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智能家用窗户窗帘控制及物联网系统

2020-12-07 08:45:44 物联网技术 2020年11期

谢亚明 马浩伦

摘 要:随着生活水平的提高,人們对环境质量和解放劳动的工具的要求越来越高,这使得家居设备的智能化和自动化受到广泛关注。文中主要根据通风透光的功能要求,设计了一款基于物联网技术并兼顾自动化功能的窗户窗帘系统。该系统能接收当前广受关注的PM2.5含量、光照强度、温湿度等数据,自动控制窗户和窗帘,具有白天自动打开、夜间自动关闭的功能。该系统将数据实时显示在控制核心板的屏幕上,上传至机智云云平台及机智云手机APP,便于远程查看。

关键词:自动化;物联网;智能设备;通风透光;窗户窗帘控制;环境质量

中图分类号:TP23;TN919文献标识码:A文章编号:2095-1302(2020)11-00-03

0 引 言

随着人们生活水平的不断提高,人们对舒适健康的家居生活有了强烈的需求[1]。室内外空气质量逐渐成为了影响家居生活健康的重要因素:一方面,人们需要打开窗户窗帘通风,排出室内空气中的有害气体,净化室内空气。另一方面,当遇到雾霾天气、下雨天时,窗户打开反而又会带来不好的影响,如吸入污染物可能损害身体健康,此时便需要关闭窗户;有时紫外线太强,容易对人的皮肤造成伤害,而光照强度对眼睛也有一定的损害,因此需要关闭窗帘。对于现代人来说,生活自动化程度提高是趋势,如早上自动打开窗户窗帘,晚上自动关闭窗户窗帘,对劳累一天的人们来说,无疑减轻了负担[2]。

针对上述问题,本文运用物联网技术研制了实用的智能家用窗户窗帘控制及物联网系统。该系统白天自动打开、夜间自动关闭,可以收集多个传感器数据并进行组合式处理[3],包括PM2.5含量、温湿度、光照强度数据,然后根据空气质量,湿度水平和光照水平自动控制窗户窗帘的开关,实现通风或阻隔污染物。同时将上述数据通过屏幕显示并上传到机智云云平台和机智云手机APP,便于人们了解室内环境,提高人们的生活质量。

1 智能系统设置

智能家用窗户窗帘控制及物联网系统将光照强度、温湿度、PM2.5等传感器接收模块安装在窗户附近,利用单片机驱动传感器接收数据。经过一定的逻辑算法,大家将不同环境值,如雾霾天气、雨天、强光环境、黑夜及白天对应的值作为系统预设参数。使用时,系统接收到各传感器数据后,通过与预设参数对比,得出需要进行的操作,然后单片机控制电机,驱动转轴转动,实现窗户和窗帘的打开与关闭,实现系统的自动化和智能化功能。本系统还包括人为干预控制和校准功能,便于使用者调整系统的偏差。同时也考虑了家庭主人外出时,若存在了解该系统状态的需求,则可利用WiFi模块将数据上传至云平台及手机APP,便于用户查看。智能系统结构组成如图1所示。

2 硬件系统设计

2.1 控制核心

控制核心采用两块32位单片机,第一块是STM32F103ZET6,用于接收、显示及控制电机;第二块是STM32F103C8T6,用于上传数据。两块单片机都具有72 MHz的主频,工作电压2.0~3.6 V,至少3个串口,外设丰富[4]。第二块使用占用更少资源的STM32F103C8T6单片机,它在分担数据上传责任的同时,减少了系统功耗。

2.2 传感器模块

传感器包括PM2.5传感器、光照强度传感器和温湿度传感器。其中PM2.5传感器为攀藤PMS7003G7,它是利用光散射原理制做的颗粒传感器[5],具有成本低、技术成熟、精度高等优点。它的最小分辨率达0.3 μm,单位是μg/m3,通过通用串口与单片机通信。光照强度传感器为BH1750,通过App模拟I2C协议[6]与单片机连接,减少了单片机硬件资源的使用。温湿度传感器为DHT11,通过单总线传输信息至单片机。

2.3 数据显示模块

系统使用一块0.96寸OLED显示屏作为显示模块,该模块具有功耗低的优点。其分辨率为128×64,使用32×32的汉字和16×16的字母进行显示。OLED屏幕利用模拟I2C协议与单片机连接[7],使用的引脚资源少,利于开发。

2.4 数据通信模块

使用ESP8266 WiFi模块作为数据通信模块,下载机智云固件至模块中,利用单片机串口与模块通信,与机智云平台及机智云手机APP连接。机智云平台给开发者提供了自助式开发工具及云服务,开发者无需关心模组与机智云间的传输协议[8],技术门槛低,可以有效降低研发成本[9]。使用时,利用手机连接WiFi并通过APP给模块配网,从而实现模块的WiFi连接。模块在断电重启后可以自动连接当前已配网的WiFi。

2.5 控制模块

控制模块使用两块5 V直流步进电机28BYJ4和电机驱动板ULN2003,使用四相的驱动方法。该型步进电机具有电压低、功耗低、控制精准的优点。第一块步进电机与窗户控制结构和单片机连接,第二块与窗帘控制结构和单片机连接。每一块步进电机驱动分别与单片机上的I/O口相连,顺序或逆序使单个I/O口输出高电平来驱动电机运行。

2.6 数据储存模块

AT24C02模块有2 Kb的储存单元,属于串行E2PROM,具有掉电不丢失数据的特点。它通过I2C协议与单片机通信[10],使用前两个地址储存数据,分别储存窗户和窗帘的位置数据。

3 App系统设置

3.1 App自动控制

智能家用窗户窗帘控制及物联网系统具有自动控制功能。上电或重启时,单片机首先读取AT24C02的数据,并将其与系统里预设的窗户和窗帘关闭数据进行对比,如果两组数据相符,则系统驱动窗户、窗帘进入关闭状态。其次系统提供校准功能,通过微调电机使窗户和窗帘达到完全关紧的状态。系统具有选择按键,包括全关模式、全开模式和自动模式。全关模式具有最高优先级,此模式下,其他模式都无法运行。全开模式具有第二高的优先级,只有全关模式取消后才可以进入。自动模式具有最低优先级,当全开和全关模式都取消时,才可以进入。这样设置的目的是为了让家庭主人有更多的选择:如长期不在家时,可让系统进入全关模式;需要窗户窗帘全开时,设置系统进入全开模式;想减少精力投入到窗户窗帘上时,可设置系统长期进入自动状态。当系统进入自动状态时,各传感器接收窗户附件数据,根据PM2.5含量、湿度、光照强度和时间参数共同决定窗户和窗帘的开关。单片机二通过串口二与单片机连接,接收单片机一发送的环境数据和状态信息,并把数据和状态信息上传至机智云云平台和机智云手机APP。App系统工作流程如图2所示。

3.2 數据远程通信

为实现使用者在远离家庭的地方获取室内各传感器数据及系统状态的目标,第二块单片机连接WiFi模块,将数据及系统状态实时传输至机智云云平台及机智云手机APP,便于查看。上传数据流程如图3所示。

4 测试及结果

当系统运行时,机智云手机APP及控制核心板上数据显示如图4所示,机智云云平台上的数据显示如图5所示。在机智云云平台上,机智云手机APP和系统控制核心板的OLED屏幕上都可以看到系统上传的数据。当设置系统为全关模式时,其他模式无法进行,此时窗户窗帘完全关闭。当设置系统为全开模式时,窗户窗帘缓缓打开至完全开启状态。当设置系统为自动模式,且将运行时间设置为6点至22点时,若当前时间未在此范围内,窗户窗帘全关;若当前时间处于设置的时间范围内,则系统进入自动模式下的默认状态,即窗户半开,窗帘全开,等待下一步指令。

窗户附件用强光照射,窗户保持状态不变,窗帘关闭一半;用喷雾对窗户附件加湿,模拟下雨天气,则窗户全关,窗帘保持原状态;将灰尘散落在窗户附件上模拟PM2.5含量过高的情形,此时窗户全关,窗帘保持不变。夜晚时,光照强度为0,此时窗户窗帘全关;天亮时,光照强度恢复正常水平,窗户打开一半,窗帘全开。测试结果满足目标要求。

5 结 语

将物联网和自动化技术融入家居,是未来科技发展的趋势之一。本智能窗户窗帘控制及物联网系统,包含窗户和窗帘两个控制部分,增加控制窗帘的功能在于应对强光照射,减少人工操控,更加自动化。本系统借助物联网智能化,通过综合利用传感器、单片机、电机和WiFi模块来实现。窗户窗帘通过接收外部环境数据,与预设参数对比实现自动控制,同时也将数据及状态上传至云平台和手机APP,便于使用者观察。随着人们对空气质量、自动化要求的不断提高,本系统可以有效满足要求,方便人们的生活。

注:本文通讯编辑为谢亚明。

参考文献

[1]许毅,马会凯,田波,等.基于物联网的智能家居系统安全可靠性研究[J].环境技术,2019,37(1):15-21.

[2]刘娜.互联网时代下在物联网领域中嵌入式系统的应用分析[J].粘接,2019,40(7):136-138.

[3]刘世龙,孟令飞,祖学锋.基于物联网的组合式传感器的研究及应用[J].数字通信世界,2018,14(12):184.

[4]李博,尹礼鹏.基于STM32的智能家居的电路与设计[J].电子设计工程,2020,28(7):177-180.

[5]秦孝良,高健,王永敏,等.传感器技术在环境空气监测与污染治理中的应用现状、问题与展望[J].中国环境监测,2019,35(4):162-172.

[6]郑胜峰,范文晶,李智奇,等.App模拟I2C时序的通讯实现[J].电子质量,2008,29(8):21-23.

[7]焦石,王琛,胡泽原,等.基于STM32的OLED显示屏驱动设计[J].电子世界,2018,40(12):127-128.

[8]叶文超,马涛.物联网平台发展分析及建议[J].广东通信技术,2018,38(12):17-20.

[9]杨铭刚,杨晓冬.基于机智云的智能窗帘系统设计[J].智慧工厂,2018,24(9):64-66.

[10]黄忠良.I2C总线器件编程开发关键技术[J].汽车电器,2018,57(11):50-51.

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