智能窗控制系统的研究范文

随着科学技术的发展和人们对生活、工作环境要求的不断提高，作为单纯意义上生存居住空间的传统住宅，已经不能满足人们的需求，人们迫切需求的是一个集成了自动化和智能化的家用电器、网络化的信息资源，具有高度安全性、便捷、舒适的生活环境。因此，新一代的家居设计理念应时而生，高效、便捷、智能便是新一代家居设计的追求。智能家居设备已经成为了消费者的一种强烈的消费需求，随着现代科学技术的飞速发展，这一需求的实现已经不再是幻想。随着电子技术的发展，传统的家居产品已经逐渐与计算机、网络通信等先进科技相结合，智能化的家居设备应运而生。同时，智能化的家居系统走进了人们的视野，同时得到了越来越多消费者的青睐，这更加推动了家居智能化的进程。

1设计方案

本设计主要针对一款智能窗进行了设计，通过将各种传感器用ZigBee组网的方式将所有采集到的数据发送到MSP430F149为核心的控制板，在MSP430F149中对各种数据分别进行分析判断，进而来控制步进电机来实现窗户的开关。本设计采用的是现场总线控制系统，这种控制系统有很多优点：（1）在整个系统中，由现场各种传感器与集成到控制板上的协调器等节点组成的整个ZigBee网络之间的信号传输，以及显示终端通过网关与ZigBee网络之间的相互通信，使用的都是数字信号，这大大提高了信号传输的可靠性和精度；采用无线网络通信，省去了现场布线带来的安装复杂，维护不方便，安全性能差等缺陷。（2）本设计把传统的分布控制系统中输入/输出单元以及控制站的功能分散到了带有传感器的ZigBee网络终端节点中。每个信息采集终端节点都带有一个CC2530作为CPU，可独立地进行数据的采集，并具有信息的诊断以及信息的校正、补偿等功能，并靠ZigBee网络协议把它们连接在一起统筹工作。这些终端节点的功能单一，每个终端节点都只对一种数据信息进行采集。所以，当整个系统中的任何一个终端节点出现问题影响到的仅仅是其本身，整个系统不会因此而瘫痪。这使得现场设备的自治性加强，使系统性能全面提高，系统变得更加可靠。（3）在本设计中我们将不同厂商生产的各种传感器以及核心控制器通过ZigBee组网的方式组成了一个统一的系统后，便可实现这些产品的相互操作。（4）在本设计中采用的是ZigBee模块，MSP430，Wi模块三者构成的网关来连接ZigBee通信网络和Internet通信网络的。通过网关，ZigBee网络的终端节点可以将采集的数据信息传送的Web服务器，用户可以通过Internet网络浏览系统的终端显示界面；同时用户也可以Internet网络操控系统的终端显示界面上的一些控制按钮，对ZigBee网络的终端节点下达一些控制指令。（5）本设计中采用的是ZigBee网络通信和结构，整个网络是由协调器、终端节点构成星形拓扑结构网络，这种拓扑结构可以将整个家庭的空间连结成一个统一的整体。传输媒介和网络拓扑结构的多样性对实现整个系统的无线化、网络化很有帮助，并且这一特点给整个智能控制系统的施工带来很大的方便。（6）根据自己的需求用户可以配置不同功能的终端节点，来满足自己对整个系统性能的要求。并且用户可以根据不同时期，不同场合，随时通过改变终端节点的功能，来改变整个控制系统的性能指标。

2硬件系统设计

系统硬件结构框图如图1所示，包括MSP430F149与各模块及遥控器接口电路、ZigBee模块和Wi模块。

2.1控制器控制器选用MSP430F149，其主要任务是通过串口通信方式读取ZigBee协调器数据，并把数据在进行分析判断，然后将数据按类别存到FLASH芯片中的各自相应的存储区域，然后再从FLASH芯片中读取出数据通过串口通信的方式把数据传送给Wi模块，经Wi模块将数据传送到Web服务器。

2.2ZigBee终端节点模块电路设计CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案，结合了ZigBee协议栈，提供了一个完整并且强大的ZigBee解决方案。

2.3网关的设计网关的设计主要由三部分构成：ZigBee网络协调器、MSP430F149、Wi模块。ZigBee协调器采用CC2530芯片，主要作用是发出建网命令组建ZigBee网络，给网络中各个节点分配网络地址，它是整个ZigBee网络的数据结合点。现场ZigBee网络的终端节点进行采集数据，然后把采集到的信息都传送给协调器节点，协调器并不把数据进行存储，所以要把数据实时传送给MSP430F149。

2.4传感器选择该系统选用2个温湿度传感器、2个光照强度传感器、1个风雨传感器、1个红外传感器、1个煤气探测器、1个烟感探测器、2个限位开关。其中室外安装1个温湿度传感器、1个光照强度传感器、1个风雨传感器，2个限位开关分别安装在窗门机构和窗帘机构上，其他传感器安装在室内相关的地方。温湿度传感器：本系统采用数字式温湿度传感器DHT11，湿度测量范围为20%~90%，温度测量范围为0~50℃。光照强度传感器：采用NH207照度传感器，输出为0~2V电压信号或4~20mA电流信号，量程可在0~2Klx、0~20Klx与0~200Klx之间自动切换。风雨传感器：技术参数为，电源电压DC24V，风感3s响应，雨感25s响应。风感、雨感只在刮风或下雨达到所设定的风速或雨量时才发出感应信号给CPU。限位开关：选用非接触式限位开关，本系统选用光电传感器ST178来检测窗门机构和窗帘机构的运动位置。红外传感器：在本系统中红外传感器主要用于防盗作用，采用被动红外线探测器。一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出警报。煤气泄漏检测我们采用的是MQ-2可燃气体传感器。该传感器适用于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、烟雾等的检测，这款传感器可通过对与其集成在一起的比较器上的电位器进行调节来改变它对可燃气体以及烟雾的敏感性，当室内空气中可燃气体或烟雾的含量超过它的敏感阈值的时候，它输出的信号将发生由高电平到低电平的跳变。

2.5开窗机构设计系统选用两台步进电机分别驱动窗门机构、窗帘开关机构运行，实现所设计智能窗的运动功能。步进电机的驱动器，选择的是A3977。

2.6遥控器选用系统选用CDTFl000．12A遥控器与CD—JSCONR一12PC无线接收控制器。该遥控器用电池供电，供电电压DC12V，具有12路遥控信号。通过无线电磁波传播信号，采集30m以内的控制信号，通过中间继电器的转换，把该信号输入到CPU，完成对步进电机的控制。

3软件系统设计

软件系统设计包括ZigBee组网、数据信息采集及处理、Wi模块的配置、显示终端配置几大部分。图2与图3为数据信息采集及处理流程图。组建一个完整的ZigBee网络有两个步骤：一是网络初始化，另一步是节点（路由器节点或终端节点）加入网络。Wi模块的配置。在本设计中，将该模块时配置成客户端模式，选择串口转Wi中的无线网卡模式，网络协议选择TCP客户端，设置需要连接的TCP服务器的IP、端口号，与服务器连接。本设计的显示终端采用的是网站的网页形式，MSP430F149将数据传送到Web服务器，服务器再将数据调出并在网页上显示。监控网站主要由三部分组成：前台服务器界面、后台Windows服务、数据库。本设计中各种情况的处理是通过中断完成的，程序中各中断的优先级由高到低依次为：限位开关中断、遥控中断、按键开关中断、入侵中断、燃气泄漏中断、风雨中断、温湿度中断和光照中断。

4调试结果分析

设定正常舒适温度为25℃，湿度为25%，然后人为升高室内温度和温度，观察智能窗的动作。当室内温度或湿度超过设定值时，智能窗会执行开窗动作。当窗户到达右侧限位开关时，窗户停止。温湿度正常及过高时，终端显示分别如图4与图5所示。采用释放可燃气模拟家庭内部煤气泄漏的状况的发生，经过测试，当窗户初始状态为打开时，释放可燃气体后，步进电机带动使窗户缓缓打开，当窗户到达右侧限位开关处，窗户停止。从终端显示界面上看到煤气状态信息变为泄漏，窗户的状态为打开。若窗户的初始状态为完全打开，当释放可燃气体后，步进电机未动作，然而终端显示界面上煤气状态信息变为了泄漏，窗户的状态为打开。终端显示界面如图6所示。当模拟入侵时，若窗户初始状态为关闭，则步进电机不会动作。若窗户初始状态为完全打开或半打开，则步进电机带动窗户缓缓关闭，当到达左侧限位开关处步进电机停止动作，窗户停止。终端显示界面同时也会发出报警，并且盗情状态信息栏中信息状态变为异常，窗户状态为关闭。终端显示界面如图7所示。

5结束语

本设计实现了ZigBee网络的组网，实现了在风雨天气、煤气泄漏、有人盗窃、遥控等条件下智能窗的智能化控制，以及室内温湿度的采集，并在终端显示界面显示天气状况、煤气状况、盗情状况、窗户状态以及温湿度等信息，并能利用智能手机等设备通过移动网络来浏览终端界面，查看家庭内部的一些信息，随时了解家庭内部环境的变化，并通过终端控制窗户窗帘的开启与关闭。

作者：程绪长 单位：山东理工职业学院