摘  要： 基于物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)設(shè)計(jì)了智能窗戶系統(tǒng)，可以進(jìn)行空氣置換，對(duì)大風(fēng)、下雨等天氣狀況做出判斷，對(duì)窗戶受到撞擊、盜賊越窗等情況發(fā)出報(bào)警，對(duì)室內(nèi)有害氣體濃度進(jìn)行感知等。系統(tǒng)的判斷行為及結(jié)果通過物聯(lián)網(wǎng)傳送至用戶手機(jī)終端，進(jìn)行信息的交互。系統(tǒng)的硬件和軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)用戶的不同需求，靈活搭配模塊，以滿足用戶的多樣化需求，提高用戶健康、宜居生活質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；智能；窗戶

0 引言

　　隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的提高，智能家居的概念越來越深入人心，人們希望自己的住宅可以更舒適、更安全、更科學(xué)、更智能。智能窗戶作為智能家居的重要組成部分，必將成為未來人們對(duì)窗戶的主要需求和發(fā)展方向[1-2]。

　　窗戶是室內(nèi)與外界交流的通道，智能窗戶的設(shè)計(jì)，將為人們的健康生活提供良好的環(huán)境監(jiān)護(hù)，它可以自動(dòng)開啟進(jìn)行新鮮空氣的置換，當(dāng)遇到大風(fēng)、下雨、空氣濕度大等天氣變化時(shí)，它能自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)有外物撞擊窗戶或穿越窗戶時(shí)，它能準(zhǔn)確地感應(yīng)并發(fā)出報(bào)警，同時(shí)以短信的形式通知用戶；當(dāng)室內(nèi)有害氣體（如一氧化碳、甲醛等）超標(biāo)時(shí)，它能判斷超標(biāo)值的大小及危害程度，并自行決定出窗戶開啟幅度的大小。諸如此類的環(huán)境及設(shè)備狀態(tài)信息，由智能窗戶的核心控制模塊處理，然后通過物聯(lián)網(wǎng)，最終將信息推送到用戶的手機(jī)，用戶還可以做出判斷，并通過手機(jī)平臺(tái)進(jìn)行干預(yù)和遙控。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

　　如圖1所示，整個(gè)智能窗戶系統(tǒng)由窗戶本體及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、ARM控制核心模塊、供電模塊、傳感器模塊、物聯(lián)網(wǎng)及用戶終端（如手機(jī)）組成。ARM控制核心模塊通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同方式窗戶本體的開啟和關(guān)閉，通過傳感器模塊采集室外大氣濕度、室內(nèi)有害氣體、大風(fēng)、窗體振動(dòng)、窗戶開關(guān)狀態(tài)等信息。手機(jī)終端通過通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)、無線傳輸模塊與核心控制模塊建立信息交流和用戶指令的下達(dá)。供電模塊為整個(gè)智能窗戶系統(tǒng)提供電力保障。

　　1.1 窗戶本體

　　窗戶可采用平移式或轉(zhuǎn)動(dòng)式，例如參考文獻(xiàn)[1]采用的是平移式，參考文獻(xiàn)[2]采用轉(zhuǎn)動(dòng)式，根據(jù)窗戶的開關(guān)方式選擇相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮小巧、可靠、運(yùn)行噪音低、易維護(hù)、成本低等諸多因素。窗戶開關(guān)的動(dòng)力來自電機(jī)，對(duì)窗戶開啟幅度的精確控制宜采用步進(jìn)電機(jī)[3-5]，由ARM控制核心模塊直接發(fā)送控制指令控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和步數(shù)，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)窗戶本體的自動(dòng)平移或轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　1.2 ARM控制核心模塊

　　ARM控制模塊的內(nèi)部組成如圖2所示，基于utu Linux嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)，以32 bit ARM920為內(nèi)核，工作頻率400 MHz，JTAG調(diào)試模塊為用戶對(duì)主控模塊進(jìn)行調(diào)試和二次開發(fā)提供端口。為了提高嵌入式操作系統(tǒng)運(yùn)行的速度和效率，ARM920核心控制芯片擴(kuò)展了32 MB SDRAM靜態(tài)內(nèi)存作為程序數(shù)據(jù)運(yùn)算的暫存空間，硬件基于HY57V561620RT-H芯片開發(fā)。外擴(kuò)的64 MB Flash可擦寫存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)系統(tǒng)掉電后仍需要保存的代碼和數(shù)據(jù)，也是嵌入式操作系統(tǒng)固化程序的存儲(chǔ)空間，硬件基于K9F1208UOM芯片開發(fā)。

　　1.3 供電模塊

　　供電模塊可根據(jù)用戶用電的現(xiàn)有條件選用?？刹捎?20 V方式供電，但要考慮意外情況斷電問題。如果發(fā)生意外斷電，控制模塊應(yīng)能感應(yīng)到并做出判斷，緊急啟用其備用蓄電模塊的電能將窗戶關(guān)閉。還可以在條件具備的情況下，選用太陽能或其他方式供電，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中，為整個(gè)系統(tǒng)供電。

　　1.4 傳感器模塊

　　傳感器模塊可根據(jù)用戶的要求量身定做，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，對(duì)于特殊要求要選用滿足感知靈敏度需要的傳感器，費(fèi)用會(huì)提高。通常情況下，用戶會(huì)有以下需求：當(dāng)室內(nèi)空氣不清新時(shí)，需與戶外空氣置換（可以為用戶干預(yù)模式）；當(dāng)窗戶處于開啟狀態(tài)遇到大風(fēng)時(shí)，需關(guān)閉；窗戶被外物撞擊或有人要翻窗而入時(shí)，智能系統(tǒng)及時(shí)向用戶發(fā)出報(bào)警信息；窗戶處于開啟狀態(tài)，但戶外濕度過大或下雨時(shí)，需關(guān)閉窗戶；室內(nèi)有害氣體（如甲醛等）嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，需提醒用戶，并自動(dòng)應(yīng)急開啟，但需感知窗戶開啟的幅度并進(jìn)行控制。根據(jù)用戶的可能需要，開發(fā)各種傳感分模塊，針對(duì)具體用戶，只需將分模塊插合于總線端子上即可。如對(duì)大氣溫濕度的感知由溫濕度測(cè)量模塊完成，可選用SHT10傳感器芯片，每秒進(jìn)行3次測(cè)量和數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)精度選擇12 bit。SHT10傳感器芯片是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全量程標(biāo)定數(shù)字輸出。芯片內(nèi)部集成一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件和一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件，通過12 bit A/D轉(zhuǎn)換器和串行接口傳送測(cè)量數(shù)據(jù)。溫濕度測(cè)量模塊初始化時(shí)，使用Linux 2.6內(nèi)核函數(shù)將設(shè)備注冊(cè)到ARM內(nèi)核。

　　1.5 用戶終端模塊

　　用戶終端模塊包含通信模塊（其接口協(xié)議并入并可搭載聯(lián)通、移動(dòng)、電信等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)）、物聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與ARM控制核心模塊進(jìn)行信息交流的無線傳輸模塊。其中ARM控制核心模塊經(jīng)無線傳輸模塊、物聯(lián)網(wǎng)、通信模塊與終端手機(jī)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控信息的交互及控制指令的下達(dá)。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

　　如圖3所示，智能系統(tǒng)啟動(dòng)后，先進(jìn)行設(shè)備模塊端口初始化，然后進(jìn)入系統(tǒng)自檢，自檢通過后，主控模塊對(duì)傳感器通道進(jìn)行選擇、數(shù)據(jù)采集，同時(shí)根據(jù)用戶的控制指令（若無控制指令，則按照既定程序判斷）以及監(jiān)控的窗戶當(dāng)前狀態(tài)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析，處理信息通過物聯(lián)網(wǎng)傳至手機(jī)平臺(tái)，用戶可以觀察信息，并進(jìn)行人工干預(yù)，同時(shí)，控制核心模塊發(fā)出窗戶的開啟、關(guān)閉等控制指令，驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使窗戶開啟或關(guān)閉。

　　ARM智能窗戶控制核心程序基于Linux 2.6開發(fā)平臺(tái)，該軟件具有圖形界面良好、網(wǎng)絡(luò)資源豐富、內(nèi)核可定制等優(yōu)點(diǎn)。Linux 2.6編制的程序具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、方便移植、可內(nèi)存共享以及I/O系統(tǒng)優(yōu)化等特點(diǎn)[6]。嵌入式程序設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、溫濕度誤差補(bǔ)償模塊和上位機(jī)響應(yīng)模塊等。對(duì)傳感器的誤差補(bǔ)償采用軟件實(shí)現(xiàn)比硬件方案方法更簡(jiǎn)單、更靈活而且更穩(wěn)定。

3 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的智能窗戶系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)與用戶終端建立人窗交流，智能模塊能自動(dòng)采集傳感通道信息，對(duì)大風(fēng)、下雨、空氣置換等做出判斷，可完成原來需人工思考才能完成的事情，控制窗戶的開啟或關(guān)閉，監(jiān)控窗戶的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并且可根據(jù)用戶的要求，即所要監(jiān)控的室內(nèi)、室外環(huán)境因子，量身定制智能窗戶的功能模塊。隨著智能家居的發(fā)展，智能窗戶作為其不可或缺的組成部分，必將對(duì)提高人們生活質(zhì)量起到重要作用。

參考文獻(xiàn)

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