《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于手機(jī)的建筑用窗遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)的研究
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
楊志剛,劉繼文
大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連116028
摘要: 傳統(tǒng)的手動(dòng)開(kāi)關(guān)窗戶已經(jīng)無(wú)法滿足人們的日常需求,為了給人們的生活提供便利性、舒適性,設(shè)計(jì)了使用手機(jī)APP遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制建筑用窗的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由手機(jī)終端、主控制器和電動(dòng)開(kāi)窗器組成。手機(jī)終端發(fā)出的控制指令經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)傳送到主控制器上,主控制器依據(jù)指令控制電動(dòng)開(kāi)窗器實(shí)現(xiàn)窗戶的開(kāi)啟、暫停和關(guān)閉。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在手機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示窗戶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及位置,方便直觀,同時(shí)也提供了一種通過(guò)手機(jī)方便地遠(yuǎn)程控制窗戶開(kāi)關(guān)的實(shí)用技術(shù)方案。
中圖分類號(hào): TN919.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.174664
中文引用格式: 楊志剛,劉繼文. 基于手機(jī)的建筑用窗遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(5):82-84,88.
英文引用格式: Yang Zhigang,Liu Jiwen. Research on remote control system of building windows based on mobile phone[J]. App-
lication of Electronic Technique,2018,44(5):82-84,88.
Research on remote control system of building windows based on mobile phone
Yang Zhigang,Liu Jiwen
College of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China
Abstract: This paper designs and realizes the control system of remote control of building windows with mobile phone APP. The system is composed of a mobile phone terminal, a master controller and an electric window opener. The mobile terminal sends a control instruction to the main controller, and the master controller controls the electric window opener to realize the opening, the suspension and the closing of the window. The design of the system realizes the real-time display of the state and position of the window on the mobile phone interface, and provides a practical technical scheme for conveniently and remotely controlling the window switch through the mobile phone.
Key words : mobile phone APP;remote telecontrol;Internet;window

0 引言

    隨著中國(guó)社會(huì)的快速繁榮發(fā)展,人們的住房水平要求隨著生活水平的不斷提高也在不斷上升。科學(xué)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展又極大促進(jìn)了我國(guó)建筑業(yè)朝著智能化方向的發(fā)展[1]。窗戶是建筑必不可缺少的構(gòu)成部分,與人們?nèi)粘I罨顒?dòng)息息相關(guān)[2]。目前,大多數(shù)建筑的窗戶還是以手動(dòng)方式控制開(kāi)關(guān),這種傳統(tǒng)的手動(dòng)開(kāi)關(guān)窗戶日漸無(wú)法滿足現(xiàn)代人們的日常需求[3],如突遇雷雨大風(fēng)天氣,而家中又恰好沒(méi)人,無(wú)法及時(shí)關(guān)閉門(mén)窗[4];早晨匆匆上班忘記開(kāi)窗更新室內(nèi)空氣等。因此人們迫切需要一種可以遠(yuǎn)程控制的窗戶來(lái)滿足生活中的需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

    系統(tǒng)主要由3部分組成:手機(jī)終端、主控制器和電動(dòng)開(kāi)窗器。手機(jī)終端用于遠(yuǎn)程控制窗戶和顯示窗戶實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),提供直觀的人機(jī)交互界面;主控制器用來(lái)接收來(lái)自手機(jī)的指令信息、控制電動(dòng)開(kāi)窗器開(kāi)關(guān)窗戶及把窗戶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息反饋到手機(jī)上,因此是整個(gè)系統(tǒng)的核心;電動(dòng)開(kāi)窗器直接與窗戶連接,控制著窗戶的開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。手機(jī)終端首先把指令消息發(fā)送到服務(wù)器上,服務(wù)器再把指令消息經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到家里路由器,由路由器傳遞給主控制器,主控制器根據(jù)指令消息完成相應(yīng)控制動(dòng)作。

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1.2 主控制器設(shè)計(jì)方案

    窗戶要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制需要一個(gè)用于控制窗戶開(kāi)關(guān)的控制器。該控制器起著控制窗戶和遠(yuǎn)程連接的作用,為系統(tǒng)的核心。3種常用于控制窗戶的控制器如下。

    (1)單片機(jī)控制:?jiǎn)纹瑱C(jī)是一種集成電路芯片,是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器(CPU)、隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn):經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,成本相對(duì)較低;缺點(diǎn):不易擴(kuò)展,對(duì)環(huán)境依賴性強(qiáng),開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。用單片機(jī)制作的主控板,由于受制板工藝、布局結(jié)構(gòu)、器件質(zhì)量等因素的影響導(dǎo)致抗干擾能力差,故障率高。

    (2)PLC控制:PLC(可編程邏輯控制器)是專門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器,在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令,通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程[5]。其優(yōu)點(diǎn):抗干擾能力強(qiáng),故障率低,易于設(shè)備的擴(kuò)展,便于維護(hù),開(kāi)發(fā)周期短;缺點(diǎn):成本相對(duì)單片機(jī)高。

    (3)Arduino控制:Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái),由一個(gè)歐洲開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)于2005年冬季開(kāi)發(fā)。Arduino在開(kāi)發(fā)之初就明確了其應(yīng)用環(huán)境,設(shè)計(jì)了開(kāi)源開(kāi)放的平臺(tái)[6]。其擁有豐富的接口、簡(jiǎn)便的編程環(huán)境、極大的自由度、標(biāo)準(zhǔn)化的接口模式、極高的可擴(kuò)展性,是目前較為流行的電子互動(dòng)平臺(tái)[7]。由于該板為開(kāi)源硬件,因此市面上出現(xiàn)了許多與之功能匹配的擴(kuò)展板和兼容板方便選擇使用。本系統(tǒng)選用了一種Arduino兼容板——ESPDuino板。該板既與Arduino相兼容而又在其基礎(chǔ)上增加了連接網(wǎng)絡(luò)功能,具有使用更方便、價(jià)格便宜的特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與選用

    系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計(jì),本系統(tǒng)的硬件主要由手機(jī)終端、主控制器、電動(dòng)開(kāi)窗器和窗戶組成。

2.1 手機(jī)終端選用

    手機(jī)終端選用Android系統(tǒng)。Android手機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)成為市場(chǎng)占有率最高的移動(dòng)操作系統(tǒng),具有高度的開(kāi)源性,拓展性非常高,這點(diǎn)使得其他手機(jī)系統(tǒng)不能與其相比[8]。相比于其他系統(tǒng),Android系統(tǒng)開(kāi)發(fā)更容易,幾乎沒(méi)有什么門(mén)檻,因此,可以很快地開(kāi)發(fā)出自己的程序。

2.2 主控制器

    主控制器是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心,一方面負(fù)責(zé)接收來(lái)自手機(jī)終端指令消息并控制開(kāi)窗器來(lái)控制窗戶的開(kāi)關(guān);另一方面把窗戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋給手機(jī)。主控制器電路圖如圖2所示。主控制器主要由主控板、紅外對(duì)射式傳感器和無(wú)線發(fā)射模塊組成。

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2.2.1 主控板

    主控板選用的是四博智聯(lián)科技有限公司生產(chǎn)的ESPDuino板。該板是該公司基于ESP8266-13而開(kāi)發(fā)的,與Arduino UNO相兼容。該板采用ESP-WROOM-02貼片式WiFi模塊,相對(duì)于傳統(tǒng)的Arduino板,不僅省去了外接WiFi模塊布線的麻煩和費(fèi)用,而且還使得系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠、體積更小,在與網(wǎng)絡(luò)連接使用中具有廣泛的應(yīng)用。

2.2.2 紅外傳感器的選用

    本系統(tǒng)選用分離式紅外對(duì)射式計(jì)數(shù)傳感器。該傳感器為NPN常閉型,即有遮擋時(shí)輸出低電平信號(hào),無(wú)遮擋時(shí)輸出高電平信號(hào)。發(fā)射管工作電壓為5 V,工作電流為40 mA,接收管工作電壓為3~5.5 V,工作電流為100 mA,可方便與開(kāi)發(fā)板連接。其2~20 cm的有效檢測(cè)距離、2 ms的快速反應(yīng)時(shí)間,使其在系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用。

2.2.3 無(wú)線發(fā)射模塊的選用

    無(wú)線模塊具有體積小、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用在生活中各個(gè)領(lǐng)域。本系統(tǒng)選用的無(wú)線模塊工作頻率為433 MHz。433 MHz無(wú)線收發(fā)模塊為短距離無(wú)線通信模塊,由于該模塊的成本低、睡眠模式約為1 μA的電流消耗、小尺寸封裝和較少的外接引腳,使得其在物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信中被廣泛使用。該模塊還具有靈敏度高、繞射性能好、功耗低、穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.3 電動(dòng)開(kāi)窗器的選用

    電動(dòng)開(kāi)窗器選用的是上海鍇蔻電子科技有限公司的KK-LT-300電動(dòng)鏈條開(kāi)窗器。其工作電壓為直流24 V,工作電流為1 A,推拉力為400 N,行程距離為400 mm,速度為7 mm/s。其具有超負(fù)荷過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì);開(kāi)關(guān)窗時(shí)噪音低,雙層金屬鏈片設(shè)計(jì),運(yùn)行時(shí)更穩(wěn)定、順暢。開(kāi)窗器直接與窗戶連接,通過(guò)鏈條的伸縮來(lái)控制窗戶的開(kāi)關(guān)。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

    從手機(jī)終端發(fā)出控制指令到窗戶執(zhí)行指令,是依靠系統(tǒng)程序來(lái)完成的。系統(tǒng)程序是整個(gè)系統(tǒng)的核心,其程序流程圖如圖3所示。手機(jī)APP采用消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸(Message Queuing Telemetry Transport,MQTT)傳輸協(xié)議發(fā)送指令消息到服務(wù)器上,服務(wù)器打包消息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)到家里路由器,路由器經(jīng)WiFi方式把消息傳遞給主控制器,主控制器解析指令消息后經(jīng)無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送到電動(dòng)開(kāi)窗器的接收模塊,控制電動(dòng)開(kāi)窗器的運(yùn)行進(jìn)而控制窗戶的開(kāi)關(guān)。同時(shí)紅外計(jì)數(shù)傳感器不斷對(duì)電動(dòng)開(kāi)窗器鏈條節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)采集并依次發(fā)送到服務(wù)器上,服務(wù)器收到數(shù)據(jù)再一一推送給手機(jī)終端作為反饋信息。該系統(tǒng)程序主要包括兩部分:手機(jī)APP軟件程序設(shè)計(jì)和控制器的程序設(shè)計(jì)。

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3.1 手機(jī)APP軟件程序設(shè)計(jì)

    手機(jī)APP的設(shè)計(jì)采用的是Java編程語(yǔ)言,開(kāi)發(fā)環(huán)境為Android Studio。Android Studio是谷歌推出的新的Android手機(jī)集成開(kāi)發(fā)工具,用于Android手機(jī)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和調(diào)試。手機(jī)APP的設(shè)計(jì)一方面用于發(fā)送指令消息;另一方面用來(lái)接收反饋信息并更新。手機(jī)APP程序發(fā)送指令消息和接收反饋消息采用的是MQTT傳輸協(xié)議,其工作過(guò)程如下。當(dāng)點(diǎn)擊“打開(kāi)”按鈕時(shí),指令消息以MQTT協(xié)議的方式先發(fā)送到服務(wù)器上,服務(wù)器把指令消息經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到家里路由器,指令消息經(jīng)路由器推送到主控制器上,主控制器依據(jù)指令消息控制電動(dòng)開(kāi)窗器運(yùn)行、鏈條伸出,進(jìn)而打開(kāi)窗戶。同時(shí),紅外傳感器不斷采集數(shù)據(jù),并經(jīng)原鏈路反饋給手機(jī)終端,手機(jī)終端數(shù)據(jù)以1%的速度遞增,直到100%或收到“暫?!敝噶钕⑼V构ぷ?。反之,當(dāng)點(diǎn)擊“關(guān)閉”按鈕時(shí),手機(jī)終端數(shù)據(jù)以1%的速度遞減,直到0%或收到“暫?!敝噶钕⑼V构ぷ鳌R虼?,該手機(jī)終端控制程序的設(shè)計(jì)使得人們對(duì)開(kāi)關(guān)窗運(yùn)行狀態(tài)更加清楚、直觀,而且也使得人們更加方便地根據(jù)實(shí)際情況控制開(kāi)窗的大小。

3.2 主控制器程序設(shè)計(jì)

    主控制器的核心是ESPDuino板,程序編程采用的是Arduino IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境,編程語(yǔ)言為C/C++。主控制器的程序功能是:一方面用于接收來(lái)自手機(jī)終端指令消息并控制著電動(dòng)開(kāi)窗器執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作;另一方面把紅外傳感器對(duì)電動(dòng)開(kāi)窗器采集的數(shù)據(jù)反饋給手機(jī)。主控制器流程圖如圖4所示。主控制器收到手機(jī)終端發(fā)送的指令消息后進(jìn)行解析,根據(jù)解析的指令消息控制電動(dòng)開(kāi)窗器鏈條的伸縮,進(jìn)而控制窗戶的打開(kāi)、關(guān)閉動(dòng)作。同時(shí)紅外計(jì)數(shù)傳感器對(duì)電動(dòng)開(kāi)窗器鏈條節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)采集,并把采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為開(kāi)窗大小反饋到手機(jī)終端實(shí)時(shí)顯示。

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4 運(yùn)行結(jié)果

    打開(kāi)手機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接,使手機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)行手機(jī)終端控制應(yīng)用程序,當(dāng)點(diǎn)擊“打開(kāi)”按鈕后,電動(dòng)開(kāi)窗器鏈條伸出打開(kāi)窗戶,同時(shí)手機(jī)終端開(kāi)始接收紅外傳感器對(duì)電動(dòng)開(kāi)窗器采集的數(shù)據(jù),并在手機(jī)終端控制界面上顯示數(shù)值的累加變化。當(dāng)點(diǎn)擊“暫停”按鈕后,電動(dòng)開(kāi)窗器停止運(yùn)行工作,手機(jī)終端控制界面上的數(shù)值也停止累加,保持不變。當(dāng)點(diǎn)擊“關(guān)閉”按鈕后,電動(dòng)開(kāi)窗器鏈條收回關(guān)閉窗戶,手機(jī)終端控制界面上的數(shù)值不斷減少,直到電動(dòng)開(kāi)窗器運(yùn)行結(jié)束,關(guān)閉窗戶,手機(jī)界面值為0%。該程序在運(yùn)行中穩(wěn)定、可靠和反應(yīng)迅速,并且還可直觀地顯示出窗戶的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)的建筑用窗遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)開(kāi)窗模式,實(shí)現(xiàn)了用手機(jī)遠(yuǎn)程控制建筑用窗的開(kāi)關(guān),解決了人們生活中無(wú)法遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)窗戶的問(wèn)題。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了窗戶的遠(yuǎn)程控制,而且能在手機(jī)終端實(shí)時(shí)顯示窗戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及開(kāi)窗大小,使人們對(duì)窗戶的控制更清楚、直觀。

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楊志剛,劉繼文

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連116028)

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