智能窗簾方案設(shè)計開發(fā)

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的細(xì)化，將帶來相應(yīng)市場的進(jìn)一步細(xì)分，譬如一系列智能化家居產(chǎn)品作為最貼近民生的物聯(lián)網(wǎng)項目，給人們生活帶來了諸多的便利，智能家居行業(yè)也因此越來越受到人們的青睞。在一些高檔住宅區(qū)，我們都能發(fā)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)為用戶提供更安全、更智能的服務(wù)，如智能燈光場景控制、安防報警等。目前市場上的窗簾多以手勢控制、語音控制或APP遠(yuǎn)程控制，也已經(jīng)有一些學(xué)者在智能窗簾的設(shè)計方面進(jìn)行了研究，如通過串口多機通信實現(xiàn)窗簾開合的遠(yuǎn)程控制，通過紅外遙控控制系統(tǒng)可實現(xiàn)窗簾的自動控制。這些窗簾都需要人為干擾，本文設(shè)計的智能窗簾就是針對家居環(huán)境采光和避光的需求，以自主控制系統(tǒng)替代人為控制，使家居設(shè)計更智能，更人性化?；趩纹瑱C的智能窗簾與其他產(chǎn)品相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、魯棒性良好的優(yōu)點，利于市場化。

一、智能窗簾系統(tǒng)構(gòu)造及性能指標(biāo)

本系統(tǒng)前端采用光敏傳感器，通過光敏傳感器完成對外界光線的數(shù)據(jù)采集，并將采集到的光線強度數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成電信號；后端采用單片機為系統(tǒng)控制平臺，通過處理A/D轉(zhuǎn)換后的信息，作用于電機驅(qū)動及電機，從而實現(xiàn)根據(jù)外界光線的強弱達(dá)到自主控制的效果，調(diào)節(jié)室內(nèi)的光照強度。

結(jié)合此機械構(gòu)造與控制算法，此系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)如下：此系統(tǒng)自主控制時效性維持在5s以內(nèi)，符合當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)要求。有數(shù)據(jù)表明，人在3500流明的亮度以下人眼感覺很舒適，智能窗簾可以通過設(shè)定參數(shù)值從而實現(xiàn)自主控制，將室內(nèi)光照強度維持在3400~3600流明的光照強度范圍內(nèi)，滿足人在3500流明的光照強度下感覺最舒適的條件，始終使用戶保持舒適的體驗。

二、智能窗簾系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1光敏傳感器分析

光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近。光敏電阻、光敏三極管以及紫外線傳感器是最常見的光敏傳感器。為了設(shè)計簡便，成本低廉，本系統(tǒng)使用光敏電阻傳感器。光敏電阻傳感器通過光信號的檢測、控制和轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)提供前端數(shù)據(jù)來源。光敏傳感器就是利用光敏電阻受光線強度影響而阻值發(fā)生變化的原理發(fā)送光線強度的模擬信號，當(dāng)光照由強到弱時，電阻阻值由小變大。它能感應(yīng)光線的明暗變化，輸出微弱的電信號，通過放大器電路處理。當(dāng)光照強度越高，光電管的電流也就越大，電流通過一個電阻時，電阻兩端的電壓被轉(zhuǎn)換成可被采集器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器接受的0~5V電壓，從而為單片機A/D轉(zhuǎn)換提供源數(shù)據(jù)。因為光敏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，靈敏度高，價格低廉的特點，在保證用戶體驗效果的同時又可以有效降低智能窗簾成本，具有良好的社會價值。

2.2單片機系統(tǒng)分析

AVR單片機運算能力強，指令系統(tǒng)精簡高效，具有速度快的優(yōu)點，但是AVR單片機的編程對環(huán)境的要求較高，需要有特定的環(huán)境，并且它的前16個寄存器都不能與立即數(shù)打交道，通用性差。

PIC單片機運行速度快，可以在低電壓下工作，功耗低，但是它的專用寄存器分散在四個地址區(qū)間，編程較為復(fù)雜。STM單片機具有工作頻率高、運行速度快的優(yōu)點，但是成本非常高，采購成本每枚超過百元。

51單片機又被稱作微處理器，它與其他單片機相比，最顯著的一個優(yōu)點就是它不僅能對片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理，如傳送、置位、清零、測試等，還能進(jìn)行位的邏輯運算，功能完備，使用方便。

51單片機的系統(tǒng)性能可以滿足數(shù)據(jù)采集和時間精度的要求，并且生產(chǎn)條件成熟，產(chǎn)品來源穩(wěn)定。8位80C51單片機在片內(nèi)帶有多通道A/D轉(zhuǎn)換器和高速輸入/輸出部件，中斷處理和實時處理能力很強。簡單歸納，

51單片機具有以下特點：

（1）處理性能強，運行速度快，低電壓，低功耗；（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制性能強；（3）環(huán)境適應(yīng)能力強，魯棒性良好；（4）價格低廉。

綜合以上幾種單片機的特點比較，采用51單片機作為智能窗簾的控制平臺核心。51單片機通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)定控制功能指令，作用于單片機驅(qū)動，從而高效精準(zhǔn)地對外部輸入輸出設(shè)備進(jìn)行控制，滿足智能窗簾控制系統(tǒng)性能指標(biāo)，使系統(tǒng)具備在不同自然環(huán)境下的自適應(yīng)能力，加強產(chǎn)品使用的穩(wěn)定性，增強用戶的體驗。低廉的生產(chǎn)成本可以保證智能窗簾的市場化。

三、智能窗簾系統(tǒng)軟件設(shè)計

在搭建的硬件平臺上進(jìn)行軟件編程，本系統(tǒng)采用基于51單片機的C語言進(jìn)行編程。C語言最大的優(yōu)點就是“靈活”。運算方式多樣，數(shù)據(jù)類型豐富，在程序設(shè)計時限制少，可以相對自由發(fā)揮，且易于維護(hù)和修改。缺點是因為太過自由，往往容易出錯。

C語言先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，為系統(tǒng)進(jìn)行后期數(shù)據(jù)采集與處理作鋪墊。C語言通過調(diào)用函數(shù)驅(qū)動光敏電阻傳感器進(jìn)行光線的數(shù)據(jù)采集，并通過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬的光線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，為后期數(shù)據(jù)的處理打下基礎(chǔ)。將采集到的數(shù)字電信號轉(zhuǎn)化為單片機所能識別的01信號，傳送給處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而使單片機對室內(nèi)的光線強度值有準(zhǔn)確的認(rèn)知。由于單片機對室內(nèi)的光照強度有了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)與人舒適的光照強度所對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，若不符合人舒適的光照強度數(shù)據(jù)，單片機便會作用于電機驅(qū)動，驅(qū)動電機朝能使人處于舒適的方向轉(zhuǎn)動。若符合人舒適的光照強度數(shù)據(jù)，此時系統(tǒng)維持此狀態(tài)。系統(tǒng)軟件設(shè)計通過對數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理、電機驅(qū)動，從而實現(xiàn)步進(jìn)電機的自主控制。

四、智能窗簾系統(tǒng)測試

選擇天氣晴朗的白天作為測試環(huán)境，對智能窗簾系統(tǒng)進(jìn)行上機測試。通過光敏傳感器檢測光信號，當(dāng)光照強度為5000流明時，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過單片機控制步進(jìn)電機，電機反向旋轉(zhuǎn)，窗簾關(guān)閉，系統(tǒng)在4s內(nèi)，使得室內(nèi)光線強度恢復(fù)到3500流明；當(dāng)光照強度為2000流明時，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過單片機控制步進(jìn)電機，電機正向旋轉(zhuǎn)，窗簾打開，系統(tǒng)在4s內(nèi)，使得室內(nèi)光線恢復(fù)到3400流明。測試表明，本系統(tǒng)對室內(nèi)光線強度有良好的調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)魯棒性良好，控制性能強，功耗低，能在5s內(nèi)達(dá)到控制效果，可以滿足用戶對光照舒適度的需求。

《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》明確提出“推動物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和在重點領(lǐng)域的應(yīng)用示范”是未來五年物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要任務(wù)。因此，《規(guī)劃》明確提出了將在智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能物流、智能交通、智能電網(wǎng)、智能環(huán)保、智能安防、智能醫(yī)療、智能家居九大重點領(lǐng)域推動應(yīng)用示范工程，力爭實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。據(jù)保守估計，規(guī)劃期內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)有超過5000億的市場容量待開發(fā)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，用戶對智能家居的需求日益增長，智能家居作為九大重點領(lǐng)域之一，與人民日益增長的對美好生活的向往需要息息相關(guān)，因此，智能窗簾的生產(chǎn)、推廣具有廣闊的市場前景。通過測試表明，此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制性能強，運行速度快，能耗低，成本低廉，具有很好的實用性，在中高端家居領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

五、環(huán)境檢測功能智能窗簾方案設(shè)計

隨著社會節(jié)奏的加快，人們生活中的方方面面都變的更為緊密。生活節(jié)奏逐漸加快的同時，人們也對傳統(tǒng)的住宅提出了更高要求。如今，人們早已不單單要求擁有一個簡潔的物理空間，而更為關(guān)注居家環(huán)境的安全、方便、舒適。目前，生活中主要是通過手動拉開、關(guān)閉窗簾，采用這種方法必定會給使用者帶來不便，特別是行動不便的人們。室內(nèi)的溫度、濕度也由于窗簾的存在影響著人們的生活。同時，隨著近幾年大氣層的破壞和污染，一些大城市持續(xù)地陰霾天氣，人們開始關(guān)注PM2.5值，環(huán)境中大量的有毒、有害物質(zhì)在大氣中長時間停留，通過窗戶及窗簾進(jìn)入室內(nèi)，嚴(yán)重影響了我們的生活質(zhì)量。

研究一款具有環(huán)境檢測功能的自動窗簾控制系統(tǒng)。該窗簾可以實現(xiàn)對室內(nèi)外環(huán)境的檢測，通過對環(huán)境的判斷自動控制窗簾開合，并通過顯示器件呈現(xiàn)給用戶當(dāng)前室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，使之窗簾更加人性化，智能化。系統(tǒng)配有環(huán)境溫濕度檢測、環(huán)境空氣質(zhì)量檢測、室外紫外線、PM2.5等功能，并使用了觸摸屏技術(shù)代替了傳統(tǒng)的按鍵，使得更貼合人們的操作習(xí)慣。自動窗簾中加入環(huán)境檢測傳感器的目的是提醒用戶，特別是敏感人群在室外環(huán)境較差時應(yīng)盡量避免高強度戶外鍛煉，外出時做好防護(hù)措施，從而提高用戶居住生活質(zhì)量。

5.1涉及到的環(huán)境參數(shù)

（1）室內(nèi)溫濕度：據(jù)生理學(xué)家研究，室內(nèi)溫度過高時，會影響人的體溫調(diào)節(jié)功能，引起體溫升高、、脈搏加快、心率加速等。冬季，如果室內(nèi)溫度經(jīng)常保持在25℃以上，人就會神疲力乏、頭暈?zāi)X漲、思維遲鈍、記憶力差。如果室內(nèi)溫度過低，則會使人體代謝功能下降，脈搏、呼吸減慢，呼吸道粘膜的抵抗力減弱，容易誘發(fā)呼吸道疾病。因此，科學(xué)家們研究認(rèn)為，最佳室溫分別定為11℃和30℃。

在注意室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的同時，還應(yīng)注意室內(nèi)的濕度。室內(nèi)濕度過低時，因上呼吸道粘膜的水分大量散失，人會感到口干、舌燥，甚至咽喉腫痛、聲音嘶啞和鼻出血等，并易患感冒。所以，專家們研究認(rèn)為，室內(nèi)合適得濕度是40%到60%之間。

（2）室外空氣質(zhì)量：空氣質(zhì)量是依據(jù)空氣中污染物濃度的高低來判斷的，污染物排放是影響空氣質(zhì)量的最主要因素之一，包括車船尾氣、工業(yè)生產(chǎn)排放、垃圾焚燒等。根據(jù)國家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095－1996)》定義了空氣污染指數(shù)，我國當(dāng)前采用的空氣污染指數(shù)(API)分為五級，API值小于等于50，說明空氣質(zhì)量為優(yōu)，相當(dāng)于達(dá)到國家空氣質(zhì)量一級標(biāo)準(zhǔn)，符合自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)的空氣質(zhì)量要求。API值在50～100區(qū)間，表明空氣質(zhì)量良好，相當(dāng)于達(dá)到國家空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)。API值在100～200區(qū)間，表明空氣質(zhì)量為輕度污染，兒童、老人、呼吸系統(tǒng)等疾病患者及一般人群停止或減少戶外運動。API值大于200，表明空氣質(zhì)量較差，一定時間接觸后，對人體危害較大。

（3）室外光照度(紫外線)：室內(nèi)陽光的充足度非常重要，冬天需要足夠的陽光來照射，進(jìn)行室內(nèi)殺菌取暖，而在夏天又不宜長時間暴曬，特別是炎熱的中午。在夏日的陽光下爆曬后，室內(nèi)溫度迅速上升，家具、地板等物品變形退色。夏天外出如果不注意紫外線強度，胳膊、肩膀、后背，還有臉常常有火辣辣的感覺，這些地方皮膚先是發(fā)紅，然后變黑，最后一點點脫皮，幾天以后皮膚難忍的癥狀才慢慢恢復(fù)，人卻變黑了。這些都是陽光中紫外線對人體的傷害。

（4）項目研究目標(biāo)及主要內(nèi)容：本控制系統(tǒng)提出可以根據(jù)光照強度、溫濕度大小、空氣質(zhì)量等級等來控制窗簾，主要完成以下幾大功能:

(a)半自動控制:半自動手動控制是在需要關(guān)閉或打開窗簾的時候，只需要人工按一下“正轉(zhuǎn)”或“反轉(zhuǎn)”按鍵后，窗簾到位自動停止。

(b)早晚開關(guān)自動控制:窗簾的關(guān)啟和關(guān)閉，可通過設(shè)置定時時間，來控制窗簾的關(guān)閉和打開。一般設(shè)置早上6:30自動開啟窗簾，晚上8∶00自動關(guān)閉窗簾。當(dāng)然用戶可根據(jù)不同的季節(jié)和不同的生活習(xí)慣設(shè)置定時時間。實現(xiàn)“天黑關(guān)閉，天亮打開”的智能管理，不產(chǎn)生誤動作。

(c)遮陽自動控制:通過DS1302計時芯片判斷春夏秋冬四季，根據(jù)不同的季節(jié)執(zhí)行不同的控制方案，夏天當(dāng)光照強度達(dá)到一定值時，自動關(guān)閉窗簾，冬天則要保證充足地陽光。環(huán)境光照度的采集通過光敏電阻和運放電路，由單片機輸出電平控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

(d)污染檢測智能控制:當(dāng)檢測到濕度較大、塵埃較多，空氣質(zhì)量重度污染或陰霾天氣(PM2.5較大)時，窗簾無條件關(guān)閉，并提醒業(yè)主注意關(guān)閉窗戶，減少外出，若外出要帶好口罩。

5.2環(huán)境監(jiān)測智能窗簾開發(fā)流程

（1）機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案：整個系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計應(yīng)考慮耐磨損、噪音低、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、免維護(hù)等方面因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。采用交流同步電動機作為動力，它具有運行穩(wěn)定，適合低速大型設(shè)備等優(yōu)點。傳動箱內(nèi)安裝行星變速機構(gòu)，降低電機的轉(zhuǎn)速，采用兩只微動開關(guān)斷開，控制電機的轉(zhuǎn)動與停止，采用雙繞組電容運行方式，實現(xiàn)同步電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，以達(dá)到控制窗簾的效果。電機與電源之間采用接插件方式，電機與傳動箱采用鎖緊片咬口連接方式，傳動箱與窗簾之間采用扣環(huán)連接方式。

（2）傳動箱結(jié)構(gòu)：以現(xiàn)有家庭常用傳動箱箱體為研究對象，考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，以減輕質(zhì)量，提高箱體的剛、強度為目標(biāo)對傳動箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，如圖2所示。采用同步齒型帶傳動，達(dá)到高控制精度和高穩(wěn)定性的要求。在齒型帶上安裝二個滑車，當(dāng)電機帶動齒型帶轉(zhuǎn)動時，二個滑車就會在相反方向運動，實現(xiàn)窗簾雙開或雙關(guān)的要求。

（3）窗簾整體設(shè)計：電機由控制盒控制，控制盒一般安裝在窗戶的旁邊，控制盒上安裝顯示界面，以便能給用戶及時顯示各環(huán)境參數(shù)。同時溫濕度傳感器安裝在室內(nèi)，光照度和空氣質(zhì)量傳感器安裝在室外。

5.3智能窗簾控制系統(tǒng)設(shè)計

（1）系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)規(guī)劃：該自動控制系統(tǒng)具有檢測環(huán)境功能，并通過顯示設(shè)備呈現(xiàn)給用戶。當(dāng)系統(tǒng)檢測到環(huán)境參數(shù)符合窗簾開合參數(shù)時就向繼電器發(fā)出控制信號，由繼電器驅(qū)動窗簾做出相應(yīng)地開合動作。為滿足系統(tǒng)人機交互性能友好，采用TFT液晶顯示和觸摸屏技術(shù)，同時系統(tǒng)還配有室外光亮度檢測、空氣質(zhì)量檢測、溫濕度檢測等功能，可以實現(xiàn)對周圍環(huán)境空氣的動態(tài)測量。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。同時采用DS1302外部時鐘電路，它可以對年、月、日、周、日、時、分、秒進(jìn)行計時，且具有閏年補償?shù)榷喾N功能，為系統(tǒng)提供一個精確的時間。

（2）顯示輸出電路設(shè)計：顯示電路是應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，是構(gòu)成人機對話的基本方式。系統(tǒng)采用3.5寸LCD TFT彩色液晶屏，TFT全稱為薄膜場效應(yīng)晶體管，該液晶顯示器上的每個液晶像素點都是由集成在基板上的薄膜晶體管來驅(qū)動的。該顯示輸出涉及觸摸技術(shù)和SD卡快速存儲技術(shù)，其中采用屏幕觸摸技術(shù)是為了在系統(tǒng)軟件程序協(xié)調(diào)下實現(xiàn)對電動窗簾智能化、人性化的控制，滿足用戶的使用習(xí)慣。采用SD卡存儲是為了提供更多的存儲空間，豐富顯示圖象，滿足用戶視覺。

（3）窗簾電機控制電路設(shè)計：繼電器控制電路為輸出模塊，單片機將環(huán)境參數(shù)處理后控制繼電器動作，繼電器模塊與電動窗簾的外部控制接口連接，從而實現(xiàn)對窗簾的控制，其中電動窗簾內(nèi)部有自己的控制器。

5.4環(huán)境監(jiān)測窗簾系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)由單片機STC12LE5A60S2為控制核心，多傳感器信息融合，組成檢測單元，提高系統(tǒng)描述環(huán)境的能力。繼電器模塊與電機組成執(zhí)行單元，根據(jù)獲取的環(huán)境信息，有效、完整、可靠地完成了窗簾開關(guān)動作。使用單片機C語言編程和Keil uVision2編譯器軟件，采用模塊化設(shè)計思路，即分模塊設(shè)計，有利于程序的調(diào)試和后續(xù)的維護(hù)升級。程序設(shè)計思路如圖7所示，通過帶觸摸TFT液晶屏設(shè)置窗簾早晚開關(guān)時間，并顯示環(huán)境參數(shù)，窗簾根據(jù)設(shè)定的時間定時開關(guān)窗簾。白天的空氣質(zhì)量、PM2.5值、溫濕度和光照度四個參數(shù)，只要其中一個超標(biāo)，都會導(dǎo)致窗簾無條件關(guān)閉(與關(guān)系)，只有都不超標(biāo)時才打開窗簾。

總結(jié)

本設(shè)計研究具有環(huán)境檢測功能的自動窗簾控制系統(tǒng)，以單片機為核心，通過I/O端口控制繼電器，實現(xiàn)與電動窗簾外部接口的連接，并配以TFT液晶觸摸屏和一系列環(huán)境參數(shù)檢測裝置以及在系統(tǒng)軟件程序協(xié)調(diào)下實現(xiàn)對電動窗簾智能化、人性化的控制。

智能窗簾整體結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，安全可靠。使得電路具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，且結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、高人性化、高智能化和低功耗的優(yōu)點。能夠更好地貼近普通用戶。該項目在一般窗簾的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究，將環(huán)境參數(shù)融入到設(shè)計理念中，采用了柔性化設(shè)計思維，用戶可以方便地調(diào)整各項參數(shù)，提高了系統(tǒng)的人性化。同時本控制器還可與現(xiàn)有市場上的電動窗簾外部控制端口連接，使得原本的手動電動窗簾改變?yōu)樽詣涌刂?，比起一整套家居智能化系統(tǒng)，本設(shè)計具有成本低、安裝方便、更適合企事業(yè)單位。未來將在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，升級微處理器處理能力，提高人機界面的友好度，進(jìn)一步優(yōu)化操作。

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