智能窗戶項目設(shè)計報告

1、.PAGE 1 智能窗戶設(shè)計報告組別：普招電子二組指導(dǎo)教師：朱國貞摘要： 隨著電子技術(shù)的開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，“平安、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(yù)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(shè)計了一款具可為住戶提供平安、方便、舒適的環(huán)境的智能窗戶，該裝置可不連續(xù)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，可以防止雨水對室物品的損害；當(dāng)有強風(fēng)時，窗戶可自動關(guān)閉，防止沙塵等對室物品及環(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；

2、最后，還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)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(yīng)性能指標(biāo)，并且采用GSM模塊進(jìn)展遠(yuǎn)程控制。關(guān)鍵詞：實時控制、自動控制、風(fēng)雨傳感器、粉塵傳感器、光強度傳感器、單片機目 錄緒論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(xì)設(shè)計方案3.1具體性能指標(biāo)73.2各模塊原理及電路圖3.2.1系統(tǒng)供電局部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(shè)置模塊113.2.6 電機傳動裝置113

3、.3軟件局部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，拉開美國智能家居開展的大幕，到1994年出現(xiàn)幾家專門從事美國*-10智能家居代理銷售的公司，預(yù)示著中國智能家居開展進(jìn)入萌芽期，中國智能家居起步開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，在國智能家居市場上，國外品牌反而占據(jù)了其局部的市場。一方面，智能

4、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(dāng)前幾乎所有的技術(shù)革新都由他們領(lǐng)導(dǎo)，國的技術(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(lán)而勝于藍(lán)。同時，由于在智能家居資金、技術(shù)等方面的投入上遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)病癥。另一方面，不難發(fā)現(xiàn)智能家居技術(shù)和產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)仍然掌握在國外企業(yè)手里，如事關(guān)智能家居技術(shù)開展的組織KN*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(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議多由他們參與制定，國智能家居企業(yè)扮演的多是“參與者的角色，難

5、有國際話語權(quán)，而能夠給智能家居產(chǎn)業(yè)的實際開展空間也大在受限，與國外的差距“溝壑客觀存在并短時期難以跨越。 如今，我國經(jīng)濟快速開展使得人們物質(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，而且對其平安性、智能性等發(fā)面也提出了更高的要求。正是因為如此，國智能家居如智能手機一般逐漸得到群眾的認(rèn)可和熱捧市場需求量呈幾何數(shù)級增長。進(jìn)入2021年面對智能家居市場的巨大需求和開展?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)參加到智能家居“蛋糕的爭奪戰(zhàn)中來一時間國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)。然而這種快速的開展、激增的需求帶來許多產(chǎn)業(yè)開

6、展的問題。1地域開展不平衡近年來國智能家居的市場需求在迅速擴大活潑的市場需求帶動了大量智能家居廠商的應(yīng)運而生但這些生產(chǎn)廠商主要集中在、和等經(jīng)濟興旺地區(qū)而新參加智能家居“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(zhǔn)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開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)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)品的消費性而無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(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)

7、一業(yè)商家各自為“政標(biāo)準(zhǔn)化是智能家居開展的根底統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)是智能家居普及的重要推動力。但是關(guān)于智能家居的標(biāo)準(zhǔn)至今仍沒有統(tǒng)一規(guī)國際上也只是在局部領(lǐng)域有些規(guī)而在對智能家居開展有巨大推動作用的無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)協(xié)議上一直存在Z-WAVE和ZIGBEE之爭。在國用于智能家居無線接入方式多是延用國際上的標(biāo)準(zhǔn)仍然是多種方式并存如藍(lán)牙、WIFI、Z-WAVE、*-10、ZIGBEE和SMARTROOM等。其中ZIGBEE技術(shù)因近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率和低本錢的優(yōu)勢是國外最多采用的技術(shù)而SMARTROOM則是物聯(lián)傳感在ZIGBEE技術(shù)根底研發(fā)的升級版本也是國際最為選進(jìn)的智能家居無線接入技術(shù)之一。但是由于沒有

8、一套權(quán)威的技術(shù)規(guī)行業(yè)之間、用戶之間有較強的獨立性國不同商家之間仍然各自為“政采用不同的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)從而造成多種產(chǎn)品和設(shè)備難以兼容各類應(yīng)用無法有效管理效勞質(zhì)量也大打折扣其次，價格也高得讓望而卻步，不利于給廣闊用戶帶來良好的智能家居體驗嚴(yán)重制約了智能家居的快速推廣和規(guī)?；_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(jìn)展日常的開關(guān)工作，在大風(fēng)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(dān)憂室物品等受損。二 實用性好，性價比高，而不是看著智能窗如同看著天上的月亮，可望而不可即，靠近群眾消費水平。1.2選題的意義在我國經(jīng)濟的快速開展中，人民生

9、活水平也隨之日益提高，人們對安康、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，不利于室通風(fēng)換氣，也常常因為不清楚窗戶是否關(guān)閉，如遇刮風(fēng)下雨便擔(dān)憂不已?，F(xiàn)在的智能窗戶，雖然品種各色各樣，但主要應(yīng)用于高檔建筑和公共建筑中，而且價格不菲，普通群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。系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)主要由五大局部組成，分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(shè)置模塊，電機傳動裝置模

10、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(fēng)力，粉塵，光強度等所需信號，傳送到單片機進(jìn)展判斷處理，對電機傳動裝置做出相應(yīng)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(dāng)然，LCD液晶兼有觸屏設(shè)置局部，可以設(shè)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(jìn)展相關(guān)操作，并且，當(dāng)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)對室外天氣狀況的檢測，如是否下雨、風(fēng)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(jìn)展數(shù)據(jù)

11、的處理和應(yīng)對動作。LCD液晶屏顯示設(shè)置模塊，用于顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)，且供用戶進(jìn)展相關(guān)設(shè)置，如選擇自動模式還是手動模式、設(shè)置風(fēng)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(yuǎn)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。如假設(shè)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(jìn)展處理，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果送至液晶顯示模塊，并作出相應(yīng)動作，如發(fā)送關(guān)窗命令至電動傳動模塊。三詳細(xì)設(shè)計方案3.1具體性能指標(biāo)

12、性能指標(biāo)：下雨即可關(guān)窗；風(fēng)力分為15級，可按需設(shè)定，到達(dá)設(shè)定風(fēng)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(shè)置，但PM2.5大于100ug/m3時自動關(guān)窗；光亮度低于10LU*時，可關(guān)窗。確定依據(jù)：下雨可能會使室受潮，因此下雨即可關(guān)窗；風(fēng)力為1-3級時，較舒適，可根據(jù)需要設(shè)置，4級往上時風(fēng)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(fēng)速多小都可關(guān)窗，以保證室空氣質(zhì)量較好；天陰時室外光強度約為100LU*,黃昏時光強度約為10LU*，故光強度小于10

13、LU*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)供電局部系統(tǒng)采用12V/2A的開關(guān)電源進(jìn)展全局供電，通過AMS1117穩(wěn)壓芯片降壓滿足主控芯片及各級外設(shè)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。以下為供電局部電路圖：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 Corete*-M3核的32位處理器，具有出色的功耗控制以及眾多的外設(shè)，價格低廉，性價比高。其中，我們選用的64腳LQFP封裝的STM32F103RBT6芯片外設(shè)包含有128K FLASH、20K SRAM

14、、USB、CAN、12位ADC、SPI、IIC、TIMER、USART、RTC、DMA等，其部時鐘可倍頻至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SIM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 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STM32串口協(xié)議與GSM模塊進(jìn)展通信，從而進(jìn)展相應(yīng)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(fēng)速傳

15、感器風(fēng)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(fēng)時，均能有效形成風(fēng)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(dāng)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(fēng)速傳感器的電壓輸出信號進(jìn)展風(fēng)速區(qū)分，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，其原理如以下圖，傳感器中心有個洞可以讓空氣自由流過，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

16、大小和灰塵含量的曲線圖(如以下圖)，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(yīng)板，當(dāng)感應(yīng)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，其光照圍為0-65535 lu*，不區(qū)分環(huán)境光源，可對廣泛的亮度進(jìn)展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(jìn)展數(shù)據(jù)傳輸。由此，我們就可以

17、檢測出環(huán)境光強度，進(jìn)展開關(guān)窗操作。另外，說明一下各種環(huán)境照度值，單位lu*，黑夜：0.0010.02lu*；月夜：0.020.3lu*；陰天室：550lu*；陰天室外：50500lu*；晴天室：5001000lu*；夏季中午太下的照度：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(shè)置模塊LCD液晶顯示設(shè)置模塊主要由2.8寸TFTLCD屏，觸屏芯片*PT2046，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320*240，采用16位的80并口，用于顯示外部環(huán)境狀態(tài)；觸屏芯*PT2046用于觸屏設(shè)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