智能窗控制系統(tǒng)的研究范文

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隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們對生活、工作環(huán)境要求的不斷提高，作為單純意義上生存居住空間的傳統(tǒng)住宅，已經(jīng)不能滿足人們的需求，人們迫切需求的是一個集成了自動化和智能化的家用電器、網(wǎng)絡(luò)化的信息資源，具有高度安全性、便捷、舒適的生活環(huán)境。因此，新一代的家居設(shè)計理念應(yīng)時而生，高效、便捷、智能便是新一代家居設(shè)計的追求。智能家居設(shè)備已經(jīng)成為了消費者的一種強(qiáng)烈的消費需求，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，這一需求的實現(xiàn)已經(jīng)不再是幻想。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的家居產(chǎn)品已經(jīng)逐漸與計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信等先進(jìn)科技相結(jié)合，智能化的家居設(shè)備應(yīng)運而生。同時，智能化的家居系統(tǒng)走進(jìn)了人們的視野，同時得到了越來越多消費者的青睞，這更加推動了家居智能化的進(jìn)程。

1設(shè)計方案

本設(shè)計主要針對一款智能窗進(jìn)行了設(shè)計，通過將各種傳感器用ZigBee組網(wǎng)的方式將所有采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到MSP430F149為核心的控制板，在MSP430F149中對各種數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析判斷，進(jìn)而來控制步進(jìn)電機(jī)來實現(xiàn)窗戶的開關(guān)。本設(shè)計采用的是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)有很多優(yōu)點：（1）在整個系統(tǒng)中，由現(xiàn)場各種傳感器與集成到控制板上的協(xié)調(diào)器等節(jié)點組成的整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的信號傳輸，以及顯示終端通過網(wǎng)關(guān)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的相互通信，使用的都是數(shù)字信號，這大大提高了信號傳輸?shù)目煽啃院途龋徊捎脽o線網(wǎng)絡(luò)通信，省去了現(xiàn)場布線帶來的安裝復(fù)雜，維護(hù)不方便，安全性能差等缺陷。（2）本設(shè)計把傳統(tǒng)的分布控制系統(tǒng)中輸入/輸出單元以及控制站的功能分散到了帶有傳感器的ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點中。每個信息采集終端節(jié)點都帶有一個CC2530作為CPU，可獨立地進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并具有信息的診斷以及信息的校正、補(bǔ)償?shù)裙δ埽⒖縕igBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議把它們連接在一起統(tǒng)籌工作。這些終端節(jié)點的功能單一，每個終端節(jié)點都只對一種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集。所以，當(dāng)整個系統(tǒng)中的任何一個終端節(jié)點出現(xiàn)問題影響到的僅僅是其本身，整個系統(tǒng)不會因此而癱瘓。這使得現(xiàn)場設(shè)備的自治性加強(qiáng)，使系統(tǒng)性能全面提高，系統(tǒng)變得更加可靠。（3）在本設(shè)計中我們將不同廠商生產(chǎn)的各種傳感器以及核心控制器通過ZigBee組網(wǎng)的方式組成了一個統(tǒng)一的系統(tǒng)后，便可實現(xiàn)這些產(chǎn)品的相互操作。（4）在本設(shè)計中采用的是ZigBee模塊，MSP430，Wi模塊三者構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)來連接ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)和Internet通信網(wǎng)絡(luò)的。通過網(wǎng)關(guān)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點可以將采集的數(shù)據(jù)信息傳送的Web服務(wù)器，用戶可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)瀏覽系統(tǒng)的終端顯示界面；同時用戶也可以Internet網(wǎng)絡(luò)操控系統(tǒng)的終端顯示界面上的一些控制按鈕，對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點下達(dá)一些控制指令。（5）本設(shè)計中采用的是ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信和結(jié)構(gòu)，整個網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點構(gòu)成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以將整個家庭的空間連結(jié)成一個統(tǒng)一的整體。傳輸媒介和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多樣性對實現(xiàn)整個系統(tǒng)的無線化、網(wǎng)絡(luò)化很有幫助，并且這一特點給整個智能控制系統(tǒng)的施工帶來很大的方便。（6）根據(jù)自己的需求用戶可以配置不同功能的終端節(jié)點，來滿足自己對整個系統(tǒng)性能的要求。并且用戶可以根據(jù)不同時期，不同場合，隨時通過改變終端節(jié)點的功能，來改變整個控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括MSP430F149與各模塊及遙控器接口電路、ZigBee模塊和Wi模塊。

2.1控制器控制器選用MSP430F149，其主要任務(wù)是通過串口通信方式讀取ZigBee協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)在進(jìn)行分析判斷，然后將數(shù)據(jù)按類別存到FLASH芯片中的各自相應(yīng)的存儲區(qū)域，然后再從FLASH芯片中讀取出數(shù)據(jù)通過串口通信的方式把數(shù)據(jù)傳送給Wi模塊，經(jīng)Wi模塊將數(shù)據(jù)傳送到Web服務(wù)器。

2.2ZigBee終端節(jié)點模塊電路設(shè)計CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案，結(jié)合了ZigBee協(xié)議棧，提供了一個完整并且強(qiáng)大的ZigBee解決方案。

2.3網(wǎng)關(guān)的設(shè)計網(wǎng)關(guān)的設(shè)計主要由三部分構(gòu)成：ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、MSP430F149、Wi模塊。ZigBee協(xié)調(diào)器采用CC2530芯片，主要作用是發(fā)出建網(wǎng)命令組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，給網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址，它是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)結(jié)合點。現(xiàn)場ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，然后把采集到的信息都傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器并不把數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，所以要把數(shù)據(jù)實時傳送給MSP430F149。

2.4傳感器選擇該系統(tǒng)選用2個溫濕度傳感器、2個光照強(qiáng)度傳感器、1個風(fēng)雨傳感器、1個紅外傳感器、1個煤氣探測器、1個煙感探測器、2個限位開關(guān)。其中室外安裝1個溫濕度傳感器、1個光照強(qiáng)度傳感器、1個風(fēng)雨傳感器，2個限位開關(guān)分別安裝在窗門機(jī)構(gòu)和窗簾機(jī)構(gòu)上，其他傳感器安裝在室內(nèi)相關(guān)的地方。溫濕度傳感器：本系統(tǒng)采用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11，濕度測量范圍為20%~90%，溫度測量范圍為0~50℃。光照強(qiáng)度傳感器：采用NH207照度傳感器，輸出為0~2V電壓信號或4~20mA電流信號，量程可在0~2Klx、0~20Klx與0~200Klx之間自動切換。風(fēng)雨傳感器：技術(shù)參數(shù)為，電源電壓DC24V，風(fēng)感3s響應(yīng)，雨感25s響應(yīng)。風(fēng)感、雨感只在刮風(fēng)或下雨達(dá)到所設(shè)定的風(fēng)速或雨量時才發(fā)出感應(yīng)信號給CPU。限位開關(guān)：選用非接觸式限位開關(guān)，本系統(tǒng)選用光電傳感器ST178來檢測窗門機(jī)構(gòu)和窗簾機(jī)構(gòu)的運動位置。紅外傳感器：在本系統(tǒng)中紅外傳感器主要用于防盜作用，采用被動紅外線探測器。一旦有人體紅外線輻射進(jìn)來，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦就使熱釋電器件產(chǎn)生突變電信號，而發(fā)出警報。煤氣泄漏檢測我們采用的是MQ-2可燃?xì)怏w傳感器。該傳感器適用于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、煙霧等的檢測，這款傳感器可通過對與其集成在一起的比較器上的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)來改變它對可燃?xì)怏w以及煙霧的敏感性，當(dāng)室內(nèi)空氣中可燃?xì)怏w或煙霧的含量超過它的敏感閾值的時候，它輸出的信號將發(fā)生由高電平到低電平的跳變。

2.5開窗機(jī)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)選用兩臺步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動窗門機(jī)構(gòu)、窗簾開關(guān)機(jī)構(gòu)運行，實現(xiàn)所設(shè)計智能窗的運動功能。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器，選擇的是A3977。

2.6遙控器選用系統(tǒng)選用CDTFl000．12A遙控器與CD—JSCONR一12PC無線接收控制器。該遙控器用電池供電，供電電壓DC12V，具有12路遙控信號。通過無線電磁波傳播信號，采集30m以內(nèi)的控制信號，通過中間繼電器的轉(zhuǎn)換，把該信號輸入到CPU，完成對步進(jìn)電機(jī)的控制。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)設(shè)計包括ZigBee組網(wǎng)、數(shù)據(jù)信息采集及處理、Wi模塊的配置、顯示終端配置幾大部分。圖2與圖3為數(shù)據(jù)信息采集及處理流程圖。組建一個完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)有兩個步驟：一是網(wǎng)絡(luò)初始化，另一步是節(jié)點（路由器節(jié)點或終端節(jié)點）加入網(wǎng)絡(luò)。Wi模塊的配置。在本設(shè)計中，將該模塊時配置成客戶端模式，選擇串口轉(zhuǎn)Wi中的無線網(wǎng)卡模式，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選擇TCP客戶端，設(shè)置需要連接的TCP服務(wù)器的IP、端口號，與服務(wù)器連接。本設(shè)計的顯示終端采用的是網(wǎng)站的網(wǎng)頁形式，MSP430F149將數(shù)據(jù)傳送到Web服務(wù)器，服務(wù)器再將數(shù)據(jù)調(diào)出并在網(wǎng)頁上顯示。監(jiān)控網(wǎng)站主要由三部分組成：前臺服務(wù)器界面、后臺Windows服務(wù)、數(shù)據(jù)庫。本設(shè)計中各種情況的處理是通過中斷完成的，程序中各中斷的優(yōu)先級由高到低依次為：限位開關(guān)中斷、遙控中斷、按鍵開關(guān)中斷、入侵中斷、燃?xì)庑孤┲袛唷L(fēng)雨中斷、溫濕度中斷和光照中斷。

4調(diào)試結(jié)果分析

設(shè)定正常舒適溫度為25℃，濕度為25%，然后人為升高室內(nèi)溫度和溫度，觀察智能窗的動作。當(dāng)室內(nèi)溫度或濕度超過設(shè)定值時，智能窗會執(zhí)行開窗動作。當(dāng)窗戶到達(dá)右側(cè)限位開關(guān)時，窗戶停止。溫濕度正常及過高時，終端顯示分別如圖4與圖5所示。采用釋放可燃?xì)饽M家庭內(nèi)部煤氣泄漏的狀況的發(fā)生，經(jīng)過測試，當(dāng)窗戶初始狀態(tài)為打開時，釋放可燃?xì)怏w后，步進(jìn)電機(jī)帶動使窗戶緩緩打開，當(dāng)窗戶到達(dá)右側(cè)限位開關(guān)處，窗戶停止。從終端顯示界面上看到煤氣狀態(tài)信息變?yōu)樾孤皯舻臓顟B(tài)為打開。若窗戶的初始狀態(tài)為完全打開，當(dāng)釋放可燃?xì)怏w后，步進(jìn)電機(jī)未動作，然而終端顯示界面上煤氣狀態(tài)信息變?yōu)榱诵孤皯舻臓顟B(tài)為打開。終端顯示界面如圖6所示。當(dāng)模擬入侵時，若窗戶初始狀態(tài)為關(guān)閉，則步進(jìn)電機(jī)不會動作。若窗戶初始狀態(tài)為完全打開或半打開，則步進(jìn)電機(jī)帶動窗戶緩緩關(guān)閉，當(dāng)?shù)竭_(dá)左側(cè)限位開關(guān)處步進(jìn)電機(jī)停止動作，窗戶停止。終端顯示界面同時也會發(fā)出報警，并且盜情狀態(tài)信息欄中信息狀態(tài)變?yōu)楫惓＃皯魻顟B(tài)為關(guān)閉。終端顯示界面如圖7所示。

5結(jié)束語

本設(shè)計實現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，實現(xiàn)了在風(fēng)雨天氣、煤氣泄漏、有人盜竊、遙控等條件下智能窗的智能化控制，以及室內(nèi)溫濕度的采集，并在終端顯示界面顯示天氣狀況、煤氣狀況、盜情狀況、窗戶狀態(tài)以及溫濕度等信息，并能利用智能手機(jī)等設(shè)備通過移動網(wǎng)絡(luò)來瀏覽終端界面，查看家庭內(nèi)部的一些信息，隨時了解家庭內(nèi)部環(huán)境的變化，并通過終端控制窗戶窗簾的開啟與關(guān)閉。

作者：程緒長 單位：山東理工職業(yè)學(xué)院