基于嵌入式系統(tǒng)的智能門窗設計

引言
    隨著21世紀信息化時代的到來，社會信息化和家居智能化也呈現(xiàn)出了蓬勃發(fā)展的趨勢，越來越多的家庭開始追求高質量、高科技舒適安全的家居生活，充分享受由信息時代帶來的生活上的便利。作為智能家居系統(tǒng)的子系統(tǒng)——智能門窗，是在傳統(tǒng)住宅的基礎上，綜合利用傳感器技術、計算機技術、現(xiàn)代通訊技術和自動控制技術等，實現(xiàn)了門窗各種信息的采集、傳輸、處理和控制。安全舒適的家居環(huán)境是實現(xiàn)家居智能化的基礎和前提，而門窗作為家庭與外界互通的門戶，起著尤為關鍵的作用，實現(xiàn)門窗的智能化是智能家居的第一步，也是非常重要的一步。

1 系統(tǒng)的總體設計
    智能門窗屬建筑領域的附件，它包括智能控制系統(tǒng)和門窗開關裝置以及報警系統(tǒng)。該智能門窗實現(xiàn)的主要功能是當室內燃氣泄露，CO和CO2含量過高，甲醛、苯等有毒物質超標時，能夠控制窗戶自動打開，讓空氣形成對流，并啟動排風扇向室外排出有害氣體，當室外環(huán)境不允許開窗時(比如風雨和沙塵天氣)由風光雨傳感器傳輸信號到主控系統(tǒng)，使其發(fā)出指令關閉窗戶，同時整個系統(tǒng)將以排風扇工作為主。如果狀況仍未緩解，則啟動警報裝置。
    整個系統(tǒng)由主控芯片、各種傳感器、報警器終端，以及機械傳動裝置組成，控制芯片和傳感器等直接固定在門窗上，而報警終端則可固定在室內墻壁或容易引起主人警覺的地方。系統(tǒng)結構如圖1所示。

1．1 LPC2136微控制器概述
    LPC2136是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S CPU微控制器，它帶有256 KB嵌入的高速片內FLASH存儲器。片內128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘頻率下運行。
    P0．27～P0．30為LPC2136的A／D轉換器輸入端，作為風光雨模擬信號、溫度模擬信號和有害氣體檢測信號等的模擬輸入端，分時段掃描查詢這幾個模擬量，并將風光雨模擬信號、有害氣體模擬信號等做A／D轉換后顯示在LCD顯示單元上。風光雨傳感器輸出的信號非線性誤差較大，并對溫度敏感，本文設計了專用的放大、處理和補償電路對其信號進行處理和補償，使其輸出的模擬量基本達到線性。實測證明可達到5％的誤差，這對于一般的監(jiān)控已可以滿足要求。
1．2 感應系統(tǒng)硬件設計
    該部分主要以傳感器為采集信號手段，經(jīng)轉換元件將采集到的信號進行加工，使采集到的模擬信號能夠被主控制芯片識別，結構框圖如圖2所示。

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1．3 有害氣體檢測模塊
    居室里的空氣是由多種氣體混合而成的，對人體有害的物質主要是CO2、CO、煤氣、有害化學物質(如甲醛、苯類等)以及可吸入顆粒及附著在其上的病菌等，這些有害物質的濃度過高時會對人體造成危害。
    有害氣體檢測電路，如圖3所示。在該電路中主要用氣敏傳感器實現(xiàn)“氣-電”轉換，在正常情況下，氣敏傳感器不接觸有害氣體或有害氣體濃度很低時，氣敏傳感器兩端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，檢測到的信號小，不能驅動后級電路而使其工作。反之，檢測信號變大，從而驅動開窗器
和排風扇工作，及時報警，并盡可能地排除有害氣體。
    (1)一氧化碳傳感器。選用深圳富安達公司的CO／MF-500型電化學傳感器，當環(huán)境的CO濃度發(fā)生變化時，電化學方程的平衡產(chǎn)生移動，輸出的電流發(fā)生相應的變化。該傳感器量程為0～500 ppm，分辨率為1 ppm，線性輸出，并且過濾了H2S和SO2氣體，測量精度較高。
    (2)甲醛傳感器。選用深圳市富安達公司的S-10電化學傳感器，測量范圍為0～10 ppm，最大負載為50 ppm，輸出信號為800 nA／ppm，分辨率為0．05 ppm，響應時間小于50 s，可在高濕度等惡劣環(huán)境下工作。
    (3)煙霧傳感器。選用深圳市商斯達公司的離子室煙霧傳感器，電源電壓為直流6．0～18．0 V，輸出電壓為(5．6±0．4)V，靈敏度為(0．6±0．1)V，溫度為-10～+60℃。
    氣體傳感器需要用導線引出，同時控制器需要一組12 V(DC，500 mA)的電源供電。由于氣體傳感器需要電源預熱，功耗較大，+5 V電源下約需150 mA電流。本文采用一個LM7805三端穩(wěn)壓器供電，同時加上適當?shù)纳崞鳎员ＷC長時間可靠穩(wěn)定的工作。實踐證明，它對溫度和濕度測量是準確和迅速有效的，對氣體的檢測也十分敏感，遇到有危險氣體時能可靠地發(fā)出報警和自動接通風扇排風，為人員的安全起到高靈敏度的檢測和保護作用。
1．4 風光雨感應系統(tǒng)設計
    風光雨傳感器是一種集多種傳感器于一身的多功能傳感器，它可以自動檢測風力、光線強度、雨量大小，為窗戶的開啟控制提供依據(jù)，這里選用深圳卓靈公司的ZF-WRR型風光雨傳感器，其工作電壓為直流12 V；工作電流為0．1 A；風感器可設定風速值為1～4級，范圍為3～20 km／h；雨感器可設定范圍為1～5 mm／h；采用防水結構設計方案，以及風感部分雙軸承結構，可確保風感靈敏度。當室內有害氣體濃度過大，除開啟排風扇將有害氣體排出室外，還可連接開窗器作為輔助將窗戶打開，但若逢大風、大雨或風沙天氣，因不適宜開窗，則由MCU發(fā)出關閉窗戶指令。
1．5 門窗防盜模塊設計
    該模塊主要用于防止門窗打開時，不法分子趁機入室或窗戶關閉時破窗而入，對房屋主人的人身及財產(chǎn)安全造成威脅。該模塊主要由人體靠近傳感器和玻璃破碎傳感器組成，如圖4所示。
    人體靠近傳感器  是基于紅外線技術的產(chǎn)品，當有人進入開關感應范圍時，傳感器探測到人體紅外光譜的變化，開關自動接通負載，延時3 s后檢測到人不離開或有繼續(xù)入侵動作，先以紅燈警告，再延時3 s，如果還未離開，則打開高分貝聲光警報器，以達到驅趕入侵者，必要時還可將警情傳輸?shù)叫^(qū)保衛(wèi)處以及房屋主人的手機上。

    玻璃破碎傳感器  是利用振動傳感器在玻璃破碎時發(fā)出2 kHz特殊頻率，感應出報警信號。為了避免室內因玻璃器皿破碎、電話鈴聲、鬧鐘以及其他一些聲音引起誤報警信號，目前玻璃破碎傳感器采用了雙探測技術，即需要同時探測到破碎產(chǎn)生的振蕩和音頻聲響，才能發(fā)出報警信號。
    門磁開關  由一條永久磁鐵和一個常開觸點的干簧管組成，一般把干簧管安裝在被監(jiān)視房門的門框上，把永久磁鐵安裝在門上，關門后，干簧管在磁場的作用下接通，當門被打開時，干簧管觸點斷開，觸發(fā)報警電路。
1．6 執(zhí)行系統(tǒng)模塊的設計
    智能門窗的執(zhí)行機構包括排風扇、開窗器、聲光報警器和電話報警等。排風扇部分如圖5所示，風扇的轉動由PWM來控制轉速，安裝在廚房等易出現(xiàn)煤氣泄漏的場所，可有效地排出有害氣體，避免室內人員煤氣或CO中毒。
    開窗器分為螺旋式開窗器和鏈條式開窗器，它采用天津科普瑞特公司的E350型螺旋式開窗器進行設計，工作電壓為直流24 V；工作電流為1 A；推拉力為1 000 N；行程為90～1 000 mm；速度為5 mm／s。該開窗器采用全金屬材質、內螺桿式電動開窗、鋁合金外殼、開窗時噪音低，開窗推力大，支撐強度高，可調節(jié)的滑動支架便于安裝，適合于各種窗型。當煤氣泄漏或有害氣體濃度在開窗和排風扇工作一段時間后仍未減小到無害的程度或有人非法入侵時，就要啟動聲光報警裝置，該警報器適宜裝在房屋主人容易警覺處，如客廳和臥室。警報器啟動時將以高分貝的警報聲和LED燈光發(fā)出警告，同時LCD液晶顯示將告訴房屋主人是何原因警報(煤氣泄漏或有人非法入侵)。
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2 軟件設計
    為了使軟件更安全、簡潔，設計中使用μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)。在該操作系統(tǒng)下，所有的操作都是對任務的處理，因此系統(tǒng)的整體框圖應該有幾個任務組成。該系統(tǒng)由以下兩個任務組成。任務1：讀取室內氣體傳感器的數(shù)據(jù)，對采集到的信號進行處理；判斷室內空氣污染是否超標，若超標則進行開窗和啟動排風扇，使室內空氣污染濃度降低，如圖6所示。任務2：主要任務為防盜報警和氣體超標報警，讀取門窗報警器信號，啟動聲光報警器，并顯示報警原因，如圖7所示。

3 結語
    本文主要研究了一種基于ARM7處理器的嵌入式智能門窗設計。其中該設計綜合了傳感器技術、通信技術和自動控制技術，使整個系統(tǒng)本著安全、高效、低功耗、小體積和實用性強思想來設計，設計中采用LPC2136微控制器作為設計的主控芯片，實現(xiàn)了有害氣體的檢測，門窗的智能化，防盜報警，燃氣泄露報警等功能。經(jīng)使用，基本達到設計要求，使家居生活更加安全舒適。