多传感器融合技术的智能窗居系统设计

廖建宁 袁粼 唐浩权 马雪亭

摘要：以STC89C51单片机为主导的控制芯片，实现一种多传感器融合技术的智能窗居系统。该系统通过温度传感器、灰尘传感器等模块检测模块，对室内、外环境进行检测并进行自动的开、关窗户，实现防尘、通风、防晒等多个功能。该设计采用多传感器技术融合技术，具有一定的机电一体结构，使其整体结构性较强，成本低、使用便捷、维修方便等特点。利用太阳能进行供电装置，无需再提供电力，使得该系统具有一定的环保、节能性能。

关键词：防尘;灰尘传感器;温度传感器;单片机

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）04-0165-02

0 引言

随着电子技术的发展和人民生活水平的提升，智能化的窗居系统逐渐融入人们的日常生活。窗户是现在智能化安全防范的重要组成，智能化的控制系统，是一种具有智能化、现代化、人性化的现代高科技产品。现如今，人们工作繁忙、早出晚归，常常忘记关窗。当遇到恶劣天气时，可能会造成不必要的财产损失。现如今的传统手关窗已经已不能满足人们种追求高水平生活的要求。因此，就急需一种智能的、并能够在恶劣天气情况下自动关闭或者开启的智能窗户。

根据实际的发展情况来说，在未来智能化的窗居系统，可以为住户提供一个舒适、安全、智能的生活环境。依据南疆特殊地理因素所作的智能化窗居系统还存着一些可以优化的问题，在风沙、温度、光强等诸多环境因素的影响下，窗居系统的结构不光要满足简洁、高效、易实现，还要突出节约环保的理念。本设计通过传感器检测电路不断检测室内外的变化来控制窗户的开或关。利用灰尘传感器判断室外的灰尘情况，若室外灰尘达到设定值，自动关闭窗户，防止灰尘进入室内。根据情况天气情况，判断其室内外温度、室外光强的状况，若温度、光强达到设定值，自动进行窗户开与关。集多传感器融合技术，设计了一种新型的智能窗居控制系统。

1 智能窗居系统总体设计方案

系统控制框图如图1所示，本系统采用单片机STC89C51控制，通过温度传感器、光线传感器、灰尘传感器对数据进行检测，将信息传给STC89C51进行处理，STC89C51再控制电机的正反转，实现窗户的开与关。

2 系统硬件设计

2.1 单片机芯片方案选择

选择STC公司的STC89C51单片机芯片，STC89C51芯片是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，可以使用C语言编写的程序，具有8K系统可编程Flash 存储器。它通过光敏传感器、温度传感器、沙尘传感器发给单片机的指令，单片机控制窗户的电机，来控制窗户的闭合。其中的电力系统由太阳能电池板来供电。

2.2 光敏传感器

（在一定的光照强度范围内）当光照强度过高时光线照过传感器时电阻会变小，电流会变大，单片机通过电流的变化，进而来控制系统窗帘的闭合。当光照减弱后，光线照过传感器时电阻变大，通过的电流变小。单片机就会控制系统让窗帘拉开。

2.3 温度传感器

（在一定的温度变化范围内）当室内温度升高后，热电阻的阻值便会增加，通过的电流便会减小，单片机控制居家系统打开窗户进行通风降温。当室内温度降低后，热电阻的阻值便会减小，通过的电流便会增大，单片机控制居家系统关闭窗户进行“保温”。

2.4 沙（灰）尘传感器

此为一种灰尘传感器，其包括：风扇和感应器本体。它可以同时获得室内和室外的空气相关数据，采用同一个发光管发出光线，通过光学透镜组分别射入室内通道和室外通道，可保证相对数据的精确。风扇的设置使得传感器内外产生压力差，进而促使外部空气进入传感器内部。（在一定的沙尘变化范围内）沙尘在光的照射下会产生光的散射现象，在此同时，还会吸收部分光的能量。这样光强在这些的影响下会被衰减，如此便可检测浓度场的相对衰减率，而相对衰减率便能反应待测场的相对浓度。光强大小和经光电转换的电信号强弱成正比，通过测得电信号就可得到相应的衰减率。便可通过电流的形式给单片机传递信息，控制居家系统控制窗户的开关。

2.5 步进电机与行程开关

步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转化为角位移，给一个脉冲信号，步进电机就会转动一个角度，电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定，很适合单片机控制。

行程开关是一种小行的电流主令电器;若运动物体触碰到它时，触头动作进而实现接通和分断控制电路，达到控制的效果。步进电机是将电脉冲信号转变为线位移或者角位移的控制元件。通过这两个硬件结合，当窗户碰到行程开关时，步进电机就会自动的停止转动。

3 系统软件设计与实现

3.1 系统主控程序

运用Keil软件编写传感器控制程序以及步进电机控制程序。接通电源的时候，传感器就会进行初始化，STC89C51接收传感器检测到的信号，进而步进电机进行控制，单片机晶振为12MHz，工作电压为5V，如图2所示。

3.2 传感器和STC89C51的连接

当温度传感器检测到高温，D0口输出低电平， 从端口P2.3输入STC89C51，低温输入高电平， 仿真时用按键开关代替温度传感器;光敏传感器，其D0口与STC89C51的P2.4端口相连， 将光敏传感器检测到的信号传给单片机，对步进电机进行控制;灰尘传感器的TXD口接单片机的RXD端口。

3.3 步进电机与STC89C51的连接

由于单片I/O口不足以驱动步进电机，步进电机需要外接驱动器，驱动器端口连接STC89C51的P1.2～P1.7端口，步进电机采用4相混合式。

3.4 实现过程

根据传感器控制流程图，可知：当外界环境都是高温天气的时候，温度传感器将检测出来，自动将窗户打开;当外界环境是出于浮沉天气，烟尘传感器通过测试空气中的沙尘的浓度，进行判定，若浮沉大于设定值将进行关窗状;当外界环境出于高温和沙尘天气，将会优先考虑沙尘传感器，先执行沙尘传感器传输的信号，进行关窗状态。

4 结语

本系统设计基于STC89C51单片机的多传感器融合技术的智能窗居控制系統， 通过温度传感器、灰尘传感器、光敏传感器的输出信号对步进电机进行控制， 实现自动开、关窗。解决生活中无人在家时强光强温来袭或灰尘来袭无法关窗的困扰。该系统还采用太阳能电池板，能够为系统运行提供电源，此系统比较稳定、结构简单、使用方便、成本低、节能环保等特点， 普遍适合广大家庭、医院和仓库的使用。因此，多传感器融合技术的智能窗居控制系统，将在未来的使用前景会非常大，具有不可估量的潜力。

参考文献

[1] 邓长辉.传感器与检测技术[M].大连：大连理工大学出版社，2012.

[2] 万隆.单片机原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2014.

[3] 李硕，贾子庆，张明玮.基于多传感器的智能窗系统设计[J].电子设计程，2011，4.

[4] 李胜，多张还，佟春明，等.基于单片机的多功能智能窗的设计[J].青岛农业大学学报自然科学版，2010.

[5] 孙健.智能家居电动窗帘的设计与实现[D].机械工程与自动化，2012（2）：133-135.

[6] 谭健胜.浅析智能家居的发展状况[J].科技资讯，2013（18）：214-214，216.

[7] 王杰，杨晔，蔡剑文.基于单片机的智能窗户控制系统的设计[J].产业与科技论坛，2014 （12）：61-62.