摘要: 隨著生活水平的提高,人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量和解放勞動(dòng)的工具的要求越來(lái)越高,這使得家居設(shè)備的智能化和自動(dòng)化受到廣泛關(guān)注。本文來(lái)自機(jī)智云開(kāi)發(fā)者分享，文中主要根據(jù)通風(fēng)透光的功能要求,設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并兼顧自動(dòng)化功能的窗戶(hù)窗簾系統(tǒng)。該系統(tǒng)能接收當(dāng)前廣受關(guān)注的PM2.5含量、光照強(qiáng)度、溫濕度等數(shù)據(jù),自動(dòng)控制窗戶(hù)和窗簾,具有**自動(dòng)打開(kāi)、夜間自動(dòng)關(guān)閉的功能。該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在控制核心板的屏幕上,上傳至機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及機(jī)智云手機(jī)APP,便于遠(yuǎn)程查看。

引言

室內(nèi)外空氣質(zhì)量逐漸成為了影響家居生活健康的重要因素:一方面,人們需要打開(kāi)窗戶(hù)窗簾通風(fēng),排出室內(nèi)空氣中的有害氣體,凈化室內(nèi)空氣。另一方面,當(dāng)遇到霧霾天氣、下雨天時(shí),窗戶(hù)打開(kāi)反而又會(huì)帶來(lái)不好的影響,如吸入污染物可能損害身體健康,此時(shí)便需要關(guān)閉窗戶(hù);有時(shí)紫外線(xiàn)太強(qiáng),容易對(duì)人的皮膚造成傷害,而光照強(qiáng)度對(duì)眼睛也有一定的損害,因此需要關(guān)閉窗簾。對(duì)于現(xiàn)代人來(lái)說(shuō),生活自動(dòng)化程度提高是趨勢(shì),如早上自動(dòng)打開(kāi)窗戶(hù)窗簾,晚上自動(dòng)關(guān)閉窗戶(hù)窗簾,對(duì)勞累一天的人們來(lái)說(shuō),無(wú)疑減輕了負(fù)擔(dān)[2]。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研制了實(shí)用的智能家用窗戶(hù)窗簾控制及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)**自動(dòng)打開(kāi)、夜間自動(dòng)關(guān)閉,可以收集多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行組合式處理[3],包括PM2.5含量、溫濕度、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù),然后根據(jù)空氣質(zhì)量,濕度水平和光照水平自動(dòng)控制窗戶(hù)窗簾的開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)通風(fēng)或阻隔污染物。同時(shí)將上述數(shù)據(jù)通過(guò)屏幕顯示并上傳到機(jī)智云Aiot開(kāi)發(fā)平臺(tái)和機(jī)智云手機(jī)APP,便于人們了解室內(nèi)環(huán)境,提高人們的生活質(zhì)量。

1 智能系統(tǒng)設(shè)置

智能家用窗戶(hù)窗簾控制及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將光照強(qiáng)度、溫濕度、PM2.5等傳感器接收模塊安裝在窗戶(hù)附近,利用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)傳感器接收數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)一定的邏輯算法,我們將不同環(huán)境值,如霧霾天氣、雨天、強(qiáng)光環(huán)境、黑夜及**對(duì)應(yīng)的值作為系統(tǒng)預(yù)設(shè)參數(shù)。使用時(shí),系統(tǒng)接收到各傳感器數(shù)據(jù)后,通過(guò)與預(yù)設(shè)參數(shù)對(duì)比,得出需要進(jìn)行的操作,然后單片機(jī)控制電機(jī),驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)窗戶(hù)和窗簾的打開(kāi)與關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化功能。

本系統(tǒng)還包括人為干預(yù)控制和校準(zhǔn)功能,便于使用者調(diào)整系統(tǒng)的偏差。同時(shí)也考慮了家庭主人外出時(shí),若存在了解該系統(tǒng)狀態(tài)的需求,則可利用WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)及手機(jī)APP,便于用戶(hù)查看。智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制核心

控制核心采用兩塊32位單片機(jī),第一塊是STM32F103ZET6,用于接收、顯示及控制電機(jī);第二塊是STM32F103C8T6,用于上傳數(shù)據(jù)。兩塊單片機(jī)都具有72 MHz的主頻,工作電壓2.0～3.6 V,至少3個(gè)串口,外設(shè)豐富[4]。第二塊使用占用更少資源的STM32F103C8T6單片機(jī),它在分擔(dān)數(shù)據(jù)上傳責(zé)任的同時(shí),減少了系統(tǒng)功耗。

2.2 傳感器模塊

傳感器包括PM2.5傳感器、光照強(qiáng)度傳感器和溫濕度傳感器。其中PM2.5傳感器為攀藤PMS7003G7,它是利用光散射原理制做的顆粒傳感器[5],具有成本低、技術(shù)成熟、精度高等優(yōu)點(diǎn)。它的最小分辨率達(dá)0.3μm,單位是μg/m3,通過(guò)通用串口與單片機(jī)通信。光照強(qiáng)度傳感器為BH1750,通過(guò)軟件模擬I2C協(xié)議[6]與單片機(jī)連接,減少了單片機(jī)硬件資源的使用。溫濕度傳感器為DHT11,通過(guò)單總線(xiàn)傳輸信息至單片機(jī)。

2.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

系統(tǒng)使用一塊0.96寸OLED顯示屏作為顯示模塊,該模塊具有功耗低的優(yōu)點(diǎn)。其分辨率為128×64,使用32×32的漢字和16×16的字母進(jìn)行顯示。OLED屏幕利用模擬I2C協(xié)議與單片機(jī)連接[7],使用的引腳資源少,利于開(kāi)發(fā)。

2.4 數(shù)據(jù)通信模塊

使用esp8266 WiFi模塊作為數(shù)據(jù)通信模塊,下載機(jī)智云固件至模塊中,利用單片機(jī)串口與模塊通信,與機(jī)智云平臺(tái)及機(jī)智云手機(jī)APP連接。機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)給開(kāi)發(fā)者提供了自助式開(kāi)發(fā)工具及云服務(wù),開(kāi)發(fā)者無(wú)需關(guān)心模組與機(jī)智云間的傳輸協(xié)議[8],技術(shù)門(mén)檻低,可以有效降低研發(fā)成本[9]。使用時(shí),利用手機(jī)連接WiFi并通過(guò)APP給模塊配網(wǎng),從而實(shí)現(xiàn)模塊的WiFi連接。模塊在斷電重啟后可以自動(dòng)連接當(dāng)前已配網(wǎng)的WiFi。

2.5 控制模塊

控制模塊使用兩塊5 V直流步進(jìn)電機(jī)28BYJ4和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板ULN2003,使用四相的驅(qū)動(dòng)方法。該型步進(jìn)電機(jī)具有電壓低、功耗低、控制精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。第一塊步進(jìn)電機(jī)與窗戶(hù)控制結(jié)構(gòu)和單片機(jī)連接,第二塊與窗簾控制結(jié)構(gòu)和單片機(jī)連接。每一塊步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)分別與單片機(jī)上的I/O口相連,順序或逆序使單個(gè)I/O口輸出高電平來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

2.6 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊

AT24C02模塊有2 Kb的儲(chǔ)存單元,屬于串行E2PROM,具有掉電不丟失數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。它通過(guò)I2C協(xié)議與單片機(jī)通信[10],使用前兩個(gè)地址儲(chǔ)存數(shù)據(jù),分別儲(chǔ)存窗戶(hù)和窗簾的位置數(shù)據(jù)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)置

3.1 軟件自動(dòng)控制

智能家用窗戶(hù)窗簾控制及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有自動(dòng)控制功能。上電或重啟時(shí),單片機(jī)首先讀取AT24C02的數(shù)據(jù),并將其與系統(tǒng)里預(yù)設(shè)的窗戶(hù)和窗簾關(guān)閉數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如果兩組數(shù)據(jù)相符,則系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)窗戶(hù)、窗簾進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。其次系統(tǒng)提供校準(zhǔn)功能,通過(guò)微調(diào)電機(jī)使窗戶(hù)和窗簾達(dá)到完全關(guān)緊的狀態(tài)。系統(tǒng)具有選擇按鍵,包括全關(guān)模式、全開(kāi)模式和自動(dòng)模式。全關(guān)模式具有最高優(yōu)先級(jí),此模式下,其他模式都無(wú)法運(yùn)行。全開(kāi)模式具有第二高的優(yōu)先級(jí),只有全關(guān)模式取消后才可以進(jìn)入。

自動(dòng)模式具有最低優(yōu)先級(jí),當(dāng)全開(kāi)和全關(guān)模式都取消時(shí),才可以進(jìn)入。這樣設(shè)置的目的是為了讓家庭主人有更多的選擇:如長(zhǎng)期不在家時(shí),可讓系統(tǒng)進(jìn)入全關(guān)模式;需要窗戶(hù)窗簾全開(kāi)時(shí),設(shè)置系統(tǒng)進(jìn)入全開(kāi)模式;想減少精力投入到窗戶(hù)窗簾上時(shí),可設(shè)置系統(tǒng)長(zhǎng)期進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)時(shí),各傳感器接收窗戶(hù)附件數(shù)據(jù),根據(jù)PM2.5含量、濕度、光照強(qiáng)度和時(shí)間參數(shù)共同決定窗戶(hù)和窗簾的開(kāi)關(guān)。單片機(jī)二通過(guò)串口二與單片機(jī)連接,接收單片機(jī)一發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息,并把數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息上傳至機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和機(jī)智云手機(jī)APP。軟件系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)工作流程

3.2 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信

為實(shí)現(xiàn)使用者在遠(yuǎn)離家庭的地方獲取室內(nèi)各傳感器數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)的目標(biāo),第二塊單片機(jī)連接WiFi模塊,將數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)傳輸至機(jī)智云AIoT開(kāi)發(fā)平臺(tái)及機(jī)智云手機(jī)APP,便于查看。上傳數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3 上傳數(shù)據(jù)流程

4 測(cè)試及結(jié)果

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),機(jī)智云手機(jī)APP及控制核心板上數(shù)據(jù)顯示如圖4所示,機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上的數(shù)據(jù)顯示如圖5所示。在機(jī)智云云平臺(tái)上,機(jī)智云手機(jī)APP和系統(tǒng)控制核心板的OLED屏幕上都可以看到系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)置系統(tǒng)為全關(guān)模式時(shí),其他模式無(wú)法進(jìn)行,此時(shí)窗戶(hù)窗簾完全關(guān)閉。

當(dāng)設(shè)置系統(tǒng)為全開(kāi)模式時(shí),窗戶(hù)窗簾緩緩打開(kāi)至完全開(kāi)啟狀態(tài)。當(dāng)設(shè)置系統(tǒng)為自動(dòng)模式,且將運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為6點(diǎn)至22點(diǎn)時(shí),若當(dāng)前時(shí)間未在此范圍內(nèi),窗戶(hù)窗簾全關(guān);若當(dāng)前時(shí)間處于設(shè)置的時(shí)間范圍內(nèi),則系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)模式下的默認(rèn)狀態(tài),即窗戶(hù)半開(kāi),窗簾全開(kāi),等待下一步指令。

圖4 機(jī)智云手機(jī)APP及控制核心板上數(shù)據(jù)顯示

圖5 機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示

窗戶(hù)附件用強(qiáng)光照射,窗戶(hù)保持狀態(tài)不變,窗簾關(guān)閉一半;用噴霧對(duì)窗戶(hù)附件加濕,模擬下雨天氣,則窗戶(hù)全關(guān),窗簾保持原狀態(tài);將灰塵散落在窗戶(hù)附件上模擬PM2.5含量過(guò)高的情形,此時(shí)窗戶(hù)全關(guān),窗簾保持不變。夜晚時(shí),光照強(qiáng)度為0,此時(shí)窗戶(hù)窗簾全關(guān);天亮?xí)r,光照強(qiáng)度恢復(fù)正常水平,窗戶(hù)打開(kāi)一半,窗簾全開(kāi)。測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足目標(biāo)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

將物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)融入家居,是未來(lái)科技發(fā)展的趨勢(shì)之一。本智能窗戶(hù)窗簾控制及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),包含窗戶(hù)和窗簾兩個(gè)控制部分,增加控制窗簾的功能在于應(yīng)對(duì)強(qiáng)光照射,減少人工操控,更加自動(dòng)化。

本系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)智能化,通過(guò)綜合利用傳感器、單片機(jī)、電機(jī)和WiFi模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。窗戶(hù)窗簾通過(guò)接收外部環(huán)境數(shù)據(jù),與預(yù)設(shè)參數(shù)對(duì)比實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,同時(shí)也將數(shù)據(jù)及狀態(tài)上傳至云平臺(tái)和手機(jī)APP,便于使用者觀察。隨著人們對(duì)空氣質(zhì)量、自動(dòng)化要求的不斷提高,本系統(tǒng)可以有效滿(mǎn)足要求,方便人們的生活。