智能窗戶項目設計報告

1、. 智能窗戶設計報告組別：普招電子二組指導老師：朱國貞摘要： 隨著電子技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，自動控制系統(tǒng)已經(jīng)越來越多的被用到現(xiàn)代智能化建筑中，與此同時，人們對家居生活的要求也越來越高，“安全、方便、人性化”的家居產(chǎn)品日益成為人們的青睞對象。根據(jù)預計，在未來的幾年時間里，安裝智能窗戶的用戶將不斷增加。 根據(jù)人們的需求，設計了一款具可為住戶提供安全、方便、舒適的環(huán)境的智能窗戶，該裝置可不間斷檢測室外的天氣情況，通過識別室外的天氣情況，控制窗戶開合，可以防止雨水對室內(nèi)物品的損害；當有強風時，窗戶可自動關(guān)閉，防止沙塵等對室內(nèi)物品及環(huán)境的損害；還可以檢測光強度，可根據(jù)光強度指數(shù)自動關(guān)窗；最后，

2、還可以實現(xiàn)遠程控制窗戶開合，讓用戶得到盡可能的舒適的體驗。該裝置功能的實現(xiàn)是以STM32芯片為主控，加之各個傳感器監(jiān)測天氣狀況，并以LCD液晶屏顯示相應性能指標，并且采用GSM模塊進行遠程控制。關(guān)鍵詞：實時控制、自動控制、風雨傳感器、粉塵傳感器、光強度傳感器、單片機目 錄一 緒論1.1選題的背景41.2選題的意義5二系統(tǒng)方案2.1系統(tǒng)框圖62.2各模塊功能概述6三詳細設計方案3.1具體性能指標73.2各模塊原理及電路圖3.2.1系統(tǒng)供電部分73.2.2 系統(tǒng)主控模塊83.2.3 GSM通訊模塊83.2.4 外部環(huán)境監(jiān)測模塊93.2.5 LCD液晶顯示設置模塊113.2.6 電機傳動裝置113.

3、3軟件部分3.3.1程序流程圖12一緒論1.1選題的背景從1984年美國建造了世界上第一幢智能化建筑“都市辦公大樓”（CityPlaceBuilding），拉開美國智能家居發(fā)展的大幕，到1994年深圳出現(xiàn)幾家專門從事美國X-10智能家居代理銷售的公司，預示著中國智能家居發(fā)展進入萌芽期，中國智能家居起步發(fā)展與世界相差十年左右的時間，與其他行業(yè)相比似乎不存在太大的劣勢。事實上，我國智能家居產(chǎn)業(yè)雖走過了二十年左右歷史，但目前仍只有少數(shù)像物聯(lián)傳感一樣的智能家居大品牌企業(yè)。而西方國家作為現(xiàn)代科技的發(fā)源地已逐漸產(chǎn)生了一系列享譽世界的知名智能家居品牌，在國內(nèi)智能家居市場上，國外品牌反而占據(jù)了其中大部分的市場

4、。一方面，智能家居行業(yè)涉及的核心技術(shù)幾乎都源自西方國家，并且當前幾乎所有的技術(shù)革新都由他們領(lǐng)導，國內(nèi)的技術(shù)水平仍舊處于追隨的狀況，只少數(shù)公司擁有智能家居的產(chǎn)品專利，大多數(shù)只是對國外技術(shù)的“小修小補”，短時間難以做到青出于藍而勝于藍。同時，由于在智能家居資金、技術(shù)等方面的投入上遠遠不夠，品牌產(chǎn)品的質(zhì)量也難以保證，走入市場之后自然會遇到各種各樣的不適應癥狀。另一方面，不難發(fā)現(xiàn)智能家居技術(shù)和產(chǎn)業(yè)標準仍然掌握在國外企業(yè)手里，如事關(guān)智能家居技術(shù)發(fā)展的組織KNX協(xié)會、Zigbee聯(lián)盟、Z-wave聯(lián)盟、HomePlug聯(lián)盟等，核心成員多是國外大公司，行業(yè)標準和協(xié)議多由他們參與制定，國內(nèi)智能家居企業(yè)扮演的多

5、是“參與者”的角色，難有國際話語權(quán)，而能夠給智能家居產(chǎn)業(yè)的實際發(fā)展空間也大在受限，與國外的差距“溝壑”客觀存在并短時期內(nèi)難以跨越。 如今，我國經(jīng)濟快速發(fā)展使得人們物質(zhì)生活水平不斷提高，人們對住宅的要求越來越高，表現(xiàn)在不僅希望擁有舒適、溫馨的住所，而且對其安全性、智能性等發(fā)面也提出了更高的要求。正是因為如此，國內(nèi)智能家居如智能手機一般逐漸得到大眾的認可和熱捧市場需求量呈幾何數(shù)級增長。進入2014年面對智能家居市場的巨大需求和發(fā)展?jié)摿Ω鞔蠡ヂ?lián)網(wǎng)公司和家電巨頭為取得一席之地紛紛發(fā)力陸續(xù)加入到智能家居“蛋糕”的爭奪戰(zhàn)中來一時間國內(nèi)智能家居市場硝煙四起火爆異常熱度絲毫不減“高光時刻”的房地產(chǎn)。然而這種快

6、速的發(fā)展、激增的需求帶來許多產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題。1）地域發(fā)展不平衡近年來國內(nèi)智能家居的市場需求在迅速擴大活躍的市場需求帶動了大量智能家居廠商的應運而生但這些生產(chǎn)廠商主要集中在北京、上海、廣州、深圳和南京等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)而新加入智能家居“大戰(zhàn)”的互聯(lián)網(wǎng)公司和家電巨頭也主要分布在沿海城市并將中東部的消費者作為主要的瞄準對象經(jīng)濟相對落后的中西部地區(qū)則尚處于初級階段智能家居發(fā)展水平相對較低甚至一些城市仍存在智能家居市場空白。2）產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊由于市場規(guī)范不夠完善很多所謂的智能產(chǎn)品良莠不齊不乏一些假借“智能”之名魚龍混珠而非真正的智能家居產(chǎn)品。此外一些智能家居商過度強調(diào)智能家居產(chǎn)品的高檔、奢華突出產(chǎn)品的消費

7、性而忽視智能家居的核心功用大大弱化了產(chǎn)品的智能作用。3）無線技術(shù)標準不統(tǒng)一業(yè)內(nèi)商家各自為“政”標準化是智能家居發(fā)展的基礎統(tǒng)一的標準是智能家居普及的重要推動力。但是關(guān)于智能家居的標準至今仍沒有統(tǒng)一規(guī)范國際上也只是在局部領(lǐng)域有些規(guī)范而在對智能家居發(fā)展有巨大推動作用的無線網(wǎng)絡接入技術(shù)協(xié)議上一直存在Z-WAVE和ZIGBEE之爭。在國內(nèi)用于智能家居無線接入方式多是延用國際上的標準仍然是多種方式并存如藍牙、WIFI、Z-WAVE、X-10、ZIGBEE和SMARTROOM等。其中ZIGBEE技術(shù)因近距離、低復雜度、低功耗、低速率和低成本的優(yōu)勢是國內(nèi)外最多采用的技術(shù)而SMARTROOM則是物聯(lián)傳感在ZIG

8、BEE技術(shù)基礎研發(fā)的升級版本也是國際最為選進的智能家居無線接入技術(shù)之一。但是由于沒有一套權(quán)威的技術(shù)規(guī)范行業(yè)之間、用戶之間有較強的獨立性國內(nèi)不同商家之間仍然各自為“政”采用不同的無線技術(shù)標準從而造成多種產(chǎn)品和設備難以兼容各類應用無法有效管理服務質(zhì)量也大打折扣其次，價格也高得讓望而卻步，不利于給廣大用戶帶來良好的智能家居體驗嚴重制約了智能家居的快速推廣和規(guī)?；l(fā)展。由于這種種因素，人們迫切需要一種智能的家庭自動關(guān)窗系統(tǒng)：一 能可靠的進行日常的開關(guān)工作，在大風或下雨或空氣中粉塵多時實現(xiàn)自動關(guān)窗，以便出門在外的人能安心工作，不用忘關(guān)窗而擔心室內(nèi)物品等受損。二 實用性好，性價比高，而不是看著智能窗如同看

9、著天上的月亮，可望而不可即，靠近大眾消費水平。1.2選題的意義在我國經(jīng)濟的快速發(fā)展中，人民生活水平也隨之日益提高，人們對健康、舒適、方便的家居生活的追求也越來越高漲，因為在這個快節(jié)奏的現(xiàn)代化生活中，人們常常忙于工作而忘記開關(guān)窗，不利于室內(nèi)通風換氣，也常常因為不清楚窗戶是否關(guān)閉，如遇刮風下雨便擔心不已?，F(xiàn)在的智能窗戶，雖然品種各色各樣，但主要應用于高檔建筑和公共建筑中，而且價格不菲，普通大眾還無法體驗到智能窗戶帶來的舒適與便利?；谝陨显?，本課題提出一種智能的實用的價格適中的窗戶開關(guān)裝置，讓跟多的人體驗到智能窗戶帶來的舒適與便利。二 系統(tǒng)總體方案設計 2.1系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)主要由五大部分組成，分

10、別是單片機核心控制模塊，外部環(huán)境監(jiān)測模塊，GSM通訊控制模塊，LCD液晶顯示設置模塊，電機傳動裝置模塊。其中，由外部環(huán)境監(jiān)測模塊中的各個傳感器檢測采集如雨水，風力，粉塵，光強度等所需信號，傳送到單片機進行判斷處理，對電機傳動裝置做出相應開窗關(guān)窗操作，而且LCD液晶顯示出各種環(huán)境狀態(tài)以便于人機交互，當然，LCD液晶兼有觸屏設置部分，可以設置用戶所需模式；此外，GSM通訊模塊可以接收由用戶手機短信發(fā)送的開關(guān)窗指令，傳到單片機判斷處理進行相關(guān)操作，并且，當窗戶處于非正常狀態(tài)無法閉合時，GSM模塊將發(fā)出報警短信給用戶，以便用戶處理。系統(tǒng)架構(gòu)示意圖：2.2各模塊功能外部環(huán)境檢測模塊，實現(xiàn)對室外天氣狀況的

11、檢測，如是否下雨、風力大小、是否有大量粉塵等顆粒物、光強度大小等，并將檢測數(shù)據(jù)送往主控模塊，進行數(shù)據(jù)的處理和應對動作。LCD液晶屏顯示設置模塊，用于顯示相應數(shù)據(jù)，且供用戶進行相關(guān)設置，如選擇自動模式還是手動模式、設置風力大于三級時自動關(guān)窗等。電機傳動模塊，根據(jù)主控模塊命令，控制窗戶的開合。GSM通訊模塊，實現(xiàn)遠程控制。GSM將窗戶開合狀態(tài)及室外天氣情況告知用戶，以便用戶根據(jù)實際情況發(fā)送開關(guān)窗命令至主控模塊。如若發(fā)生異常情況，如室外下大雨而窗戶無法關(guān)閉，GSM將發(fā)送報警信號給用戶，以便能在最短時間內(nèi)解決問題。 主控模塊，由STM32作為主控芯片，對外部環(huán)境監(jiān)測模塊監(jiān)測到得數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)處理

12、結(jié)果送至液晶顯示模塊，并作出相應動作，如發(fā)送關(guān)窗命令至電動傳動模塊。三詳細設計方案3.1具體性能指標 性能指標：下雨即可關(guān)窗；風力分為15級，可按需設定，達到設定風力時，關(guān)窗；空氣PM2.5值分為三檔：小于50ug/m3、50150ug/m3、大于150ug/m3，可設置，但PM2.5大于100ug/m3時自動關(guān)窗；光亮度低于10LUX時，可關(guān)窗。確定依據(jù)：下雨可能會使室內(nèi)受潮，因此下雨即可關(guān)窗；風力為1-3級時，較舒適，可根據(jù)需要設置，4級往上時風較強，宜關(guān)窗；PM2.5小于50ug/m3時空氣良好，50150ug/m3時為輕中度污染，大于150ug/m3為中重度污染，此時無論風速多小都可關(guān)

13、窗，以保證室內(nèi)空氣質(zhì)量較好；天陰時室外光強度約為100LUX,黃昏時光強度約為10LUX，故光強度小于10LUX時，說明此時天暗了，可關(guān)窗。3.2各模塊原理及電路圖3.2.1 系統(tǒng)供電部分系統(tǒng)采用12V/2A的開關(guān)電源進行全局供電，通過AMS1117穩(wěn)壓芯片降壓滿足主控芯片及各級外設供電要求，此外，還通過開關(guān)電源芯片MP2303降壓提供4V/2A的功率為GSM模塊供電。以下為供電部分電路圖：3.2.2 系統(tǒng)主控模塊系統(tǒng)主控模塊采用STM32F103RBT6芯片為主控芯片。STM32是基于ARM Coretex-M3內(nèi)核的32位處理器，具有杰出的功耗控制以及眾多的外設，價格低廉，性價比高。其中，

14、我們選用的64腳LQFP封裝的STM32F103RBT6芯片外設包含有128K FLASH、20K SRAM、USB、CAN、12位ADC、SPI、IIC、TIMER、USART、RTC、DMA等，其內(nèi)部時鐘可倍頻至72M運行。無論是資源還是速度，都能滿足系統(tǒng)的要求。以下是STM32最小系統(tǒng)原理圖：3.2.3 GSM通訊模塊對于GSM通訊模塊，我們采用的是SIMCOM公司所推出的工業(yè)級GSM/GPRS模塊：SIM900A，其工作頻段雙頻：900/1800MHz，可以低功耗實現(xiàn)語音，SMS(短信，不支持彩信)，數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。在我們的系統(tǒng)方案里，只用到了GSM模塊的短信功能，并通過STM3

15、2串口協(xié)議與GSM模塊進行通信，從而進行相應操作。以下是GSM通訊模塊原理圖：3.2.4 外部環(huán)境監(jiān)測模塊1 )風速傳感器風速傳感器是使用三個呈120度對稱排列的直徑6CM的半球做為旋轉(zhuǎn)杯，三杯式旋葉在物理原理的作用下，使得其在任意方向來風時，均能有效形成風壓差，從而產(chǎn)生力矩旋轉(zhuǎn)，旋葉組件通過專用連接軸與小型直流發(fā)電機相連，當葉片旋轉(zhuǎn)時，電機根據(jù)旋轉(zhuǎn)的速度不同，產(chǎn)生電壓信號輸出。STM32主控系統(tǒng)通過自帶的12位AD采樣風速傳感器的電壓輸出信號進行風速辨別，實現(xiàn)對窗戶開關(guān)控制。2 )粉塵傳感器粉塵傳感器采用的是夏普GP2Y1010AU0F灰塵傳感器，其原理如下圖，傳感器中心有個洞可以讓空氣自由

16、流過，定向發(fā)射LED光，通過檢測經(jīng)過空氣中灰塵折射過后的光線來判斷灰塵的含量，并轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號輸出。依據(jù)輸出電壓大小和灰塵含量的曲線圖(如下圖)，通過STM32自帶12位AD采樣處理，即可得出環(huán)境質(zhì)量狀況。原理示意圖:輸出電壓大小和灰塵含量的曲線圖: 3 ) 雨水傳感器雨水傳感器是由FR-04雙面材料制成的雨水感應板，當感應板上有水滴，AO模擬輸出，通過STM32自帶的12位AD采樣其模擬輸出電壓，檢測出雨量大小，實現(xiàn)對窗戶開關(guān)控制。4 )光強度傳感器光強度傳感器采用的是16bit數(shù)字串行輸出型的環(huán)境光亮度傳感器芯片BH1750FVI，其光照范圍為0-65535 lux，不區(qū)分環(huán)境光源，可

17、對廣泛的亮度進行1勒克斯的高精度測定，并且是直接數(shù)字輸出，通過IIC通信協(xié)議與STM32進行數(shù)據(jù)傳輸。由此，我們就可以檢測出環(huán)境光強度，進行開關(guān)窗操作。另外，說明一下各種環(huán)境照度值，單位lux，黑夜：0.0010.02lux；月夜：0.020.3lux；陰天室內(nèi)：550lux；陰天室外：50500lux；晴天室內(nèi)：5001000lux；夏季中午太陽光下的照度：約為10*6次方。以下為個傳感器與STM32主控接口原理圖:3.2.5 LCD液晶顯示設置模塊LCD液晶顯示設置模塊主要由2.8寸TFTLCD屏，觸屏芯片XPT2046，F(xiàn)lash芯片W25Q16 構(gòu)成。其中2.8寸TFT屏具有26萬色，分辨率為320X240，采用16位的80并口，用于顯示外部環(huán)境狀態(tài)；觸屏芯XPT2046用于觸屏設置用戶模式；Flash芯片W25Q16則用于存儲字庫，便于LCD屏顯示出友好界面。以下是LCD液