基于Arduino的一种多控制式智能窗帘设计

林彬炜 李斌鸿 熊昌炯 韩沛暄 黄彬

摘要：传统窗帘和智能窗帘有很大区别：家用传统窗帘通常需要人为操作，而智能窗帘是由智能系统自动控制或通过预定程序来控制。因为这些差异，在实用性和便捷性等方面智能窗帘是优于传统窗帘的。本次所设计的智能窗帘设计是基于传统收拉窗帘的方式，以Arduino为智能网关，安装了光敏电阻、蓝牙模块等传感器，设置自动模式，利用光敏电阻检测外界光照强弱实现窗帘自动收拉，除了手机控制、自动模式之外还可通过Wi-Fi联网，实现人不在时也可远程控制，将温湿度的实时数据传输至云端的功能，从而可通过手机监控房间实时的温度与湿度信息，通过显示模块与人交互，来计算人的真实体感温度，使人们的居住环境更加智能化。

关键词：智能窗帘；自动控制；Arduino；DHT11温湿度传感器；HC50蓝牙模块

中图分类号：TP391       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）30-0041-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

随着电子信息技术，控制技术的日益提升，信息化社会在改变人们生活习惯和工作方式的同时，人们对家居的要求早已不再只是简单的物质空间[1]，更为关注的是一个高度安全、舒适以及美观方便的居住环境，先进的通信设施，完备高效的信息终端，自动、智能的家电，网络化的资源管理及购物方式等。现今社会人们日益膨胀的需求使得家居智能化已然成为一种趋势。随着智能家居的逐渐普及，不同的智能家居具有不同的价值，对于不同的消费群体来说将会有更多的选择，但实用性往往是消费者最先考虑的。以下是基于Arduino设计的一种多控制式新型智能窗帘，其结构简单、使用方便、稳定性好、使用寿命长、故障率低。通过自动检测天气情况和人工通过蓝牙控制实现自动控制窗帘收放的功能。

新兴设备也更能够吸引潜在客户，带给客户更好的体验。产品在机构设计中也根据需求最大限度地简化其结构，降低了成本，还可以通过此设计理念衍生出更多产品，因此具有一定的市场价值和消费群体，从而印证了本课题的研究意义。

2 方案设计

2.1 工作原理

该产品由窗帘布、滑轨、57电机和智能网关等部分组成。与传统窗帘相比较，智能窗帘的核心部分即智能网关，具有接收和执行用户发送指令的功能，Arduino板接收各传感器的数据信号并对其进行数据分析，然后下达指令，驱动电机转动滑轨转轴，转轴带动窗帘实现多智能化自动控制窗帘打开和关闭[2]。

2.2 硬件搭建

实现窗帘的自动化就必须含有以下功能：数据的读取、按钮控制和用于打开和关闭窗帘的限位器。

图3所示的光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光信号经过光敏传感器收集转换成电信号馈入Arduino板中，Arduino根据反馈的亮度大小做出计算分析窗帘是否开关的情况。亮度判断依据如下：当亮度处于0～100时属于偏暗；当亮度处于100～200时属于正常光；当亮度处于200～500时属于偏亮。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。

图4所示的HC-50是一个蓝牙模块，连接到微控制器的串行端口，允许微控制器通过蓝牙连接与其他设备通信。模块本身可以在主从模式下运行，并且可以用于各种应用，例如：智能家居应用、远程控制、数据记录应用、机器人和监控系统等。智能窗帘的第二种功能便是通过手机App与蓝牙模块连接，以指令的接收和执行控制窗帘的开关。当手机App发出指令1时为窗帘拉上状态，由步进电机驱动转轴正转，转轴上连接的工作滑块也随之往左移动，工作滑块上安装有菱形伸缩架，菱形伸缩架一端与限位器固定，下方有钩子可挂窗帘，工作滑块移動时将带动菱形伸缩架移动，下方的窗帘随着菱形伸缩架的移动组件逐渐被拉上使之达到关窗帘的效果；当使用手机App输入另一个指令2时，即可让电机反转从而将窗帘反向拉回去使之达到开窗帘的效果，实现一种远程控制窗帘开关的功能。

Arduino不直接控制步进电机，因此选用DM542控制电机驱动联轴器带动转轴转动，从而拉动窗帘。DM542型细分型两相混合式步进电机驱动器采用直流18V～50V供电，适合输入电压为24V的57步进电机，低速运行很平稳，几乎没有振动和噪音。

综上，智能网关是采用Arduino为控制核心的系统，由降压器（220V→24V）、备用电池充电模块、电源开关、HC-50蓝牙模块、光敏电阻模块、DM542驱动和57电机等组成，如图6所示。

2.3 工作流程

如图7所示为窗帘自动控制系统工作流程。自动模式是智能窗帘设计最为重要的一部分，核心程序会根据具体的光照环境，自动控制窗帘的打开/闭合：当室内亮度高时，窗帘将自动闭合；当室内亮度暗时，窗帘将自动拉开。当遇到停电等情况时，还可切换为手动模式，电流启动阀值设定为200，当超过阀值时，电机将带动窗帘开关/闭合。并检测红外模块数据，确定限位位置。

3 方案改进设计

综上所述，以上设计能够达到两种预期效果，一方面可通过自动控制模块控制窗帘以调节室内亮度；另一方面实现远程控制窗帘的开关。除了App控制系统、自动控制系统之外还设有手动系统，当意外发生时拨动开关即可控制电机正反转，起到了安全保护作用。正常情况下该装置使用插座供电，在停电的时候将切换为备用电源供电，使停电时依旧可以自动控制窗帘。如图8所示，在原有方案设计基础上增加了两个创新：

1）由于Arduino还留有算力及接口，可再加上DHT11温湿度传感器，通过显示模块与人交互，由于温湿度是影响人体感温度的主要因素，所以将通过虚拟终端计算出人体的真实体感温度。

2）将蓝牙模块替换为Wi-Fi 模块，与使用蓝牙模块的功能相比，实现人不在家时可远程控制窗帘，范围更广，还可以通过互联网将温湿度实时数据传输给手机，通过手机监控房间实时的温度与湿度信息。

在Wi-Fi模块的设计中，使用ESP8266Wi-Fi模块作为数据通信模块，将Gizwits固件下载到模块中，使用MCU串口与模块通信，并连接到Gizwits移动App。在使用过程中，使用手机连接Wi-Fi，通过App配置模块的网络，并提供模块的Wi-Fi连接。关闭电源并重新启动模块，以自动连接到当前配置的Wi-Fi。

温湿度传感器设计。DHT11数字温湿度传感器专门用于监测周围环境的温湿度情况[3]，和COM8处理核心元件进行数据传输工作，利用周围环境中的水分影响其电阻值的方式测量湿度，利用NTC电阻对温度比较敏感的特性测量温度。调试时的精准数据会被其收录在存储器中，以便工作时对照分析。又因为只有一个核心数据传输接口，因此能够精确地集中数据并传输到指定位置。由于小体型和消耗资源小的特点，可以应对各种复杂严苛的程序，其集成了4针引脚，以便连接。如图9所示，温湿度传感模块由Arduino328开发板、DHT11温湿度传感器、串口模块组成，还放置了虚拟终端，用来观察串口输出的数据。

4 机构设计

如图10所示，基于传统收拉窗帘的方式，设计了双光轴滚珠丝杆滑台，具有传动效率高的特点。其结构包括：①机架导轨体；②工作滑块；③精密滚珠丝杆；④铝型材底板；⑤多连杆机构组成的菱形伸缩架。选用⑥57步进电机通过⑦法兰片和⑧联轴器与滚珠丝杆连接，工作滑块与菱形伸缩架通过铆钉连接。取代了传统机型上复杂的滚轮架机构，进一步简化滑动机构，从而保证在工作滑块推动菱形四杆机构在机架导轨体中作伸缩滑动过程中的流畅性。针对市面上的自动窗帘装置中的导轨结构复杂、使用旧吊轮之间直接接触摩擦的因素导致磨损，影响使用的缺点，本产品在原有的机构上进行创新，设计了菱形伸缩杆件，机构更灵活，还可以实现自由延伸。相对于原有的挂布吊轮，不易磨损，更加耐用且维护方便。

在设计完智能操作系统的同时，以Arduino为核心的控制系统会根据温湿度显示器、光照传感器和Wifi/蓝牙的反馈去改变窗帘收拉程度，窗帘机构通过安装板固定在墙上，两边各安装一个步进电机，进而可朝两侧收拉窗帘，使得开窗帘时能够保证阳光能充分照进室内；关窗帘时能够充分遮挡光照的进入，避免了仅安装单边窗帘而可能带来的收拉长度不够等局限。另外还装有备用电源，在停电的时候将切换为备用电源供电。

5 结论

智能窗帘自动控制功能体现在当打开或重新启动时，Arduino首先读取各传感器的数据，并将其与预设条件进行判断以执行开启或关闭窗帘的任务。又因为系统设计了限位触发器，所以窗帘能够很好地达到完全开启或关闭状态而不会出现故障，也不会出现窗帘未闭紧或未完全打开的情况。该控制系统设有三级，其中手动模式具有最高优先级，因其具有当意外发生时其他模式可能发生失效，这时便能起到安全保护作用[5]；第二级为远程控制模式；第三级为自动控制模式。此设置的目的在于为家庭用户提供更多选择：当长时间不在家时，可以将系统置于完全关闭模式；如果需要完全打开窗帘，可将系统设置为完全打开模式。为了延长窗帘的使用壽命，当系统运行时可将其设置为长时期处于自动状态，当系统进入自动模式时，每个传感器都会收集数据，并根据温湿度、光照强度等参数确定窗帘的开关状态。同时有了限位器的保护功能，每次窗帘伸缩程度还有时间都会得到控制；传感器记录的温湿度和亮度将实时通过虚拟终端显示，Arduino将会通过Wi-Fi模块将接收到的环境数据和状态信息传输到手机App等，使人们的居家生活 更具智能化、人性化。此外，本产品已申请实用新型专利，具有一定的市场价值和竞争性。

参考文献：

[1] 贾海云.智能家居中智能窗帘的设计[J].电脑知识与技术，2021，17（10）：202-204.

[2] 熊昌炯，钟林鑫，赖潘枝，等.一种新型窗帘组件：CN214433589U[P].2021-10-22.

[3] 高生霞，凡伟，王念一.基于WiFi的智能家居控制系统[J].数字化用户，2019，19：217-218.

[4] 张子超.Proteus基于Arduino DHT11温湿度传感器仿真实验[EB/OL].[2021-10-20]. https：//zoyi14.smartapps.cn/pages/note/index？slug=7ac841c36 acb&origin=share&_swebfr=1&_swebFromHost=baiduboxapp.

[5] 李小为，张健.智能家居中电动窗帘的设计与实现[J].电脑知识与技术，2018，14（2）：161-163.

【通联编辑：梁书】