力分为15级，可按需设定，达到设定风力时，关窗；空气PM2.5值分为三档：小于50ug/m3、50150ug/m3、大于150ug/m3，可设置，但PM2.5大于100ug/m3时自动关窗；光亮度低于10LUX时，可关窗。确定依据：下雨可能会使室内受潮，因此下雨即可关窗；风力为1-3级时，较舒适，可根据需要设置，4级往上时风较强，宜关窗；PM2.5小于50ug/m3时空气良好，50150ug/m3时为轻中度污染，大于150ug/m3为中重度污染，此时无论风速多小都可关窗
13、，以保证室内空气质量较好；天阴时室外光强度约为100LUX,黄昏时光强度约为10LUX，故光强度小于10LUX时，说明此时天暗了，可关窗。3.2各模块原理及电路图3.2.1 系统供电部分系统采用12V/2A的开关电源进行全局供电，通过AMS1117稳压芯片降压满足主控芯片及各级外设供电要求，此外，还通过开关电源芯片MP2303降压提供4V/2A的功率为GSM模块供电。以下为供电部分电路图：3.2.2 系统主控模块系统主控模块采用STM32F103RBT6芯片为主控芯片。STM32是基于ARM Coretex-M3内核的32位处理器，具有杰出的功耗控制以及众多的外设，价格低廉，性价比高。其中，我
14、们选用的64脚LQFP封装的STM32F103RBT6芯片外设包含有128K FLASH、20K SRAM、USB、CAN、12位ADC、SPI、IIC、TIMER、USART、RTC、DMA等，其内部时钟可倍频至72M运行。无论是资源还是速度，都能满足系统的要求。以下是STM32最小系统原理图：3.2.3 GSM通讯模块对于GSM通讯模块，我们采用的是SIMCOM公司所推出的工业级GSM/GPRS模块：SIM900A，其工作频段双频：900/1800MHz，可以低功耗实现语音，SMS(短信，不支持彩信)，数据和传真信息的传输。在我们的系统方案里，只用到了GSM模块的短信功能，并通过STM32
15、串口协议与GSM模块进行通信，从而进行相应操作。以下是GSM通讯模块原理图：3.2.4 外部环境监测模块1 )风速传感器风速传感器是使用三个呈120度对称排列的直径6CM的半球做为旋转杯，三杯式旋叶在物理原理的作用下，使得其在任意方向来风时，均能有效形成风压差，从而产生力矩旋转，旋叶组件通过专用连接轴与小型直流发电机相连，当叶片旋转时，电机根据旋转的速度不同，产生电压信号输出。STM32主控系统通过自带的12位AD采样风速传感器的电压输出信号进行风速辨别，实现对窗户开关控制。2 )粉尘传感器粉尘传感器采用的是夏普GP2Y1010AU0F灰尘传感器，其原理如下图，传感器中心有个洞可以让空气自由流
16、过，定向发射LED光，通过检测经过空气中灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量，并转换为电压模拟信号输出。依据输出电压大小和灰尘含量的曲线图(如下图)，通过STM32自带12位AD采样处理，即可得出环境质量状况。原理示意图:输出电压大小和灰尘含量的曲线图: 3 ) 雨水传感器雨水传感器是由FR-04双面材料制成的雨水感应板，当感应板上有水滴，AO模拟输出，通过STM32自带的12位AD采样其模拟输出电压，检测出雨量大小，实现对窗户开关控制。4 )光强度传感器光强度传感器采用的是16bit数字串行输出型的环境光亮度传感器芯片BH1750FVI，其光照范围为0-65535 lux，不区分环境光源，可对
17、广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定，并且是直接数字输出，通过IIC通信协议与STM32进行数据传输。由此，我们就可以检测出环境光强度，进行开关窗操作。另外，说明一下各种环境照度值，单位lux，黑夜：0.0010.02lux；月夜：0.020.3lux；阴天室内：550lux；阴天室外：50500lux；晴天室内：5001000lux；夏季中午太阳光下的照度：约为10*6次方。以下为个传感器与STM32主控接口原理图:3.2.5 LCD液晶显示设置模块LCD液晶显示设置模块主要由2.8寸TFTLCD屏，触屏芯片XPT2046，Flash芯片W25Q16 构成。其中2.8寸TFT屏具有26万色，分
18、辨率为320X240，采用16位的80并口，用于显示外部环境状态；触屏芯XPT2046用于触屏设置用户模式；Flash芯片W25Q16则用于存储字库，便于LCD屏显示出友好界面。以下是LCD液晶显示设置模块原理图:3.2.6 电机传动装置电机传动装置主要采用的是2相6线步进电机丝杆组成，其中步进电机采用L298N芯片驱动。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，包含步距角，静转矩，及电流三大要素。其驱动芯片L298N内部包含4通道逻辑驱动电路，是一个二相和四相电机的专用驱动器，可以驱动46V/2A以下的电机。由于驱动步进电机的电压及电流比较大，采用STM32处理器控制时，为了防止损坏STM32处理器，采用了TLP521光耦芯片实现电路隔离。以下为电机驱动原理图： 3.3软件部分3.3.1程序流程图
