摘  要： 基于物聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)設(shè)計(jì)了智能窗戶(hù)系統(tǒng)，可以進(jìn)行空氣置換，對(duì)大風(fēng)、下雨等天氣狀況做出判斷，對(duì)窗戶(hù)受到撞擊、盜賊越窗等情況發(fā)出報(bào)警，對(duì)室內(nèi)有害氣體濃度進(jìn)行感知等。系統(tǒng)的判斷行為及結(jié)果通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳送至用戶(hù)手機(jī)終端，進(jìn)行信息的交互。系統(tǒng)的硬件和軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)用戶(hù)的不同需求，靈活搭配模塊，以滿足用戶(hù)的多樣化需求，提高用戶(hù)健康、宜居生活質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；智能；窗戶(hù)

0 引言

　　隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的提高，智能家居的概念越來(lái)越深入人心，人們希望自己的住宅可以更舒適、更安全、更科學(xué)、更智能。智能窗戶(hù)作為智能家居的重要組成部分，必將成為未來(lái)人們對(duì)窗戶(hù)的主要需求和發(fā)展方向[1-2]。

　　窗戶(hù)是室內(nèi)與外界交流的通道，智能窗戶(hù)的設(shè)計(jì)，將為人們的健康生活提供良好的環(huán)境監(jiān)護(hù)，它可以自動(dòng)開(kāi)啟進(jìn)行新鮮空氣的置換，當(dāng)遇到大風(fēng)、下雨、空氣濕度大等天氣變化時(shí)，它能自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)有外物撞擊窗戶(hù)或穿越窗戶(hù)時(shí)，它能準(zhǔn)確地感應(yīng)并發(fā)出報(bào)警，同時(shí)以短信的形式通知用戶(hù)；當(dāng)室內(nèi)有害氣體（如一氧化碳、甲醛等）超標(biāo)時(shí)，它能判斷超標(biāo)值的大小及危害程度，并自行決定出窗戶(hù)開(kāi)啟幅度的大小。諸如此類(lèi)的環(huán)境及設(shè)備狀態(tài)信息，由智能窗戶(hù)的核心控制模塊處理，然后通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)，最終將信息推送到用戶(hù)的手機(jī)，用戶(hù)還可以做出判斷，并通過(guò)手機(jī)平臺(tái)進(jìn)行干預(yù)和遙控。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

　　如圖1所示，整個(gè)智能窗戶(hù)系統(tǒng)由窗戶(hù)本體及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、ARM控制核心模塊、供電模塊、傳感器模塊、物聯(lián)網(wǎng)及用戶(hù)終端（如手機(jī)）組成。ARM控制核心模塊通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同方式窗戶(hù)本體的開(kāi)啟和關(guān)閉，通過(guò)傳感器模塊采集室外大氣濕度、室內(nèi)有害氣體、大風(fēng)、窗體振動(dòng)、窗戶(hù)開(kāi)關(guān)狀態(tài)等信息。手機(jī)終端通過(guò)通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳輸模塊與核心控制模塊建立信息交流和用戶(hù)指令的下達(dá)。供電模塊為整個(gè)智能窗戶(hù)系統(tǒng)提供電力保障。

　　1.1 窗戶(hù)本體

　　窗戶(hù)可采用平移式或轉(zhuǎn)動(dòng)式，例如參考文獻(xiàn)[1]采用的是平移式，參考文獻(xiàn)[2]采用轉(zhuǎn)動(dòng)式，根據(jù)窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)方式選擇相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮小巧、可靠、運(yùn)行噪音低、易維護(hù)、成本低等諸多因素。窗戶(hù)開(kāi)關(guān)的動(dòng)力來(lái)自電機(jī)，對(duì)窗戶(hù)開(kāi)啟幅度的精確控制宜采用步進(jìn)電機(jī)[3-5]，由ARM控制核心模塊直接發(fā)送控制指令控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和步數(shù)，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)窗戶(hù)本體的自動(dòng)平移或轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　1.2 ARM控制核心模塊

　　ARM控制模塊的內(nèi)部組成如圖2所示，基于utu Linux嵌入式操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，以32 bit ARM920為內(nèi)核，工作頻率400 MHz，JTAG調(diào)試模塊為用戶(hù)對(duì)主控模塊進(jìn)行調(diào)試和二次開(kāi)發(fā)提供端口。為了提高嵌入式操作系統(tǒng)運(yùn)行的速度和效率，ARM920核心控制芯片擴(kuò)展了32 MB SDRAM靜態(tài)內(nèi)存作為程序數(shù)據(jù)運(yùn)算的暫存空間，硬件基于HY57V561620RT-H芯片開(kāi)發(fā)。外擴(kuò)的64 MB Flash可擦寫(xiě)存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)掉電后仍需要保存的代碼和數(shù)據(jù)，也是嵌入式操作系統(tǒng)固化程序的存儲(chǔ)空間，硬件基于K9F1208UOM芯片開(kāi)發(fā)。

　　1.3 供電模塊

　　供電模塊可根據(jù)用戶(hù)用電的現(xiàn)有條件選用。可采用220 V方式供電，但要考慮意外情況斷電問(wèn)題。如果發(fā)生意外斷電，控制模塊應(yīng)能感應(yīng)到并做出判斷，緊急啟用其備用蓄電模塊的電能將窗戶(hù)關(guān)閉。還可以在條件具備的情況下，選用太陽(yáng)能或其他方式供電，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中，為整個(gè)系統(tǒng)供電。

　　1.4 傳感器模塊

　　傳感器模塊可根據(jù)用戶(hù)的要求量身定做，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，對(duì)于特殊要求要選用滿足感知靈敏度需要的傳感器，費(fèi)用會(huì)提高。通常情況下，用戶(hù)會(huì)有以下需求：當(dāng)室內(nèi)空氣不清新時(shí)，需與戶(hù)外空氣置換（可以為用戶(hù)干預(yù)模式）；當(dāng)窗戶(hù)處于開(kāi)啟狀態(tài)遇到大風(fēng)時(shí)，需關(guān)閉；窗戶(hù)被外物撞擊或有人要翻窗而入時(shí)，智能系統(tǒng)及時(shí)向用戶(hù)發(fā)出報(bào)警信息；窗戶(hù)處于開(kāi)啟狀態(tài)，但戶(hù)外濕度過(guò)大或下雨時(shí)，需關(guān)閉窗戶(hù)；室內(nèi)有害氣體（如甲醛等）嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，需提醒用戶(hù)，并自動(dòng)應(yīng)急開(kāi)啟，但需感知窗戶(hù)開(kāi)啟的幅度并進(jìn)行控制。根據(jù)用戶(hù)的可能需要，開(kāi)發(fā)各種傳感分模塊，針對(duì)具體用戶(hù)，只需將分模塊插合于總線端子上即可。如對(duì)大氣溫濕度的感知由溫濕度測(cè)量模塊完成，可選用SHT10傳感器芯片，每秒進(jìn)行3次測(cè)量和數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)精度選擇12 bit。SHT10傳感器芯片是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全量程標(biāo)定數(shù)字輸出。芯片內(nèi)部集成一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件和一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件，通過(guò)12 bit A/D轉(zhuǎn)換器和串行接口傳送測(cè)量數(shù)據(jù)。溫濕度測(cè)量模塊初始化時(shí)，使用Linux 2.6內(nèi)核函數(shù)將設(shè)備注冊(cè)到ARM內(nèi)核。

　　1.5 用戶(hù)終端模塊

　　用戶(hù)終端模塊包含通信模塊（其接口協(xié)議并入并可搭載聯(lián)通、移動(dòng)、電信等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)）、物聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與ARM控制核心模塊進(jìn)行信息交流的無(wú)線傳輸模塊。其中ARM控制核心模塊經(jīng)無(wú)線傳輸模塊、物聯(lián)網(wǎng)、通信模塊與終端手機(jī)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控信息的交互及控制指令的下達(dá)。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

　　如圖3所示，智能系統(tǒng)啟動(dòng)后，先進(jìn)行設(shè)備模塊端口初始化，然后進(jìn)入系統(tǒng)自檢，自檢通過(guò)后，主控模塊對(duì)傳感器通道進(jìn)行選擇、數(shù)據(jù)采集，同時(shí)根據(jù)用戶(hù)的控制指令（若無(wú)控制指令，則按照既定程序判斷）以及監(jiān)控的窗戶(hù)當(dāng)前狀態(tài)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析，處理信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳至手機(jī)平臺(tái)，用戶(hù)可以觀察信息，并進(jìn)行人工干預(yù)，同時(shí)，控制核心模塊發(fā)出窗戶(hù)的開(kāi)啟、關(guān)閉等控制指令，驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使窗戶(hù)開(kāi)啟或關(guān)閉。

　　ARM智能窗戶(hù)控制核心程序基于Linux 2.6開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該軟件具有圖形界面良好、網(wǎng)絡(luò)資源豐富、內(nèi)核可定制等優(yōu)點(diǎn)。Linux 2.6編制的程序具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、方便移植、可內(nèi)存共享以及I/O系統(tǒng)優(yōu)化等特點(diǎn)[6]。嵌入式程序設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、溫濕度誤差補(bǔ)償模塊和上位機(jī)響應(yīng)模塊等。對(duì)傳感器的誤差補(bǔ)償采用軟件實(shí)現(xiàn)比硬件方案方法更簡(jiǎn)單、更靈活而且更穩(wěn)定。

3 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的智能窗戶(hù)系統(tǒng)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)與用戶(hù)終端建立人窗交流，智能模塊能自動(dòng)采集傳感通道信息，對(duì)大風(fēng)、下雨、空氣置換等做出判斷，可完成原來(lái)需人工思考才能完成的事情，控制窗戶(hù)的開(kāi)啟或關(guān)閉，監(jiān)控窗戶(hù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并且可根據(jù)用戶(hù)的要求，即所要監(jiān)控的室內(nèi)、室外環(huán)境因子，量身定制智能窗戶(hù)的功能模塊。隨著智能家居的發(fā)展，智能窗戶(hù)作為其不可或缺的組成部分，必將對(duì)提高人們生活質(zhì)量起到重要作用。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 何剛，馮啟明.一種智能平移式窗戶(hù)啟閉器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù)，2011，12（6）：85-86.

　　[2] 苗現(xiàn)華.智能化窗戶(hù)的設(shè)計(jì)[J].江西科學(xué)，2014，32（1）：114-117.

　　[3] 陳居現(xiàn)，李英堂，李英勇.基于步進(jìn)電機(jī)的一種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2012，39（11）：26-27.

　　[4] 顧瑞娟，王宇，張善從.基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2012，33（1）：111-115.

　　[5] 石星星，吳洪濤.基于專(zhuān)用控制芯片的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（9）：130-133.

　　[6] 韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開(kāi)發(fā)完全手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2008.