基于多傳感器的智能窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為促進(jìn)建筑智能化，設(shè)計(jì)了一種新型智能窗，討論了智能窗的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。應(yīng)用壓力傳感器，濕度傳感器，光強(qiáng)傳感器，紅外遙控模塊等實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集，選用8051系列單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，并控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)整智能窗扇葉張角。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，風(fēng)速感應(yīng)和控制精度優(yōu)于0．1 m／s，濕度感應(yīng)精度5％RH，光強(qiáng)感應(yīng)精度5lux。實(shí)現(xiàn)了測(cè)量顯示風(fēng)強(qiáng)、濕度、光強(qiáng)等信息并調(diào)整扇窗開(kāi)合程度，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境?？梢酝ㄟ^(guò)嵌入式系統(tǒng)設(shè)定控制量值，適合對(duì)環(huán)境要求不同的用戶使用。
關(guān)鍵詞：8051單片機(jī)；多傳感器；嵌入式系統(tǒng)；環(huán)境控制；智能窗

    當(dāng)今世界建筑正朝著智能化方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢(shì)也正是人類社會(huì)的文明程度在一定歷史時(shí)期的體現(xiàn)。但普通窗戶在起風(fēng)下雨時(shí)不能自動(dòng)關(guān)閉，不能自動(dòng)調(diào)整開(kāi)合程度以適應(yīng)風(fēng)、雨、光等環(huán)境變化，給我們帶來(lái)了諸多不便，安裝智能窗已是大勢(shì)所趨。本文討論了一種智能窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
    該智能窗由多個(gè)傳感器收集風(fēng)力大小、空氣濕度、光照強(qiáng)度等信號(hào)，經(jīng)處理后傳入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，再輸出脈沖信號(hào)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)。智能窗可根據(jù)環(huán)境變化及使用者的意愿調(diào)整扇葉張角，控制室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，且具有一定的自適應(yīng)能力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    智能窗由電子系統(tǒng)、相應(yīng)程序和機(jī)械部分組成。電子系統(tǒng)包括傳感器、處理器、顯示屏、步進(jìn)電機(jī)及其他輔助電路。機(jī)械部分可根據(jù)使用場(chǎng)合的不同而進(jìn)行設(shè)計(jì)。
    在電子控制系統(tǒng)中，傳感器起著重要的作用，它關(guān)系到控制的精度，合理選擇傳感器是系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。此外，由于各種干擾存在，除了選用性能優(yōu)良的傳感器外，還需進(jìn)行軟件上適當(dāng)?shù)臑V波算法，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。傳感部分是由多個(gè)傳感器收集環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)的，為了快速準(zhǔn)確的采集數(shù)據(jù)，在接收傳感器采樣時(shí)要合理的設(shè)置巡檢優(yōu)先級(jí)，這可以通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)。出于實(shí)用性，人機(jī)交互和節(jié)能也是關(guān)鍵問(wèn)題，因此，系統(tǒng)還配有便于用戶使用的遙控和顯示設(shè)施。所有的參數(shù)都可以通過(guò)遙控設(shè)置、改變，保存，運(yùn)行過(guò)程中用戶也可以通過(guò)遙控改變開(kāi)窗狀態(tài)。顯示屏可將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。電子系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    設(shè)計(jì)的扇窗利用步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)葉片張角。扇窗結(jié)構(gòu)主要包括：窗框、多個(gè)葉片構(gòu)成的可轉(zhuǎn)動(dòng)葉片組、一個(gè)用以調(diào)整該葉片組開(kāi)和角度的拉繩。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 傳感與輸入部分
2．1．1 風(fēng)速傳感器
    考慮到系統(tǒng)應(yīng)具有體積小，成本低的特點(diǎn)，氣象測(cè)量中使用的風(fēng)杯式傳感器無(wú)法滿足要求，因此將風(fēng)速信號(hào)轉(zhuǎn)化成壓力信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。選用的LAM—H4壓力傳感器采用應(yīng)變電橋原理，將作用在表面的微小壓力轉(zhuǎn)化為差分電壓。輸出的信號(hào)經(jīng)放大后再輸入單片機(jī)處理，經(jīng)換算即可表示風(fēng)力等級(jí)。傳感器精度等級(jí)0．05％R．O，輸出靈敏度0．6±20％mV／V，保證了測(cè)量風(fēng)速精度為0．1 m／s。
2．1．2 濕度傳感器
    濕度傳感器用于檢測(cè)空氣中的相對(duì)濕度，例如，當(dāng)相對(duì)濕度大于90％，可認(rèn)為有雨，智能窗將自動(dòng)關(guān)閉。選用AH11濕度模塊作為濕度傳感器。模塊的供電為+5 V直流電壓，相對(duì)濕度通過(guò)電壓輸出進(jìn)行計(jì)算。本模塊濕度檢測(cè)精度±5％RH，且已帶溫度補(bǔ)償，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，滿足系統(tǒng)要求。
2．1．3 光強(qiáng)傳感器
    為便于用戶根據(jù)光強(qiáng)不同決定開(kāi)窗狀態(tài)，設(shè)置了光強(qiáng)傳感器。利用光敏電阻GL5528自行設(shè)計(jì)了光強(qiáng)傳感器。光敏電阻是利用半導(dǎo)體光電效應(yīng)制成的一種阻值隨入射光強(qiáng)變化而改變的電阻器，入射光變強(qiáng)，電阻減小。使用時(shí)將光敏電阻與10 k；Ω的電阻R構(gòu)成測(cè)量電橋后接至5V電源，當(dāng)外界光照變強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值變小，R分壓變大，取R上的電壓差值即可判斷光強(qiáng)變化。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于電路簡(jiǎn)單。
2．1. 4 紅外遙控
    遙控設(shè)備在本系統(tǒng)內(nèi)起著至關(guān)重要的作用，它是人機(jī)交互的通道。系統(tǒng)采用紅外一體化接收頭HS0038將遙控信號(hào)的接收、放大、檢波、整形集于一身，并且輸出可以讓單片機(jī)識(shí)別的TTL信號(hào)，這樣大大簡(jiǎn)化了接收電路的復(fù)雜程度和電路的設(shè)計(jì)工作。HS0038由黑色環(huán)氧樹(shù)脂封裝，不受日光、熒光燈等光源干擾，內(nèi)附磁屏蔽，功耗低，靈敏度高。在用小功率發(fā)射管發(fā)射信號(hào)情況下，其接收距離可達(dá)35 m。所使用的遙控器為WD6122型紅外遙控發(fā)射電路，最多可外接64個(gè)按鍵，并有3組雙重按鍵。
2．1．5 行程開(kāi)關(guān)
    為了判斷窗子是否閉合，需要使用行程開(kāi)關(guān)。利用單片機(jī)自帶的硬件中斷資源，設(shè)計(jì)了接觸式的中斷行程開(kāi)關(guān)。當(dāng)窗體閉合時(shí)引發(fā)中斷，停止運(yùn)行，進(jìn)入節(jié)電待機(jī)狀態(tài)。
2．2 處理與輸出部分
2．2．1 單片機(jī)應(yīng)用
    隨著技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的功能日益多樣化。以其具有價(jià)格便宜、體積小、技術(shù)成熟等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在各種控制場(chǎng)合。本系統(tǒng)使用STC12C5A60S2型單片機(jī)，由于其采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比普通8051快8～12倍，滿足了程序運(yùn)行對(duì)速度的要求。關(guān)窗后可切換到掉電模式(可由外部中斷喚醒)，以降低功耗。硬件看門(mén)狗功能可用于監(jiān)測(cè)程序是否運(yùn)行正常。特別是芯片內(nèi)部自帶了8路10位AD轉(zhuǎn)換功能，能直接將輸入P1口的模擬量電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，大大節(jié)約了支持多個(gè)傳感器的AD硬件成本。端口輸出的數(shù)字信號(hào)可控制步進(jìn)電機(jī)。
2．2．2 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)
    采用42BYG250B兩相混合式步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)械部分的驅(qū)動(dòng)裝置，經(jīng)減速后帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。選擇L298N作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。L298N為雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用芯片(Dual Full-Bridge Driver)內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，兩個(gè)HBridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平，可驅(qū)動(dòng)46 V，2 A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，由單片機(jī)I／O端口來(lái)提供時(shí)序電壓。
2．2．3 顯示輸出
    系統(tǒng)中應(yīng)用1602液晶顯示屏顯示操作界面，通過(guò)不同的菜單選擇，即可顯示設(shè)定的控制參數(shù)，又可顯示測(cè)量值和系統(tǒng)的工作狀態(tài)。顯示屏在待機(jī)狀態(tài)下可以關(guān)屏，降低功耗。
2．3 電路設(shè)計(jì)
    圖3為電子系統(tǒng)主要部分的原理圖。在各芯片供電處接有濾波電容，以減少供電不穩(wěn)給系統(tǒng)帶來(lái)的影響。使用兩級(jí)差模前置放大器，放大傳感器的微弱信號(hào)，這種差模放大的接線方式可有效地減少噪聲干擾。此外，由于電機(jī)屬于感性負(fù)載，突然斷電會(huì)產(chǎn)生較高的反電勢(shì)，對(duì)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片造成傷害，故需要在驅(qū)動(dòng)回路接入續(xù)流二極管1N4007。單片機(jī)P1．0、P1．1、P1．2設(shè)為片內(nèi)AD，外接運(yùn)放輸出端，P3．2、P3．3口分別接行程開(kāi)關(guān)和紅外模塊，P3．5、P3．6接片外EEPROM的時(shí)鐘端和數(shù)據(jù)端。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 程序流程
    開(kāi)機(jī)時(shí)系統(tǒng)關(guān)窗復(fù)位，采集一組環(huán)境數(shù)據(jù)，判斷是否達(dá)到開(kāi)窗要求。開(kāi)窗后，調(diào)用歷史控制參數(shù)，之后按加權(quán)方式分步采集多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)輸出顯示。發(fā)現(xiàn)風(fēng)強(qiáng)，濕度，光強(qiáng)不滿足要求時(shí)即可調(diào)整至合理狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)始終以中斷方式服從用戶的遙控。程序流程如圖4所示。

3．2 濾波算法
    由于室外環(huán)境的多變性、復(fù)雜性以及電磁干擾等諸多問(wèn)題的存在，傳感器的信號(hào)中經(jīng)常帶有一定的噪聲。硬件低通濾波器并不能濾掉低頻成分。故在數(shù)據(jù)的采集和處理中使用滑窗法濾波，有效解決了傳感器數(shù)據(jù)抖動(dòng)的問(wèn)題。
3．3 控制算法
    控制算法是體現(xiàn)智能性的核心，合理的控制算法，可使系統(tǒng)具有“記憶性”和“學(xué)習(xí)性”。由于單片機(jī)的硬件資源十分有限，無(wú)法執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和Bayes法等大型程序。這里，設(shè)計(jì)了頻率加權(quán)統(tǒng)計(jì)的方法。在片外EEPROM中存有控制向量y=[W，R，L，A]，表示風(fēng)強(qiáng)、濕度、光強(qiáng)和所對(duì)應(yīng)的扇葉張角。遙控可以發(fā)出直接更改控制向量中參數(shù)的指令，也可以發(fā)出調(diào)整扇葉角度的信號(hào)。當(dāng)接收到調(diào)整角度的信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)采集記錄當(dāng)前環(huán)境參數(shù)，形成指令P=[kW，kR，kL，kA]?？刂葡蛄孔龀鱿鄳?yīng)調(diào)整，使成為新的控制向量。這樣，隨著使用次數(shù)的增加，窗子將適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境和用戶的習(xí)慣。

4 結(jié)束語(yǔ)
    整個(gè)控制系統(tǒng)是基于多項(xiàng)傳感器采集信號(hào)，8位高速單片機(jī)運(yùn)算處理的控制系統(tǒng)。采用經(jīng)典的軟件濾波、控制算法對(duì)信息進(jìn)行處理，增強(qiáng)魯棒性。電機(jī)輸出控制扇葉轉(zhuǎn)角，屏幕實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，風(fēng)速感應(yīng)和控制精度優(yōu)于0．1 m／s，濕度感應(yīng)精度5％RH，光強(qiáng)感應(yīng)精度5 lux，扇葉步進(jìn)最小角度1．8°。這種智能窗實(shí)現(xiàn)了：同步顯示當(dāng)前環(huán)境風(fēng)強(qiáng)、濕度、光強(qiáng)等信息；支持人機(jī)對(duì)話、可以遠(yuǎn)程遙控；具有硬件保護(hù)、可以智能調(diào)整窗體開(kāi)合程度等功能。

    這種智能窗在一定程度上減少了外界環(huán)境給室內(nèi)帶來(lái)的不便。目前可以用作對(duì)環(huán)境有一定要求的實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)窗和高檔建筑用窗。隨著人民生活水平的提高，它將被應(yīng)用到更廣泛的場(chǎng)合。