馬柯研，高紅梅，楊強(qiáng)，王蘇童

（1.西藏大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，西藏拉薩，850000；2.西南交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)與人工智能學(xué)院，四川成都，610031）

0 引言

由于西藏地處高原地區(qū)，海拔高度大，紫外線輻射強(qiáng)度大，日夜溫差大，氣候多變等特點(diǎn)導(dǎo)致室內(nèi)舒適度十分不穩(wěn)定。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)一款智能窗戶能改善室內(nèi)環(huán)境，提高生活質(zhì)量。

目前很多智能窗戶僅限于類似電動(dòng)開關(guān)的控制器設(shè)計(jì)，少量結(jié)合氣候變化自動(dòng)開關(guān)的設(shè)計(jì)，但內(nèi)地的窗戶控制系統(tǒng)并不適合于西藏地區(qū)的自身情況，在西藏地區(qū)的使用體驗(yàn)并不盡如人意，針對西藏氣候的智能窗戶設(shè)計(jì)并也不可見。研究一款根據(jù)西藏高原氣候設(shè)計(jì)的窗戶智能控制系統(tǒng)，為長期居住于西藏的人們營造一種舒適的生活環(huán)境很有必要。

STC89C52單片機(jī)以其簡單的結(jié)構(gòu)和低廉的價(jià)格在智能控制方面取得了廣泛應(yīng)用，在此單片機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)的應(yīng)用研究有：林關(guān)成[1]設(shè)計(jì)了一款pH值測量儀，可以準(zhǔn)確測量氣體PH值。郭強(qiáng)等[2]設(shè)計(jì)了一套智能信號控制系統(tǒng)，可以由上位機(jī)使用達(dá)林頓陣列、繼電器隊(duì)列和LED燈組進(jìn)行控制。韓興國[3]采用溫度傳感器和無線遙控模塊，設(shè)計(jì)了溫度高時(shí)能自動(dòng)換擋的智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)。張哲等[4]采用藍(lán)牙串口模塊、紅外熱分解模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)智能全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)無線設(shè)置洗滌模式和洗滌時(shí)間。喻偉闖等[5]采用紅外避障模塊、超聲波測距模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，將車停在車庫?？子賉6]設(shè)計(jì)了一套家庭智能安防系統(tǒng)。如果發(fā)生火災(zāi)或煤氣泄漏，系統(tǒng)會自動(dòng)提醒您并提供防盜功能。這些研究為本設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)功能和總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

本文以STC89C52單片機(jī)為控制器，通過感應(yīng)外界溫度、濕度、光照、PM2.5、有害氣體、可疑人物等外界條件的變化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)地開窗、關(guān)窗、報(bào)警等操作，同時(shí)還可以通過OneNet平臺對其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。最終實(shí)現(xiàn)使室內(nèi)無論是否有人都可以一直處于一種較為舒適的環(huán)境，達(dá)到改善生活質(zhì)量的目的。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該設(shè)計(jì)為一款可以放置于窗戶外沿處的裝置。它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測光強(qiáng)、溫度、氧氣濃度等并自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)開、關(guān)窗等操作。本窗戶由窗框、玻璃、操作電機(jī)、手動(dòng)操作把手、聯(lián)合控制轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)組成。通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及把手的操作，實(shí)現(xiàn)了對窗戶的自動(dòng)開關(guān)。

圖1 窗戶機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

可以根據(jù)外界光線的強(qiáng)弱來進(jìn)行自動(dòng)開關(guān)窗戶，光線強(qiáng)弱的上下限可以上下調(diào)節(jié)。傳感器測量的數(shù)字值用于與用戶定義的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，并通過程序設(shè)計(jì)了一組用于打開和關(guān)閉窗口的邏輯。例如，如果光強(qiáng)超過設(shè)定的閾值，窗口將自動(dòng)關(guān)閉。紅外傳感器應(yīng)用實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警功能。用戶可以通過獨(dú)立的按鈕和紅外遙控器控制系統(tǒng)，例如手動(dòng)開窗和自定義控制邏輯。

1.3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的核心處理器為C51，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。包括單片機(jī)、信息采集、電源、顯示等功能模塊。液晶實(shí)時(shí)顯示模塊顯示目前的狀態(tài)，包括溫度、濕度、煙霧濃度、光線強(qiáng)度、時(shí)間等信息。信息采集模塊包括光強(qiáng)傳感器、煙霧傳感器、溫度濕度傳感器和紅外傳感器溫度、濕度、煙霧等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、判斷，實(shí)現(xiàn)了窗戶的智能開關(guān)。例如光強(qiáng)傳感器可以通過光線強(qiáng)弱的上下限進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，傳感器測量的數(shù)字值用于與用戶定義的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)了一組用于打開和關(guān)閉窗口的邏輯。如果光強(qiáng)超過設(shè)定的閾值，窗口將自動(dòng)關(guān)閉。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.4 單片機(jī)結(jié)構(gòu)

單片機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中所采用的單片機(jī)型號是STC89C52，內(nèi)有8K字節(jié)的存儲區(qū)域，可以達(dá)到所需的要求。光敏電阻部分用于檢測光強(qiáng)，外界光照會引起光敏電阻的阻值變化，進(jìn)而起到檢測光照強(qiáng)度的作用；MQ2對于空氣中的微小顆粒形成的PM2.5值進(jìn)行檢測；DHT11數(shù)字溫濕度傳感器可以檢測周圍環(huán)境的溫度和濕度；紅外傳感器可以識別人體所發(fā)出的電磁輻射，可以用于防盜。用LCD1602顯示，LCD1602采用5V供電，具有低功耗、長壽面、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 各模塊工作流程及部分電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體工作流程

如圖4所示，系統(tǒng)的各個(gè)傳感器會對外界信息進(jìn)行檢測，并產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，這個(gè)信號會和實(shí)現(xiàn)設(shè)置好的參數(shù)臨界值大小進(jìn)行對比，進(jìn)而判斷出此時(shí)窗戶應(yīng)該處于開啟狀態(tài)還是關(guān)閉狀態(tài)，然后再基于窗狀態(tài)檢測電路檢測的當(dāng)前窗狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)脈沖信號的輸出對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，利用步進(jìn)電機(jī)順向或者是逆向轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)滑輪組進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)窗戶的開啟和關(guān)閉工作。溫濕度傳感器模塊檢測窗戶周邊的溫濕度，通過A/D采樣傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)、顯示器，經(jīng)單片機(jī)處理后，當(dāng)溫度超過30℃時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)開窗，當(dāng)溫度低于10℃時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)窗。人體紅外探測器模塊檢測窗外是否有人。經(jīng)單片機(jī)處理后，當(dāng)有人時(shí)，控制電機(jī)關(guān)窗，蜂鳴器響，否則控制電機(jī)保持原狀。紅外接收模塊采集紅外遙控信號輸出到單片機(jī)，控制電機(jī)正向開窗，反向關(guān)窗。碰撞傳感器模塊檢查窗戶是完全關(guān)閉還是打開。 經(jīng)單片機(jī)處理后，如果窗戶完全關(guān)閉或打開，則控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

設(shè)計(jì)開機(jī)后自動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)初始化階段，完成后進(jìn)入自動(dòng)控制運(yùn)行模式。當(dāng)啟用自動(dòng)控制操作模式時(shí)，系統(tǒng)通過檢測標(biāo)志位，定位窗口，并在窗口打開或檢測到時(shí)從外部傳感器接收監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)來關(guān)閉或打開窗口。手動(dòng)控制的操作系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，其控制優(yōu)先級高于自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制的操作系統(tǒng)。如果自動(dòng)或遙控系統(tǒng)出現(xiàn)異常，在不影響系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，可以使用手動(dòng)控制系統(tǒng)。如果自動(dòng)控制操作系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制操作系統(tǒng)影響系統(tǒng)運(yùn)行，則斷開連接。

2.2 氣體檢測工作流程

自治區(qū)地處高原，空氣稀薄，氧氣含量較低，因此西藏的居民需要及時(shí)地開窗通風(fēng)，我們根據(jù)這一問題研究出氣體檢測功能。如圖5所示，當(dāng)C51單片機(jī)接收到室內(nèi)氣體傳感器傳輸?shù)臍怏w濃度數(shù)值（如二氧化碳、氧氣）大于或小于設(shè)定數(shù)值時(shí)，若窗體為關(guān)閉狀態(tài)，則控制步進(jìn)電機(jī)打開窗體；若窗體為開啟狀態(tài)，則控制步進(jìn)電機(jī)關(guān)閉窗體。1602顯示會同步顯示情況，反映實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖5 氣體檢測工作流程圖

2.3 光照強(qiáng)度檢測

如圖6所示，系統(tǒng)通過光敏電阻來判斷光照強(qiáng)度是否達(dá)到了所設(shè)定的光照閾值，如果光照強(qiáng)度過高，將引起蜂鳴器報(bào)警并向用戶發(fā)送紫外線過高的警報(bào)。在本設(shè)計(jì)中探測元件所選擇的是一種型號為LY-C1的光敏傳感器。通常情況下光敏電阻對于周圍環(huán)境中的光的強(qiáng)弱很敏感，所以經(jīng)常被用于對周圍環(huán)境的光強(qiáng)進(jìn)行檢測。該傳感器能夠調(diào)節(jié)輸出狀態(tài)的靈敏度。如果周圍環(huán)境光強(qiáng)沒有達(dá)到閾值的時(shí)候，那么D0口就會進(jìn)行高電平的輸出；相反如果光強(qiáng)比閾值大的話，那么D0口就會進(jìn)行低電平的輸出。因此通過該光敏傳感器就能夠針對外界環(huán)境亮度進(jìn)行監(jiān)測，對天色進(jìn)行判斷，在天黑的時(shí)候，信號端就會實(shí)現(xiàn)高電平的輸出。在該設(shè)計(jì)中傳感器的D0端口與單片機(jī)的P3.6口進(jìn)行連接。這樣系統(tǒng)的單片機(jī)就能夠?qū)@個(gè)I/O口的變化進(jìn)行檢測，并且發(fā)送信號給單片機(jī)，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而對窗戶的開啟或關(guān)閉進(jìn)行自動(dòng)控制[8]。

圖6 光照檢測流程及電路圖

2.4 溫濕度檢測

如圖7所示，本設(shè)計(jì)選用DHT11溫濕度傳感器對周圍環(huán)境的溫濕度進(jìn)行檢測，該傳感器使用溫濕度傳感技術(shù)以及數(shù)字模塊采集技術(shù)[9]。在傳感器的內(nèi)部，集成了一個(gè)NTC測溫元件以及一個(gè)電阻式感濕元件，同時(shí)和一個(gè)八位單片機(jī)進(jìn)行連接。所以該傳感器具有非常優(yōu)異的效率，較強(qiáng)的抗干擾能力以及極高的性價(jià)比[10]。包括DHT11的所有的產(chǎn)品在出廠之前都通過了專門的濕度校驗(yàn)室完成過精準(zhǔn)的校準(zhǔn)。其中校準(zhǔn)系數(shù)是以一個(gè)程序的形式在OTP內(nèi)存中進(jìn)行儲存，傳感器在處理檢測信號的時(shí)候就會對這些校準(zhǔn)系數(shù)進(jìn)行調(diào)用。該傳感器采取的是一種單線制串行接口，通過該接口的設(shè)置能夠使得系統(tǒng)集成更為方便。該傳感器由于體積較小，傳輸距離較長，目前在很多場合中都得到了運(yùn)用。當(dāng)周圍環(huán)境達(dá)到溫濕度閾值標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將會檢測當(dāng)前窗體的開關(guān)情況，若窗體處于打開狀態(tài)，則控制電機(jī)將窗體關(guān)閉，并將溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在1602顯示屏上[11]。

圖7 溫濕度檢測流程及電路圖

2.5 沙塵與煙霧檢測

西藏地區(qū)氣候干燥，地處高原多有大風(fēng)，人們常常會受到沙塵的困擾，因此本設(shè)計(jì)針對這一現(xiàn)狀增加了沙塵檢測的功能。如圖8，沙塵的檢測原理與煙霧檢測大體相同。其中，當(dāng)沙塵傳感器檢測到外界有沙塵時(shí)，將會立即地將窗體關(guān)閉，并及時(shí)地向用戶發(fā)送警報(bào)[12]。而當(dāng)煙霧傳感器檢測到有煙霧時(shí)，會先檢測煙霧是在室內(nèi)還是室外，若煙霧在室內(nèi)，系統(tǒng)會判斷窗體當(dāng)前的位置狀態(tài)，若窗體處于關(guān)閉狀態(tài)，將會控制電機(jī)將窗體打開；若煙霧在室外，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)，向用戶手機(jī)發(fā)送警報(bào)信息并關(guān)閉窗戶。

圖8 沙塵以及煙霧檢測流程圖

在這個(gè)模塊中選擇的元器件是MQ-2煙霧傳感器，該傳感器是二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料制成的，二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料是一種面離子式N型半導(dǎo)體。若溫度處在200℃～ 300℃之間，二氧化錫就會吸附空氣里面含有的氧氣，產(chǎn)生氧的負(fù)離子吸附，能夠使半導(dǎo)體內(nèi)部的電子密度變低，進(jìn)而提高電阻值[13]。該型號傳感器尤其在面對液化石油氣或者是天然氣等煙霧時(shí)，靈敏度非常高，特別在檢測到烷類煙霧的時(shí)候，將會擁有更高的敏感性。同時(shí)該傳感器的抗干擾性能非常好，能夠?qū)Ψ强扇夹詿熿F所造成的干擾進(jìn)行有效地排除。

2.6 遙控工作控制

如圖9所示，用戶可以用手機(jī)掃描檢測當(dāng)時(shí)單片機(jī)發(fā)送的環(huán)境檢測狀態(tài)和窗戶開/關(guān)狀態(tài)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。 打開和關(guān)閉窗口可以防止用戶打開和關(guān)閉窗口，避免因篡改硬件或軟件而造成不必要的損失。

圖9 遙控工作控制流程圖

2.7 紅外檢測

西藏地區(qū)多為平房，這使得竊賊有了可乘之機(jī)。因此我們針對這一問題設(shè)計(jì)了紅外檢測功能用于防盜。如圖10所示，當(dāng)有物體伸出窗戶一定范圍時(shí)，單片機(jī)會接收到紅外傳感器的信息使蜂鳴器報(bào)警，并通過GSM系統(tǒng)向用戶發(fā)送短信通知。這將有效地減少被盜竊的概率。

圖10 紅外檢測流程圖

在紅外檢測模塊中采用了激光防盜電路的設(shè)計(jì)思路，該設(shè)計(jì)的紅外探測器由發(fā)射頭和接收頭兩個(gè)部分構(gòu)成。當(dāng)處于正常情況下時(shí)，發(fā)射頭會發(fā)射紅外線，并使這個(gè)紅外線會被接頭接收到，此時(shí)探測器就會導(dǎo)通進(jìn)而不發(fā)生動(dòng)作。一旦紅外線被遮擋住，那么接收頭將無法接收紅外線，相應(yīng)的探測器就會斷開，之后進(jìn)行低電平的輸出[14]。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，紅外探測器一共設(shè)置了兩組，其中兩個(gè)接收頭所對應(yīng)的輸出端分別和系統(tǒng)單片機(jī)的P3.3口以及P3.4口。從而能夠保證整個(gè)窗戶面達(dá)到防盜的效果。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)電路

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)，該單片機(jī)如圖11所示，有8k字節(jié)Flash、512字節(jié)RAM以及32位I/O口線，并且該單片機(jī)內(nèi)置看門狗定時(shí)器，4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)的515向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串口。此外，STC89C52可以降低到0Hz靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的省電模式。在空閑模式下，CPU停止工作并允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行端口和中斷繼續(xù)工作[15]。

圖11 單片機(jī)電路原理圖

在掉電保護(hù)模式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器凍結(jié)，所有微控制器操作停止，直到下一次中斷或硬件復(fù)位。最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T可選。在嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

3.2 晶振電路

結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，該設(shè)計(jì)提供單片機(jī)所必備的時(shí)鐘頻率為系統(tǒng)提供最基本的時(shí)鐘信號[16]。該單片機(jī)中的18與19都是它的晶振引腳，其大小為11.0592MHz，如圖12所示。外加兩個(gè)大小為20pF的電容以實(shí)現(xiàn)晶振起振并維持振蕩信號的穩(wěn)定。

圖12 晶振電路原理圖

4 系統(tǒng)硬件測試

4.1 硬件連接性測試

在進(jìn)行硬件測試之前，需要根據(jù)設(shè)計(jì)的電路原理圖以及各個(gè)元器件的規(guī)格說明書和管腳說明材料，按照順序?qū)⒏鱾€(gè)重要模塊通過焊錫焊接的方式連接起來，最后依據(jù)電路原理圖檢查每個(gè)模塊之間的管腳連接是否正確，各管腳是否定義準(zhǔn)確、連接通暢。系統(tǒng)的焊接難點(diǎn)就是各個(gè)傳感器模塊的分布位置，因?yàn)槟K較多，需要按照各個(gè)傳感器之間的關(guān)系合理分配空間。本設(shè)計(jì)的實(shí)物連接圖如圖13所示。

圖13 實(shí)物連接圖

4.2 硬件功能測試

硬件連接性測試完成之后，給整個(gè)系統(tǒng)上電，溫濕度傳感器、光線傳感器、氣體傳感器、紅外傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)傳遞給STC89C52單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之后驅(qū)動(dòng)液晶顯示模塊LCD1602顯示信息。液晶顯示界面如圖14所示。

圖14 液晶顯示界面

當(dāng)溫濕度傳感器檢測到溫度或者濕度達(dá)到閾值，就會傳遞信號給單片機(jī)，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬開關(guān)窗過程。當(dāng)煙霧傳感器檢測到有毒氣體濃度達(dá)到閾值的時(shí)候，同樣執(zhí)行上面的過程。

當(dāng)紅外探測器檢測到有物體移動(dòng)的時(shí)候，同樣會傳遞信號給單片機(jī)，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬關(guān)窗過程，同時(shí)單片機(jī)控制蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，以起到警示作用，同時(shí)可以遙控關(guān)閉警報(bào)。

4.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

該文將整個(gè)系統(tǒng)放置于海拔3500米的室外進(jìn)行高壓測試，持續(xù)運(yùn)行24小時(shí)，測試期間并未出現(xiàn)短路、斷路現(xiàn)象，經(jīng)過測試，整個(gè)系統(tǒng)功能正常，供電穩(wěn)定，程序未出現(xiàn)亂碼現(xiàn)象。由此得出，該系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

經(jīng)過上述硬件測試過程，結(jié)果各個(gè)模塊均正常顯示。

5 結(jié)語

該文針對西藏地區(qū)的特殊環(huán)境設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于STC89C52單片機(jī)的窗戶控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以針對西藏地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)有效地改善居住于西藏地區(qū)人們的生活質(zhì)量。系統(tǒng)研發(fā)過程兼顧了應(yīng)用價(jià)值與實(shí)驗(yàn)需求以檢測設(shè)備便攜化、無線化的市場需求為研究出發(fā)點(diǎn)，注重了功能性與現(xiàn)場適應(yīng)性。