基于物联网信息平台的智能窗户设计

范文良，李兵尚

（1.国家检察官学院，北京 102206；2.海军潜艇学院，山东 青岛 266042）

0 引言

随着科技的进步和人们生活水平的提高，智能家居的概念越来越深入人心，人们希望自己的住宅可以更舒适、更安全、更科学、更智能。智能窗户作为智能家居的重要组成部分，必将成为未来人们对窗户的主要需求和发展方向[1-2]。

窗户是室内与外界交流的通道，智能窗户的设计，将为人们的健康生活提供良好的环境监护，它可以自动开启进行新鲜空气的置换，当遇到大风、下雨、空气湿度大等天气变化时，它能自动关闭；当有外物撞击窗户或穿越窗户时，它能准确地感应并发出报警，同时以短信的形式通知用户；当室内有害气体（如一氧化碳、甲醛等）超标时，它能判断超标值的大小及危害程度，并自行决定出窗户开启幅度的大小。诸如此类的环境及设备状态信息，由智能窗户的核心控制模块处理，然后通过物联网，最终将信息推送到用户的手机，用户还可以做出判断，并通过手机平台进行干预和遥控。

1 系统整体设计方案

如图1所示，整个智能窗户系统由窗户本体及机械传动机构、ARM控制核心模块、供电模块、传感器模块、物联网及用户终端（如手机）组成。ARM控制核心模块通过机械传动机构实现不同方式窗户本体的开启和关闭，通过传感器模块采集室外大气湿度、室内有害气体、大风、窗体振动、窗户开关状态等信息。手机终端通过通信模块、物联网、无线传输模块与核心控制模块建立信息交流和用户指令的下达。供电模块为整个智能窗户系统提供电力保障。

图1 智能窗户系统框图

1.1 窗户本体

窗户可采用平移式或转动式，例如参考文献[1]采用的是平移式，参考文献[2]采用转动式，根据窗户的开关方式选择相应的机械传动机构模块。机械传动机构的设计应综合考虑小巧、可靠、运行噪音低、易维护、成本低等诸多因素。窗户开关的动力来自电机，对窗户开启幅度的精确控制宜采用步进电机[3-5]，由ARM控制核心模块直接发送控制指令控制步进电机的转速、转向和步数，经传动机构实现窗户本体的自动平移或转动。

1.2 ARM控制核心模块

ARM控制模块的内部组成如图2所示，基于utu Linux嵌入式操作系统开发，以32 bit ARM920为内核，工作频率400 MHz，JTAG调试模块为用户对主控模块进行调试和二次开发提供端口。为了提高嵌入式操作系统运行的速度和效率，ARM920核心控制芯片扩展了32 MB SDRAM静态内存作为程序数据运算的暂存空间，硬件基于HY57V561620RT-H芯片开发。外扩的64 MB Flash可擦写存储器用来存储系统掉电后仍需要保存的代码和数据，也是嵌入式操作系统固化程序的存储空间，硬件基于K9F1208UOM芯片开发。

图2 ARM控制核心模块

1.3 供电模块

供电模块可根据用户用电的现有条件选用。可采用220 V方式供电，但要考虑意外情况断电问题。如果发生意外断电，控制模块应能感应到并做出判断，紧急启用其备用蓄电模块的电能将窗户关闭。还可以在条件具备的情况下，选用太阳能或其他方式供电，将太阳能转化为电能储存在蓄电池中，为整个系统供电。

1.4 传感器模块

传感器模块可根据用户的要求量身定做，采用模块化的设计思想，对于特殊要求要选用满足感知灵敏度需要的传感器，费用会提高。通常情况下，用户会有以下需求：当室内空气不清新时，需与户外空气置换（可以为用户干预模式）；当窗户处于开启状态遇到大风时，需关闭；窗户被外物撞击或有人要翻窗而入时，智能系统及时向用户发出报警信息；窗户处于开启状态，但户外湿度过大或下雨时，需关闭窗户；室内有害气体（如甲醛等）严重超标时，需提醒用户，并自动应急开启，但需感知窗户开启的幅度并进行控制。根据用户的可能需要，开发各种传感分模块，针对具体用户，只需将分模块插合于总线端子上即可。如对大气温湿度的感知由温湿度测量模块完成，可选用SHT10传感器芯片，每秒进行3次测量和数据记录，数据精度选择12 bit。SHT10传感器芯片是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全量程标定数字输出。芯片内部集成一个用能隙材料制成的温度敏感元件和一个电容性聚合体湿度敏感元件，通过12 bit A/D转换器和串行接口传送测量数据。温湿度测量模块初始化时，使用Linux 2.6内核函数将设备注册到ARM内核。

1.5 用户终端模块

用户终端模块包含通信模块（其接口协议并入并可搭载联通、移动、电信等网络平台）、物联网、物联网与ARM控制核心模块进行信息交流的无线传输模块。其中ARM控制核心模块经无线传输模块、物联网、通信模块与终端手机平台进行监控信息的交互及控制指令的下达。

2 系统程序设计

如图3所示，智能系统启动后，先进行设备模块端口初始化，然后进入系统自检，自检通过后，主控模块对传感器通道进行选择、数据采集，同时根据用户的控制指令（若无控制指令，则按照既定程序判断）以及监控的窗户当前状态信息，进行数据存储、分析，处理信息通过物联网传至手机平台，用户可以观察信息，并进行人工干预，同时，控制核心模块发出窗户的开启、关闭等控制指令，驱动机械传动机构动作，使窗户开启或关闭。

图3 智能窗户系统程序设计框图

ARM智能窗户控制核心程序基于Linux 2.6开发平台，该软件具有图形界面良好、网络资源丰富、内核可定制等优点。Linux 2.6编制的程序具有实时性强、方便移植、可内存共享以及I/O系统优化等特点[6]。嵌入式程序设计采用模块化结构，主要包括主程序模块、数据采集模块、温湿度误差补偿模块和上位机响应模块等。对传感器的误差补偿采用软件实现比硬件方案方法更简单、更灵活而且更稳定。

3 结论

本文设计的智能窗户系统，通过物联网与用户终端建立人窗交流，智能模块能自动采集传感通道信息，对大风、下雨、空气置换等做出判断，可完成原来需人工思考才能完成的事情，控制窗户的开启或关闭，监控窗户的实时状态信息，并且可根据用户的要求，即所要监控的室内、室外环境因子，量身定制智能窗户的功能模块。随着智能家居的发展，智能窗户作为其不可或缺的组成部分，必将对提高人们生活质量起到重要作用。

[1]何刚，冯启明.一种智能平移式窗户启闭器的设计[J].机电技术，2011，12（6）：85-86.

[2]苗现华.智能化窗户的设计[J].江西科学，2014，32（1）：114-117.

[3]陈居现，李英堂，李英勇.基于步进电机的一种运动控制系统设计[J].电机与控制应用，2012，39（11）：26-27.

[4]顾瑞娟，王宇，张善从.基于FPGA的步进电机驱动控制系统设计[J].计算机工程与设计，2012，33（1）：111-115.

[5]石星星，吴洪涛.基于专用控制芯片的步进电机运动控制系统设计[J].电子设计工程，2012，20（9）：130-133.

[6]韦东山.嵌入式Linux应用开发完全手册[M].北京：人民邮电出版社，2008.