智能窗控系统的设计与实现

（重庆工商职业学院 重庆 401520）

1 引言

随着科技的发展，人们对生活的追求除了舒适、便捷以外，还有朝信息化、智能化发展。物联网时代的到来，促使人们追求更加舒适便捷的生活，因此诞生了各式各样的与生活相关智能化家居，智能窗控系统就是在这样的背景下孕育而生。当前智能办公、智能教育等场所中采用的窗控系统大多为原始的手动窗控系统或半自动窗控系统，利用人体红外感应等模块控制窗户与窗帘，这种类型的智能窗控系统没有考虑空气的质量，不能根据天气是否晴朗、光照是否充足等外界环境参数变化自动实现窗户与窗帘的智能控制，其智能化程度不高，应用上存在一定的局限性。基于此，本文设计了以STM32 单片机为核心，搭载光强传感器、温湿度传感器、雨滴传感器、PM2.5 传感器以及电机等器件的智能窗控系统，该系统能够根据外界环境参数变化自动驱动电机实现窗户与窗帘的智能控制，真正实现窗户与窗帘的智能化控制。

2 系统总体方案设计

系统总体设计框图如图1 所示，系统以STM32F103 单片机最小系统为控制核心，主要处理各类型3 传感器所采集的外界环境数据，并对控制窗动电机驱动模块下达相应的控制指令。传感器模块主要由温湿度传感器模块、PM2.5 传感器模块、光强传感器模块、雨滴传感器模块等组成，用于采集室外环境中的光强、温湿度、PM2.5 等各类数据，并将检测到的数据传输至单片机处理器进行处理。电源模块的主要功能为单片机控制模块、传感器模块以及电机驱动模块提供电源。电机驱动模块的功能是根据单片机控制模块发出的指令对窗户与窗帘进行控制，实现窗户与窗帘的开关。远程控制端的主要功能由WiFi等无线传输设备组成，可以将数据传输至云平台，也可以通过串口显示。按键式参数输入模块主要功能为设置日期、时间、定时开关，根据用户的需求调节光强度、PM2.5 值、温湿度的对比参数。

图1 系统设计框图

3 系统硬件设计

本文设计的智能窗控系统其硬件组成部分主要由如下4 个：

3.1 传感器模块

本文设计的智能窗控系统主要运用的传感器有数字光强传感器模块、数字温湿度传感器模块、PM2.5 传感器模块、雨滴传感器模块这四种传感器进行室外环境参数检测。各种传感器的型号、参数、特点等如表1 所示。

表1 传感器参数表

3.2 窗动（帘动）电机驱动模块

本设计选用ULN2003 五线四相步进电机驱动模块作为智能窗控系统的窗动（帘动）电机驱动模块，ULN2003 电机驱动芯片和5V 的5 线4 相步进电机组成，利用电机模块控制电机的正反转以实现窗户与窗帘的开关。

3.3 远程控制模块

远程控制端的主要功能由WiFi 无线传输设备以及上位机构成，可以将数据传输至云平台，通过云平台实现对窗户与窗帘的远程控制。

3.4 电源模块

在智能窗控系统中各功能模块连接方式为并联，各类模块所需电压均为U=5V，电流为各功能模块所需电流之和，单片机最小系统的供电方式为USB 供电，供电电压U=5V、电流I=500mA。在本设计中各支路所需电流如表2 所示；

表2 智能窗控系统硬件系统各类功能模块电源需求表

4 系统软件设计

本文选用的KeiL uVision5 为软件开发平台，采用模块化的设计理念，根据不同的环境需求添加相应的功能软件模块。本设计中包含了八大功能软件模块，分别是主程序、温湿度采集程序、光照强度采集程序、雨滴传感数据采集程序、PM2.5 传感数据采集程序、定时功能程序、窗动（帘动）电机驱动程序、远端控制程序等，所有的功能模块都写成子程序，主程序中调用相应的子程序实现具体功能，系统主程序如图2 所示。

图2 智能窗控系统主程序流程框图

子程序主要获取光照强度数据、温湿度数据、PM2.5 值数据、雨滴量等感应数据，并与系统预设值进行比较，进而判断是否开启窗户或窗帘。例如系统将采集的光照强度数据、PM2.5 值数据、温湿度数据、雨滴量等数据进行分析处理，当光照强度数据达到经过按键输入的预设值后，系统会向帘动电机发送指令，系统电机开启窗帘；当雨滴传感器采集到室外存在下雨天气后，输出高电平到单片机中，系统将会控制窗动电机关闭窗户，如果主人出门在外，出门忘记关窗或天气突然下雨，房屋主人可以通过访问云平台，通过云平台查看窗户的状态，并向系统发送指令，关闭窗户。雨滴传感器控制流程图如图3所示，其余功能子程序与之类似。

5 系统测试

在本设计中，分别对智能窗控系统的硬件系统与软件系统进行单独的调试与验证后，得出的结论是智能窗控系统的硬件系统和软件系统验证通过，主要测试内容如下：

（1）通电测试。检查硬件系统中是否存在线路脱落和各硬件模块是否存在端口接错等问题后进行通电测试，然后再利用万用表测试各测试点的电流、电压，查看测试结果是否符合要求。

（2）各模块功能测试。系统硬件电路没有问题后，对各模块功能进行测试。测试时选择单个模块单独测试，确认一个模块功能没有问题后再测试其他模块功能。将光强传感器遮住，使其处于无光环境中，系统的帘动电机反转，可以实现开启窗帘；将光强传感器置于强光照下，系统的帘动电机正转，可以实现关闭窗帘。将温湿度传感器、PM2.5 传感器、雨滴传感器置于不同的环境中，窗动电机可以实现开启或关闭窗户。

图3 雨滴传感器控制流程图

（3）系统整体功能测试。各模块功能测试无误后进行系统整体功能测试，所有的功能模块都通上电后，将系统置于多种不同的环境中，模拟真实的环境，测试系统的整体功能是否正常。

经多次验证，智能窗控系统数据传输稳定，各功能模块运作正常，整体设计符合要求，达到了预期设计目标。

6 结束语

随着科技的进步以及智能家居的发展，更加智能化、便捷化、多样化的智能窗控系统将会逐渐替代现有的产品，人们的居家生活将更加舒适、方便，未来智能窗控系统将有着广阔的应用前景和市场范围。只有不断创新与尝试，开发功能更为完备、系统更为稳定的、使用更为便捷、科技含量更高的人性化智能窗控系统将会吸引更多的消费群体，并占据市场领导地位。