金文慧，王靜

（安徽新華學(xué)院 電子工程學(xué)院，安徽合肥，230000）

0 引言

智能門窗是指具有報(bào)警、防盜、自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗等功能的門窗，由于價(jià)格昂貴，目前多廣泛運(yùn)用于高檔商品房、豪華會(huì)所、高端商場(chǎng)等特殊場(chǎng)合。但隨著安全需求的認(rèn)識(shí)加深，普通家庭也逐漸意識(shí)到其重要性，逐漸有了市場(chǎng)的需求?？墒歉甙旱膬r(jià)格、不夠全面的功能和信息采集的不實(shí)時(shí)處理，都大大限制了智能門窗的發(fā)展和普及。

基于上述原因，本系統(tǒng)是基于價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大的AVR單片機(jī)和通訊可靠的ZigBee 技術(shù)的設(shè)計(jì)，集聲、光、電、通訊及視頻為一體的安全、環(huán)保、可靠、性價(jià)比高的家用設(shè)計(jì)，是智能家居的理想選擇。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在當(dāng)今快節(jié)奏的生活中，工作壓力的不斷增大，使得人們常常會(huì)因?yàn)椴磺宄约菏欠窦皶r(shí)打開(kāi)或關(guān)閉窗戶而擔(dān)心不已；樓層的不斷增高，使得飽受風(fēng)雨的窗戶外層即便骯臟模糊，也不能人工擦拭；頑皮的幼兒無(wú)意識(shí)的靠近，甚至攀爬上窗戶，大人未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而終生痛苦；陌生人長(zhǎng)時(shí)間逗留于門前或窗邊，未能獲得任何提醒而帶來(lái)的財(cái)物丟失、甚至人身安全的威脅；危險(xiǎn)氣體的泄露，因?yàn)殚T窗緊閉而不能及時(shí)排放；窗簾的開(kāi)關(guān)需要人力操作……

我們需要使用簡(jiǎn)單可靠的系統(tǒng)，通過(guò)高智能的精準(zhǔn)控制和協(xié)同，解決上述的種種不方便及可能的安全隱患，讓我們的生活變得更簡(jiǎn)單、更舒適、更節(jié)約、更生態(tài)。智能門窗不僅將成為不可替代的家庭必須品，更將成為智能家居、家庭云系統(tǒng)中重要的一員。因此，智能家居作為一個(gè)藍(lán)海項(xiàng)目，前景不可估量。而作為智能家居系統(tǒng)的子系統(tǒng)——智能門控/窗控系統(tǒng)，同樣具有非常重要的社會(huì)意義和實(shí)用價(jià)值。

智能門窗是指具有報(bào)警、防盜、自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗等功能的門窗，由于價(jià)格昂貴，目前多廣泛運(yùn)用于高檔商品房、豪華會(huì)所、高端商場(chǎng)等特殊場(chǎng)合。但隨著安全需求的認(rèn)識(shí)加深，普通家庭也逐漸意識(shí)到其重要性，逐漸有了市場(chǎng)的需求?？墒歉甙旱膬r(jià)格、不夠全面的功能和信息采集的不實(shí)時(shí)處理，都大大限制了智能門窗的發(fā)展和普及。

基于上述原因，本系統(tǒng)是基于價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大的AVR單片機(jī)和通訊可靠的ZigBee 技術(shù)的設(shè)計(jì)，集聲、光、電、通訊及視頻為一體的安全、環(huán)保、可靠、性價(jià)比高的家用設(shè)計(jì)，是智能家居的理想選擇。本智能門窗控制系統(tǒng)的核心研究?jī)?nèi)容主要有：

（1）智能管理控制

本智能門窗控制系統(tǒng)集合了溫濕度傳感器、PM2.5 傳感器、風(fēng)雨傳感器、氣體傳感器、人體紅外傳感器和攝像頭等各類用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器，再利用ZigBee 技術(shù)將采集到的各類信息及時(shí)傳送到AVR 單片機(jī)上進(jìn)行處理和分析，同時(shí)做出相應(yīng)的指令，通過(guò)無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行不同情形下的處理，如窗戶的自動(dòng)開(kāi)合、洗刷外窗玻璃、升降金屬護(hù)網(wǎng)，并將報(bào)警信息和處理結(jié)果通過(guò)網(wǎng)關(guān)連入Internet 或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，最終展現(xiàn)在用戶的手機(jī)APP 或PC 終端上，方便用戶及時(shí)了解家居環(huán)境的狀況。

因此，該智能門窗是一種集機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)、傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)為一體的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)，通過(guò)自動(dòng)打開(kāi)或者關(guān)閉房子內(nèi)所有窗戶，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，達(dá)到對(duì)室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)和防盜報(bào)警的目的，使家庭與外部在信息交流上保持暢通，人們的生活方式得以優(yōu)化，人們的時(shí)間可以有效安排，家居生活更具安全性。

（2）顯示終端

數(shù)字顯示終端是基于M2M（機(jī)器對(duì)機(jī)器的無(wú)線通信）技術(shù)的智能門窗控制系統(tǒng)唯一最終面向用戶的部分，采用ZigBee技術(shù)、USB OTG 技術(shù)與相關(guān)的無(wú)線設(shè)備組建無(wú)線局域網(wǎng)，完成對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)的查詢、記錄。并由基站將采集到得數(shù)據(jù)匯總封裝后，通過(guò)M2M 網(wǎng)關(guān)連接入Internet或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，并最終傳送到用戶的手機(jī)APP 或PC 終端上，同時(shí)也可通過(guò)手機(jī)或PC 機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作。

2 智能門窗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能門窗控制系統(tǒng)如圖1 所示，由主機(jī)(AVR 微處理器)、溫、濕度等多種傳感器、防盜報(bào)警等各類報(bào)警終端、遙控器和機(jī)電傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。該系統(tǒng)將聲、光、機(jī)、電、通訊等現(xiàn)代技術(shù)集為一體，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能遙控開(kāi)關(guān)窗門、窗簾，智能防風(fēng)（遇刮風(fēng)天氣自動(dòng)關(guān)窗），智能防雨（遇下雨天氣自動(dòng)關(guān)窗），智能防盜（遇非法從窗戶入侵自動(dòng)關(guān)窗）、智能報(bào)警（遇警情時(shí)能迅速通知主人），防小孩墜樓（遇小孩攀爬窗戶自動(dòng)關(guān)窗），智能監(jiān)控燃?xì)庑孤熿F達(dá)到一定濃度或遇燃?xì)庑孤┳詣?dòng)開(kāi)窗），自動(dòng)凈化空氣（檢測(cè)到有毒氣體開(kāi)啟排氣扇或自動(dòng)開(kāi)窗）等多種功能，是一款完美結(jié)合安防、智能控制系統(tǒng)與建材的高科技產(chǎn)品。

圖1 智能門窗控制系統(tǒng)

（1）傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳輸

本系統(tǒng)首先將各類傳感器采集到的溫度、濕度、風(fēng)雨指數(shù)、光照、PM2.5 值、特殊有害氣體，以及人體感應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸至AVR 單片機(jī)，進(jìn)行合理的分析和處理，對(duì)于超出所設(shè)警戒值的數(shù)據(jù)，及時(shí)啟動(dòng)家居環(huán)境中的簡(jiǎn)易聲光報(bào)警系統(tǒng)，并將報(bào)警信息傳送至用戶手機(jī)或PC 終端，同時(shí)給出及時(shí)的應(yīng)急處理。

（2）無(wú)刷電機(jī)的合理設(shè)置

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)檢測(cè)到有風(fēng)雨時(shí)，可通過(guò)無(wú)刷電機(jī)及時(shí)關(guān)閉窗戶，避免風(fēng)雨入戶；當(dāng)檢測(cè)到幼兒或陌生人員靠近打開(kāi)的窗戶時(shí)，可通過(guò)無(wú)刷電機(jī)及時(shí)放下防護(hù)網(wǎng)，保護(hù)幼兒及家產(chǎn)的安全；當(dāng)檢測(cè)到外窗玻璃臟時(shí)，可通過(guò)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)雨刷擦拭玻璃，實(shí)現(xiàn)窗明幾凈的居住環(huán)境；當(dāng)檢測(cè)到家里特殊氣體的濃度超過(guò)了警戒值時(shí)，可通過(guò)無(wú)刷電機(jī)及時(shí)打開(kāi)窗戶，起到通風(fēng)散味的作用。

由此可見(jiàn)，無(wú)刷電機(jī)在本系統(tǒng)處于一個(gè)非常重要的地位，實(shí)現(xiàn)功能多樣復(fù)雜，需要認(rèn)真學(xué)習(xí)和研究，理清各種功能實(shí)現(xiàn)間的關(guān)系，才能避免功能交錯(cuò)、出現(xiàn)實(shí)操上的BUG。

（3）控制網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)是智能門窗的最核心設(shè)備，類似于家用電器的總開(kāi)關(guān)，與普通網(wǎng)關(guān)相比，它還兼容了802.11 和ZigBee 無(wú)線通信功能。這也是本項(xiàng)目的難點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題之一。

（4）安全問(wèn)題

由于本系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)都需要聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)Internet或GPRS 傳送至手機(jī)或PC 終端，因此安全問(wèn)題也是本項(xiàng)目的關(guān)鍵。在這里采用密碼、口令、指紋等綜合安全措施來(lái)保證安全性。

3 智能門窗控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

智能門窗安裝于窗門框架內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)低噪音平穩(wěn)運(yùn)行，具有設(shè)計(jì)巧妙、體積小、隱蔽性強(qiáng)、安裝簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，在各種樣式的塑鋼門窗、鋁合金門窗上都適用，原有的窗戶、窗簾、索拉門結(jié)構(gòu)完全不用改變，即可輕松將普通門窗升級(jí)改造成智能門窗。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括以下幾個(gè)方面。

（1）智能防盜

通過(guò)安裝靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)的微波傳感器。當(dāng)人體信號(hào)被紅外線檢測(cè)到后，會(huì)立即自動(dòng)關(guān)閉窗戶，遇到人為強(qiáng)行入侵，高分貝聲音報(bào)警器可以發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)將警情發(fā)送至主人手機(jī)，也可以發(fā)送到小區(qū)保安處，保安通過(guò)顯示器能準(zhǔn)確定位警情發(fā)生的位置。家庭與商用防盜問(wèn)題可以得以有效解決，小偷將徹底被拒之窗（門）外。

（2）自動(dòng)防風(fēng)防雨

當(dāng)你在外突遇大雨，焦慮因未關(guān)門窗家里被雨水沖洗，擔(dān)心家用電器被雨水浸泡，但又無(wú)能為力，望雨興嘆的時(shí)候，如果安裝了智能門窗，就可以讓你免遭損失。智能門窗外側(cè)安裝了風(fēng)雨感應(yīng)器，當(dāng)雨水打在傳感器上或風(fēng)力達(dá)到3 級(jí)時(shí)，可以立即自行關(guān)閉窗戶，無(wú)論你身在何處，都再也不必?fù)?dān)憂。

（3）監(jiān)控液化氣泄漏

當(dāng)智能系統(tǒng)檢測(cè)到室內(nèi)發(fā)生天然氣、液化氣等可燃?xì)怏w泄漏時(shí)，將打開(kāi)自動(dòng)窗戶，也可以直接啟動(dòng)廚房里的換氣扇，將可燃?xì)怏w排到窗外，同時(shí)通過(guò)蜂鳴報(bào)警信號(hào)提醒主人，可以有效地避免人中毒事件和火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生。

（4）全息智能遙控開(kāi)關(guān)門窗

在室內(nèi)任意位置可以利用遙控器開(kāi)、關(guān)窗門，控制其停留在你想要的位置。也可通過(guò)手機(jī)APP 或PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控。

（5）防小孩墜樓

目前，孩子的安全問(wèn)題時(shí)刻牽動(dòng)著全家人的心弦，也成為家庭關(guān)注的重點(diǎn)。監(jiān)護(hù)人不可能隨時(shí)盯著小孩，有了智能門窗后，孩子如果攀爬窗戶，當(dāng)手剛伸出窗口的時(shí)候，人體信號(hào)就能被傳感器檢測(cè)到，防護(hù)網(wǎng)會(huì)自動(dòng)沿軌槽下拉，孩子就會(huì)被擋在室內(nèi)，墜樓事件也將不會(huì)的發(fā)生。

（6）凈化室內(nèi)空氣

室內(nèi)空氣中常常會(huì)含有大量的丙酮、甲醛、苯、乙胺、庚烷、香煙粒子等，當(dāng)有害物質(zhì)超標(biāo)時(shí)，渾濁氣體信號(hào)就會(huì)被傳感器檢測(cè)到，各個(gè)方位的窗戶都會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，形成通風(fēng)對(duì)流，室內(nèi)有害氣體迅速得以稀釋，環(huán)境也會(huì)變得健康舒適。

（7）凈化外窗玻璃

當(dāng)檢測(cè)到外窗玻璃臟時(shí)，可通過(guò)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)雨刷擦拭玻璃，實(shí)現(xiàn)窗明幾凈的舒適居住環(huán)境。

（8）遠(yuǎn)程管理

智能門窗的主要特點(diǎn)是便捷和舒適，因此上一層次的決策管理至關(guān)重要。智能門窗系統(tǒng)最終可以實(shí)現(xiàn)在手機(jī)軟件APP 上管理家電系統(tǒng)。因此本項(xiàng)目的重點(diǎn)工作之一就是基于Android 系統(tǒng)的手機(jī)APP 開(kāi)發(fā)。通過(guò)該APP 能實(shí)時(shí)查看門窗的開(kāi)合狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制其開(kāi)和關(guān)，同時(shí)具備安防防盜等功能。

（9）Android 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

手機(jī)端的控制程序會(huì)在Android 平臺(tái)上，該APP 的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是Android Studio，開(kāi)發(fā)出來(lái)的軟件能遠(yuǎn)程查看家庭門窗的安全狀況，防盜報(bào)警，遠(yuǎn)程門禁、遠(yuǎn)程控制等功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)基于AVR 單片機(jī)和ZigBee 技術(shù)研制了一款智能門控/窗控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能防盜、自動(dòng)防風(fēng)防雨、監(jiān)控液化氣泄漏、全息智能遙控開(kāi)關(guān)門窗、防小孩墜樓、凈化室內(nèi)空氣、凈化外窗玻璃、遠(yuǎn)程管理及Android 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)等功能，實(shí)現(xiàn)效果良好。