基于多传感器的智能窗系统设计

摘要：为促进建筑智能化，设计了一种新型智能窗，讨论了智能窗的软硬件系统设计方案。应用压力传感器，湿度传感器，光强传感器，红外遥控模块等实现环境数据采集，选用8051系列单片机进行信号处理，并控制步进电机调整智能窗扇叶张角。经实验测试，风速感应和控制精度优于0．1 m／s，湿度感应精度5％RH，光强感应精度5lux。实现了测量显示风强、湿度、光强等信息并调整扇窗开合程度，从而调节室内环境。可以通过嵌入式系统设定控制量值，适合对环境要求不同的用户使用。
关键词：8051单片机；多传感器；嵌入式系统；环境控制；智能窗

    当今世界建筑正朝着智能化方向发展，这种发展趋势也正是人类社会的文明程度在一定历史时期的体现。但普通窗户在起风下雨时不能自动关闭，不能自动调整开合程度以适应风、雨、光等环境变化，给我们带来了诸多不便，安装智能窗已是大势所趋。本文讨论了一种智能窗系统设计方案。
    该智能窗由多个传感器收集风力大小、空气湿度、光照强度等信号，经处理后传入单片机。单片机对信号进行运算，再输出脉冲信号调整步进电机。智能窗可根据环境变化及使用者的意愿调整扇叶张角，控制室内环境参数，且具有一定的自适应能力。

1 系统总体设计
    智能窗由电子系统、相应程序和机械部分组成。电子系统包括传感器、处理器、显示屏、步进电机及其他辅助电路。机械部分可根据使用场合的不同而进行设计。
    在电子控制系统中，传感器起着重要的作用，它关系到控制的精度，合理选择传感器是系统成功的关键。此外，由于各种干扰存在，除了选用性能优良的传感器外，还需进行软件上适当的滤波算法，以保证数据的可靠性。传感部分是由多个传感器收集环境各项参数的，为了快速准确的采集数据，在接收传感器采样时要合理的设置巡检优先级，这可以通过程序实现。出于实用性，人机交互和节能也是关键问题，因此，系统还配有便于用户使用的遥控和显示设施。所有的参数都可以通过遥控设置、改变，保存，运行过程中用户也可以通过遥控改变开窗状态。显示屏可将系统运行状态，测量的数据实时显示。电子系统框图如图1所示。

    设计的扇窗利用步进电机调节叶片张角。扇窗结构主要包括：窗框、多个叶片构成的可转动叶片组、一个用以调整该叶片组开和角度的拉绳。其结构图如图2所示。

2 电子系统设计
2．1 传感与输入部分
2．1．1 风速传感器
    考虑到系统应具有体积小，成本低的特点，气象测量中使用的风杯式传感器无法满足要求，因此将风速信号转化成压力信号进行测量。选用的LAM—H4压力传感器采用应变电桥原理，将作用在表面的微小压力转化为差分电压。输出的信号经放大后再输入单片机处理，经换算即可表示风力等级。传感器精度等级0．05％R．O，输出灵敏度0．6±20％mV／V，保证了测量风速精度为0．1 m／s。
2．1．2 湿度传感器
    湿度传感器用于检测空气中的相对湿度，例如，当相对湿度大于90％，可认为有雨，智能窗将自动关闭。选用AH11湿度模块作为湿度传感器。模块的供电为+5 V直流电压，相对湿度通过电压输出进行计算。本模块湿度检测精度±5％RH，且已带温度补偿，长期稳定性好，满足系统要求。
2．1．3 光强传感器
    为便于用户根据光强不同决定开窗状态，设置了光强传感器。利用光敏电阻GL5528自行设计了光强传感器。光敏电阻是利用半导体光电效应制成的一种阻值随入射光强变化而改变的电阻器，入射光变强，电阻减小。使用时将光敏电阻与10 k；Ω的电阻R构成测量电桥后接至5V电源，当外界光照变强时，光敏电阻阻值变小，R分压变大，取R上的电压差值即可判断光强变化。这种设计的优点在于电路简单。
2．1. 4 红外遥控
    遥控设备在本系统内起着至关重要的作用，它是人机交互的通道。系统采用红外一体化接收头HS0038将遥控信号的接收、放大、检波、整形集于一身，并且输出可以让单片机识别的TTL信号，这样大大简化了接收电路的复杂程度和电路的设计工作。HS0038由黑色环氧树脂封装，不受日光、荧光灯等光源干扰，内附磁屏蔽，功耗低，灵敏度高。在用小功率发射管发射信号情况下，其接收距离可达35 m。所使用的遥控器为WD6122型红外遥控发射电路，最多可外接64个按键，并有3组双重按键。
2．1．5 行程开关
    为了判断窗子是否闭合，需要使用行程开关。利用单片机自带的硬件中断资源，设计了接触式的中断行程开关。当窗体闭合时引发中断，停止运行，进入节电待机状态。
2．2 处理与输出部分
2．2．1 单片机应用
    随着技术的发展，单片机的功能日益多样化。以其具有价格便宜、体积小、技术成熟等特点而被广泛应用在各种控制场合。本系统使用STC12C5A60S2型单片机，由于其采用增强型8051内核，速度比普通8051快8～12倍，满足了程序运行对速度的要求。关窗后可切换到掉电模式(可由外部中断唤醒)，以降低功耗。硬件看门狗功能可用于监测程序是否运行正常。特别是芯片内部自带了8路10位AD转换功能，能直接将输入P1口的模拟量电压转换成数字量，大大节约了支持多个传感器的AD硬件成本。端口输出的数字信号可控制步进电机。
2．2．2 步进电机及驱动
    采用42BYG250B两相混合式步进电机作为机械部分的驱动装置，经减速后带动叶片转动。选择L298N作为步进电机的驱动芯片。L298N为双全桥步进电机专用芯片(Dual Full-Bridge Driver)内部包含4信道逻辑驱动电路，两个HBridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平，可驱动46 V，2 A以下的步进电机，且可直接通过电源来调节输出电压，由单片机I／O端口来提供时序电压。
2．2．3 显示输出
    系统中应用1602液晶显示屏显示操作界面，通过不同的菜单选择，即可显示设定的控制参数，又可显示测量值和系统的工作状态。显示屏在待机状态下可以关屏，降低功耗。
2．3 电路设计
    图3为电子系统主要部分的原理图。在各芯片供电处接有滤波电容，以减少供电不稳给系统带来的影响。使用两级差模前置放大器，放大传感器的微弱信号，这种差模放大的接线方式可有效地减少噪声干扰。此外，由于电机属于感性负载，突然断电会产生较高的反电势，对电机和驱动芯片造成伤害，故需要在驱动回路接入续流二极管1N4007。单片机P1．0、P1．1、P1．2设为片内AD，外接运放输出端，P3．2、P3．3口分别接行程开关和红外模块，P3．5、P3．6接片外EEPROM的时钟端和数据端。

3 软件设计
3．1 程序流程
    开机时系统关窗复位，采集一组环境数据，判断是否达到开窗要求。开窗后，调用历史控制参数，之后按加权方式分步采集多个传感器的数据，同时输出显示。发现风强，湿度，光强不满足要求时即可调整至合理状态。系统运行时始终以中断方式服从用户的遥控。程序流程如图4所示。

3．2 滤波算法
    由于室外环境的多变性、复杂性以及电磁干扰等诸多问题的存在，传感器的信号中经常带有一定的噪声。硬件低通滤波器并不能滤掉低频成分。故在数据的采集和处理中使用滑窗法滤波，有效解决了传感器数据抖动的问题。
3．3 控制算法
    控制算法是体现智能性的核心，合理的控制算法，可使系统具有“记忆性”和“学习性”。由于单片机的硬件资源十分有限，无法执行神经网络法和Bayes法等大型程序。这里，设计了频率加权统计的方法。在片外EEPROM中存有控制向量y=[W，R，L，A]，表示风强、湿度、光强和所对应的扇叶张角。遥控可以发出直接更改控制向量中参数的指令，也可以发出调整扇叶角度的信号。当接收到调整角度的信号时，系统采集记录当前环境参数，形成指令P=[kW，kR，kL，kA]。控制向量做出相应调整，使成为新的控制向量。这样，随着使用次数的增加，窗子将适应当地环境和用户的习惯。

4 结束语
    整个控制系统是基于多项传感器采集信号，8位高速单片机运算处理的控制系统。采用经典的软件滤波、控制算法对信息进行处理，增强鲁棒性。电机输出控制扇叶转角，屏幕实时显示测量数据。经实验测试，风速感应和控制精度优于0．1 m／s，湿度感应精度5％RH，光强感应精度5 lux，扇叶步进最小角度1．8°。这种智能窗实现了：同步显示当前环境风强、湿度、光强等信息；支持人机对话、可以远程遥控；具有硬件保护、可以智能调整窗体开合程度等功能。

    这种智能窗在一定程度上减少了外界环境给室内带来的不便。目前可以用作对环境有一定要求的实验室的通风窗和高档建筑用窗。随着人民生活水平的提高，它将被应用到更广泛的场合。