智能窗戶控制系統                   來源：my171.cn

開發背景：

　　目前市場上智能家居雖然集成了家居生活有關的設施，但是對于各部分不能做到細致具體的設計，常常忽略了一些必要的功能或者不夠人性化。而窗戶是智能家居的一個重要的組成部分，因此更好地實現窗戶的智能控制和安全防護提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性顯得尤為重要。

　　結構說明：

　　整個智能窗戶控制系統采用1：1窗戶模型作為整體架構，自行設計了機械傳動結構實現窗戶的機械閉合與開啟。機械設計原理主要由步進電機提供動力，通過滑輪組在運動部件和窗架間進行傳動。

　　智能控制系統以IAP15F2K61S2單片機為CPU控制核心，外圍集成了濕度溫度探測模塊、光敏探測模塊、室內火焰探測模塊、夜間防盜模塊、語音控制模塊等模塊來實現所需功能。

　　功能與使用說明：

　　實現的主要功能如下

　　1.可以通過語音控制窗戶及窗簾的開啟和關閉;

　　2.遇下雨天，自動關閉窗戶，防止雨水濺入室內;

　　3.夜晚，自動關閉窗戶;

　　4.室內發生火警時打開窗戶;

　　5.夜間有物體通過窗戶，自動報警;

　　6.溫濕度液晶顯示。

　　作品特色：

　　智能窗戶控制系統為智能家居窗戶部分做出了很好的設計方案，完善了窗戶的各項功能，顯得更人性化更具實用性，這給整個智能家居的設計作出了參考。從智能窗戶這一個體的設計可以具化到門、車庫、燈光、電器等家具用品，為我們的生活帶來方便，從而進一步提高人們的生活質量。同時，智能窗戶控制系統省去了按鍵操作，實現語音完全控制，更具智能化和人性化。

　　平臺選型說明

　　使用大賽指定的IAP15F2K61S2單片機為核心控制CPU

　　設計說明

　　1 總體方案設計

　　1.1 設計要求

　　智能窗戶控制系統分為兩部分設計即電子自動控制部分和機械傳動部分，電子控制部分使用IAP 15F2K61S2單片機為核心CPU，集成多種傳感器實現監測控制;機械傳動部分設計在窗戶與窗簾上安裝步進電機，實現精確控制窗戶和窗簾的開啟

　　和關閉。設計實現如下功能：

　　1.可以通過語音控制窗戶及窗簾的開啟和關閉;

　　2.遇下雨天，自動關閉窗戶，防止雨水濺入室內;

　　3.夜晚，自動關閉窗戶;

　　4.室內發生火警時打開窗戶;

　　5.夜間有物體通過窗戶，自動報警;

　　6.溫濕度液晶顯示。

　　1.2 設計原理以及組成結構

　　智能窗戶控制系統使用機械傳動控制窗戶的開關與窗簾的開合，機械部分由步進電機提供動力，通過設計動滑輪組在運動部件和窗架間進行傳動。電子自動控制系統部分包含濕度溫度探測傳感器模塊、光敏電阻傳感器模塊、火焰探測傳感器模塊、夜間防盜模塊、語音控制模塊。

　　各傳感器將探測到的變化反映到單片機口，由單片機根據信號的變化(即電平的高低)判斷外界環境的變化，然后根據內部設定的程序發出命令，控制機械傳動部分實現相應的動作。

　　系統總體框架如圖1所示。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 探測電路設計

　　2.1.1 溫濕度探測電路

　　使用DHT11數字溫濕度傳感器。該傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件。單片機與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數據格式，一次傳送40位數據，高位先出。

　　數據格式:8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bi溫度整數數據+8bit溫度小數數據+8bit校驗和

　　DHT11傳感器的DATA引腳接單片機的P3.2口，當室外濕度超過70%時，IAP單片機接收到數據判斷濕度超出70%(表示雨天或天氣較為潮濕)，發出命令控制步進電機轉動，實現窗戶的關閉(避免雨水進入室內)。

　　2.1.2 火焰探測電路

　　采用LY-C3火焰傳感器作為探測元件。LY-C3傳感器用于檢測火焰或者波長在760納米~1100納米范圍內的光源。在外部紅外光強達不到閾值時，D0口輸出高電平;光強超過閾值時，D0口輸出低電平。依據此原理設計該模塊監測室內是否著火。

　　LY-C3火焰傳感器的D0端接單片機的P3.5口，一旦出現火災，單片機立即打開窗戶，并發出警報聲提示住戶。

　　2.1.3 光敏電阻電路

　　使用的探測元件是LY-C1光敏傳感器。光敏電阻對周圍環境光強最敏感，一般用來檢測周圍環境光強。輸出狀態靈敏度可調。在周圍光強達不到閾值時，D0口輸出高電平;光強超過閾值時，D0口輸出低電平。依據此原理可以用來監測外界環境亮度，判斷天色，當天黑時，信號端輸出高電平。

　　LY-C3傳感器的D0端接單片機的P3.6口。單片機檢測此IO口的變化自動控制窗戶的開啟與關閉。

　　2.1.4 夜晚防盜電路

　　該部分自行設計了激光防盜電路，探測器由發射頭、接收頭組成。正常情況時，發射頭發射紅外線，接頭接收紅外線，探測器導通不動作。當有人擋住紅外線時，接收頭接收不到由發射頭發射的紅外線，探測器斷開輸出低電平信號。本系統中安裝有兩組紅外探測器，兩個接收頭的輸出端接單片機的P3.3口和P3.4口，可確保對整個窗戶面實現防盜。

　　2.1.5 開關窗限位電路

　　該電路的作用是探測窗戶是否已經完全打開或關閉，其由分別安裝在窗戶和窗框上的兩組金屬片組成。固定不動的限位片分別接IAP單片機的P2.1和P2.0口，滑動的窗框上的限位片接地，金屬片接觸，單片機檢測兩IO口狀態即可判斷現在窗戶所處的位置。

　　2.2 控制及輸出電路設計

　　2.2.1 液晶顯示電路

　　液晶顯示電路采用LCD1602液晶顯示屏。LCD1602是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊，其顯示的內容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符。

　　1602采用標準的16腳接口。在本設計中讀寫信號線RW接單片機的P2.5口，寄存器選擇RS接單片機P2.6口，使能端E接P2.5口。八位雙向數據端D0~D7依次接單片機的P0.0~P0.7口。

　　主要負責顯示室內外溫度和室外的濕度。

　　2.2.2 語音控制電路

　　語音控制電路采用XK-V11語音識別發送模塊作為主體結構。該模塊為非特定人語音識別，輸入拼音即可識別，能識別所有人的語音，不分男女。

　　模塊的TxD端接單片機的P3.0口，RxD端接單片機的P3.1端。采用USB供電。

　　2.2.3 步進電機電路

　　本電路由兩組ULN2003模塊和24YBJ組成。

　　步進電機1(控制窗戶)由AT89C51單片機的P1.0~P1.3控制，步進電機2(控制窗簾)由AT89C51單片機的P1.4~P1.7控制。所有的控制信號由IAP核心CPU發送給51單片機，51單片機在此處作為擴展端口使用。

　　2.2.4 蜂鳴器電路

　　蜂鳴器正極接高電平，負極接單片機P2.2端。

　　3 軟件設計

　　3.1 程序流程圖

　　接通電源后，單片機開始工作。語音模塊啟動，發出啟動告示音。濕溫度傳感器、火焰傳感器、光敏電阻、語音控制模塊將檢測到的信號傳入到單片機中。濕溫度傳感器檢測到室外濕度超過70%時，單片機控制步進電機關窗。當窗戶與窗框完全接觸時，兩個關窗限位片導通，步進電機1停止轉動。當火焰傳感器探測到室內起火時，單片機立刻發出開窗指令，窗戶打開至兩個開窗限位器接觸時，停止電機轉動，在此期間蜂鳴器進行報警。進入夜晚時，在光敏電阻發出的信號后，關閉窗戶。在夜晚條件下，當激光束被阻斷時，蜂鳴器進行報警。當語音模塊收到特定控制詞時，向單片機發出信號。單片機根據信號執行開關窗戶以及窗簾的命令。

　　4 原理圖

　　5 結論

　　智能窗戶控制系統的設計通過硬件和軟件的設計同時考慮多種情況，解決了大部分問題，經過多次調試和修改，成功的將多種傳感器集成進系統中，完好的實現了各項功能設計。該智能窗讓人在不同的環境狀況中或出門在外時不用擔心窗戶的開合情況。讓人在無法手動直接控制時能夠通過語音控制窗戶和窗簾。夜間發生入室行為時窗戶會自動報警，為人們生活提供方便和安全。

　　本系統設計仍然具有較大的提升空間。例如可以在室內安裝有害氣體探測模塊，當室內有害氣體濃度過高時，進行開窗通風，這樣可以為人們的生活提供更多的安全保障。