基于Wifi控制的多功能高空窗设计＊

杨雪松，黄 宏

（西北民族大学电气工程学院，甘肃 兰州 730124）

基于Wifi控制的多功能高空窗设计＊

杨雪松，黄 宏

（西北民族大学电气工程学院，甘肃 兰州 730124）

本文提出了一种基于Wifi控制的多功能高空窗设计方案。该方案采用AT89S52单片机作为主控，手机APP借助Wifi可进行终端控制高空窗实现其功能。该高空窗基于多种传感器实现可感光式自动窗帘、自动清洗、湿度检测等功能。最后对其测试进行了讨论，证明了该方案的可行性。

高空窗；Wifi；传感器

1 概述

智能高空窗系统是由环境监测系统，安全报警系统[1]，雨刷清洗系统，硬件主控系统，信号传输功能，手机控制系统等具有相关辅助功能的装置构成。户内外环境中的光、热、光等物理量，通过相关的传感器转变为电信号，经Wifi模块传输，由手机接收经过APP智能处理运算和人为操控，从而可以实现高空窗定时清洗、防盗报警、自动开关窗帘、自动开关窗。智能高空窗能够根据环境中温度、光照、湿度、风速自动开关窗和窗帘，自动或手动控制进行清洗玻璃，监测是否有人通过窗户。这些功能的实现可以减轻人们的家务量并提高了家庭安全。

现在市场上的产品多是没有设计任何辅助功能的高空窗，或者是只有单一简单功能的智能化高空窗。此类高空窗功能单一，价格高昂且安全系数低，并且随着物联网时代的到来已经不再具有任何优势。

2 系统总体设计方案

智能高空窗项目是以步进电机电机正反转来控制窗户、窗帘的开关和以水泵引水清洗玻璃为基础，在此基础上通过AT89S52单片机为核心的处理模块对各个传感模块的输入量分析，得到外界环境情况，继而通过Wifi模块把信息传给手机APP,由手机端发出相关指令给单片机，单片机通过输出PWM波控制控制步进电机的转动和继电器的开关，达到关闭窗户、窗帘和驱动雨刷清洗玻璃的功能。整个系统分为用户模式与智能模式。用户模式下，通过手机APP可以远程控制窗户和窗帘的开关，而在智能模式下，窗户智能的通过外界环境量来判断。考虑到安全和一些特殊情况的原因，用户模式的权限要大于智能模式，这样可以防止用户控制与传感模块同时控制时出现的窗户的不稳定、在长时间没有使用用户模式时，系统将自动切换至智能模式。如图1所示。

图1 系统总体原理图

3 系统详细设计方案

3.1 硬件设计

3.1.1 主控结构设计

该结构以单片机主控板AT89S52为主控芯片，主要功能有I/O端口，逻辑处理判断，外部电路驱动及A/D采样，是前端采集应答智能化的集中体现。各路传感器和电机继电器都直接与单片机连接，且供电线都与单片机VCC和GND引脚相连以提供5V工作电压，信号端与单片机的可编程输入/输出引脚相连接。除了实现对外部电路的控制和信息处理，还实现着与手机软件的信息交互，如图1所示。

图2 主控结构局部连接电路图

3.1.2 环境监测传感器结构设计

为了监测室内外环境因素的变化，使用了光敏传感器、温度传感器、湿度传感器、风速传感器、人体红外传感器[2]。这些传感器直接连接在单片机上，电源接在单片机VCC和GND引脚。可直接把数据传给主控芯片。

情景设计如下：当外界刮大风，风速传感器检测到大风信号并转换为电信号将信号传送给单片机；当室内可燃性气体、烟雾等超过一定的标准时，烟雾传感器会检测到空气中的烟雾信号转换为电信号后传给单片机；当窗户外有人驻留时，阻断了红外线探测器的发射接收通路传给单片机的电位发生变化。

3.1.3 窗体结构

窗体采用常见的下悬式结构，窗户开起方式由自动与手动开启相结合，动力由20kg扭力电机提供，由36v锂电池组提供电能。这在很大程度上对人们开关窗提供了方便，尤其是远程操作可以合、关闭窗户，且具有很高的安全性。

3.1.4 辅助机械结构设计

1)自动雨刷装置:继电器工作接通电源，电机进行工作，带动雨刷从窗体边缘运行，至另一边缘自动停止，然后电机带动雨刷做往返运动，进行清洗。由玻璃顶部喷头向下喷洒水，可以对玻璃进行润湿。

2）雨水收集净化装置：窗户外部另置集水槽来收集雨水，通过过滤净化装置储存在窗体内部小型水箱。当雨刷工作时，在程序的作用下启动水泵进行玻璃润湿，很好的反补了雨刷清洗玻璃时的润湿问题，实现水资源的重复利用。采用的36V小型水泵由家庭交流电变压供电。

3)自动窗帘装置：窗帘为普通窗帘，由光敏传感器实时监测昼夜更替与光线的强弱或通过Wife手机端控制，启动继电器开关接通电源，电机就会带动窗帘自动降下或升起。

3.1.5 Wifi传输模块设计

功能是将串口或TTL电平转为符合Wifi无线网络通信标准[3]的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11b.g.n协议栈以及TCP/IP协议栈。此模块置于窗体旁，实时将各模块采集的数据经单片机通过Wifi电磁波发送至信号覆盖区域的手机上。手机返回指令通过Wifi发送到单片机，单片机再向下一级传递指令，如图3所示。

图3 Wife模块部分电路图

3.2 软件设计

手机APP软件是在eclipse集成开发环境中编写完成，能够安装在安卓手机等移动终端的监控界面，可在手机上点击、触摸屏幕发送指令，让窗户自动擦洗、自动开关、并返回传感器的实时监控数据。将手机连到wifi网络，打开APP软件，随后软件自动监听并转Wifi的IP地址和端口。此时有节点网络之后，在软件的配置界面里面出现未配置的节点，我们点击配置，设置参数、修改名称之后，在界面上就会显示这个已经配置好的节点。

随后软件自动按照配置好的参数进行指令下发和其他的操作。例如温度、湿度、光敏、风速和人体红外我们设置采集周期为5s，则软件没间隔5s，则通过Wifi下发一次获取这些数据的指令，随后就可以收到这些数据了。得到数据后可以与原设标准值作对比，由主控端自动或人为通过手机APP对窗户开关、窗帘开关、雨刷开关进行控制，且人体红外传感器的数据必须返回给手机APP，以方便对家庭安全的监管，如图4所示。

图4 软件总体工作流程图

4 系统整体测试

为了检测光敏电阻传感器、温度传感器在实际运用中的性能，对于不同距离上的光热进行响应特性的测试，测试结果表明所选用的硬件模块能够长距离、长时间进行稳定可靠的工作，其响应的速度在2s内，能够满足现场的使用需求。

对于湿度、风速传感器在通风状态下进行湿度、风速的特性测试，结果表明所选用的传感器能够对于空气水分与风速有着较显著的灵敏度，并能满足后续的电路要求。

对于人体红外传感器，进行了现场的环境实验和红外测量与测定实验，测试中，能够对3m一内的人进行感知，而对3m以内的鸟类或家庭宠物没有感应。结果显示系统的感应性度好，系统的抗干扰性能良好，能够正常工作，能够适用于不同的场景[4]。

5 结论

本文提出的基于wifi的多功能高空窗功能多样，操作便捷，智能化程度高。作为智能家居中的智能窗，其应用前景，随着人们生活质量的提高，毋庸置疑是极为广泛的，相信智能窗能够为人们营造出一个更加方便智能的生活环境。当然更广泛的应用是建立在系统的集成化和稳定性性能有更大提高的基础之上，因此如何提高本设计的性能将是未来研究的主要方向。

[1] 黄凯.无线家居安防报警系统设计[D].辽宁工程技术大学,2008.

[2] 梁光清.基于被动式红外探测器的人体识别技术研究[D].重庆大学,2009.

[3] 孙润.基于WiFi智能家居的网关设计[D].西安工业大学, 2015.

[4] 程杰，黄鸿.传感器与检测技术[M].高等教育出版社,2001.

TP399

西北民族大学2016年度实验室开放项目(SYSKF-2016088)。