基于Proteus的家用智能门窗控制系统的设计

赵浩然 董小燕 龚斌

摘  要：本文简要介绍了一款智能门窗控制系统的结构和功能。基于“机器判断+人工决策”，设计了一套功能丰富的门窗远程控制系统。该系统以STM32F103ZET6单片机为核心处理器，配以各种传感器、GSM物联网平台等，最终实现远程智能控制门窗开关的目的。其造价低廉，适合任何家庭使用。

关键词：智能门窗;单片机;传感器;远程控制

Abstract：In this paper，the structure and function of an intelligent door and window control systemwas briefly introduced. Based on “machine judgment and manual decision”，we designed a set of functional remote control system for doors and windows. It took STM32F103ZET6 SCM as the core processor，and was equipped with various sensors，GSM internet of things platform，etc.，so as to realize the purpose of remote intelligent control of door and window switch. It was cheap and suitable for any family.

Keywords：intelligent door and window;SCM;sensor;remote control

0  引  言

在智能化产业日新月异的今天，很多智能化电器已经步入寻常百姓家，如智能电风扇、智能空调等。在《中国制造2025》和《“十三五”国家科技创新规划》等战略的响应下，制造业的发展特别迅猛，尤其是智能制造类产品越来越多地出现在人们面前。但在门窗等传统家具方面，智能制造业的发展却相对缓慢。现阶段智能化门窗普遍设计复杂，装配繁琐，造价高昂，并不适合普通家庭使用。基于这样的原因，我们希望利用单片机、传感器等器件，设计出一套造价低廉且可以步入寻常百姓家的智能门窗控制系统。

1  “机器判断+人工决策”下的门窗控制模式

机器判断是区别智能化与非智能化的重要参考依据，机器基于当时的数据通过计算生成一系列结果的过程称之为机器判断。而现阶段，各种人工智能及机器系统发展不完善导致了一些事故的出现，为了降低事故概率，我们引入人工决策这一重要概念，将人工决策作为防止机器判断出现故障造成灾难的“最后一道门槛”。

我们设计的系统以STM32F103ZET6单片机为核心处理器，配以各种传感器、GSM物联网平台等，最终实现各类传感器对当时的天气、温度、湿度等数据进行智能控制门窗开关的目的。基本电路图如图1所示，该系统先判断是否需要对门窗进行某项操作（开关窗、窗口开大开小等），接着会生成一个短信发送至用户的移动设备，这时用户可以根据该条提醒决定是否执行该操作。

区别于人工判断，机器判断是机器本身对当时的数据进行的判断，这是系统智能化的重要体现。机器的数据库存储足够多的数据，然后将传感器中收集到的数据与数据库中的数据一一对比，最后给出对比数据相同（或相似度超过85%）的一组判断。我们可以预先在单片机中设置一个储存各种天气数据的储存卡，当系统运作时，随时将传感器信息与数据库信息进行对比，最后将机器判断结果以及系统建议一同以短信形式推送至用户手机，由用户决定对窗户采取什么样的操作，系统执行程序图如图2所示。

人工智能技术的出现对各类产品产生了非常大的冲击。特别是人工智能的深度学习能力。例如，在2017年5月的中国乌镇围棋峰会上，一款名为“阿尔法围棋”的人工智能机器人以比分3：0击败的世界排名第一的围棋选手柯洁。人工智能技术马上席卷全球。而“阿尔法”人工智能机器人的赢点就在于其深度学习功能。因此，我们希望将将人工智能用在本文设计的这个系统上。数据库的数据越多，机器判断越精准，但是数据库中的数据一定是有限的，如果遇到有些没有预先收集到的情况要如何解决？这就需要利用人工智能的学习功能。机器判断只能给出收集的数据与数据库中的数据相似度超过85%的判断。当数据相似度小于这一百分比时，系统的工作模式直接转变为人工决策模式，而后将人工决策后的操作存入数据库，之后再出现这种情况后就可以进行機器判断功能了。另外，各种数据在征得用户同意的情况下进行联网上传，可以逐步增强数据库的准确程度。

2  移动互联下的智能门窗功能实现

在各种智能手机普及度极高的时代下，将该系统加入移动互联的范畴是不可或缺的。移动互联下的智能门窗应该实现以下功能：

2.1  遥控与智能控制功能

我们分别针对三种情况实现对门窗的遥控功能，遥控与智能控制功能对应表如表1所示。

首先是用户在家中的情况。可以将手机蓝牙与系统连接或通过单片机遥控器的模式进行连接。目的在于让系统的自我学习功能发挥作用，在该情景下，用户可以根据实际情况对门窗进行操作，系统根据用户的偏好不断更新数据库，从而达到让系统更智能的目的。

其次是远程控制，远程控制正如上文所说，当机器判断需要更改窗户所处的状态时，会自动生成一条信息发送至用户手机，用户根据信息提示即可对门窗进行操控。这条信息中包括各传感器在信息发送时的实时数据以及机器判断的结果，由用户来决策对门窗采取什么样的操作。

最后是完全智能化控制。当上述两种操作都长时间无用户响应的情况下，系统将会执行机器判断给出的最优解，尽最大可能减少用户忘记对门窗进行操作而造成的损失。

2.2  防盗功能

为了保护一个房屋，我们设置了门窗，如果我们永远不对门窗进行开关操作，那么门窗便失去了其存在的意义。但是如果打开了门窗，就存在家中被盗的可能。所以现今的房屋门窗基本上都是通过加装防盗栏杆来达到防盗的功能的，但是在遇到紧急情况时，这些防盗栏杆就成了阻挡逃生的“拦路虎”。

基于这个现状，我们对所设计的系统安装了红外传感器，当门窗处于开启状态时，该传感器进入工作状态，如果有疑似人员进出，系统会生成一条短信发至用户手机并激活房屋中的蜂鸣报警器对其进行驱逐。系统一方面可以与物业联网，若有可疑人员进入，系统将自动联系物业部门;另一方面还将加入家居摄像头等控件，当有可疑人员进入时，系统会直接将摄像头等图像传至用户手机，由用户决定是否报警或联系物业部门。

3  传感器的功能实现

在设计之初，我们采用Proteus8.0软件进行仿真设计，在此过程中，可以方便地观察传感器与配置电机之间配合的程度。传感器数据是系统进行机器判断的重要参考依据，相当于系统的“眼睛”，所以要针对不同的功能选择合适的传感器，传感器工作程序图如图3所示。

3.1  环境监测功能

空气质量是现今人们关注的重要指数。同样地，空气质量也是衡量是否适合开窗通风的重要依据。可以说，现如今，门窗的开闭与空气质量息息相关。

实现环境监测功能的關键是加装各种气体传感器，目前我们的系统中设计安装了PM2.5传感器、一氧化碳浓度传感器、二氧化碳浓度传感器。其中，第一种传感器是用来收集门窗之外的数据的，后两种是收集门窗内部数据的。如果门窗外的PM2.5浓度过高，系统将生成信息通知用户建议关窗。但是如果门窗内部的二氧化碳、一氧化碳高于危险浓度，系统会自动执行开窗动作，并激活蜂鸣器提醒内部人员。未来可将系统与国家环境局的空气质量数据进行同步，更精准地收集PM2.5的相关数据，传感器的功能实现图如图4所示。

3.2  天气监测功能

天气监测主要依据温度与湿度两个传感器。温度传感器可以收集温度，而湿度传感器可以收集当时的空气湿度。当有降雨天气时，湿度传感器可以收集数据。当湿度数据提示该地区正在降雨时，系统将会生成信息通知用户，并且请用户进行决策。未来可将系统与国家气象台数据共享，可以直接采用气象台数据，以传感器为辅助，可以更精准地控制门窗，传感器的功能实现图如图4所示。

4  结  论

随着科技的进步，在单片机的基础上可以实现更多的软件控制硬件的功能，未来系统可以与更多的智能化家居同步，比如智能摄像头、智能灯具、自动化窗帘、空调、空气净化机等等，这样可以构建智能化家居生活的成熟模式，从而使普通家庭也可以享受智能家居带来的便捷。

参考文献：

[1] 陈忠平.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真（第3版） [M].北京：电子工业出版社，2015.

[2] 何静.人类学习与深度学习：当人脑遇上人工智能 [J].西南民族大学学报（人文社科版），2017，38（12）：84-88.

作者简介：赵浩然（1999.08-），男，汉族，山东济南人，本科在读，研究方向：电子技术及自动化控制;通讯作者：董小燕（1978.11-），女，汉族，江苏盐城人，硕士，高级实验师，研究方向：量子光学研究及大学物理实验教学法。