智能窗帘方案设计开发

随着社会经济和科学技术的发展，伴随着物联网产业链的细化，将带来相应市场的进一步细分，譬如一系列智能化家居产品作为最贴近民生的物联网项目，给人们生活带来了诸多的便利，智能家居行业也因此越来越受到人们的青睐。在一些高档住宅区，我们都能发现智能家居系统为用户提供更安全、更智能的服务，如智能灯光场景控制、安防报警等。目前市场上的窗帘多以手势控制、语音控制或APP远程控制，也已经有一些学者在智能窗帘的设计方面进行了研究，如通过串口多机通信实现窗帘开合的远程控制，通过红外遥控控制系统可实现窗帘的自动控制。这些窗帘都需要人为干扰，本文设计的智能窗帘就是针对家居环境采光和避光的需求，以自主控制系统替代人为控制，使家居设计更智能，更人性化。基于单片机的智能窗帘与其他产品相比，具有结构简单、价格低廉、鲁棒性良好的优点，利于市场化。

一、智能窗帘系统构造及性能指标

本系统前端采用光敏传感器，通过光敏传感器完成对外界光线的数据采集，并将采集到的光线强度数据通过A/D转换，转换成电信号；后端采用单片机为系统控制平台，通过处理A/D转换后的信息，作用于电机驱动及电机，从而实现根据外界光线的强弱达到自主控制的效果，调节室内的光照强度。

结合此机械构造与控制算法，此系统满足性能指标如下：此系统自主控制时效性维持在5s以内，符合当今工业生产要求。有数据表明，人在3500流明的亮度以下人眼感觉很舒适，智能窗帘可以通过设定参数值从而实现自主控制，将室内光照强度维持在3400~3600流明的光照强度范围内，满足人在3500流明的光照强度下感觉最舒适的条件，始终使用户保持舒适的体验。

二、智能窗帘系统硬件设计

2.1光敏传感器分析

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。光敏电阻、光敏三极管以及紫外线传感器是最常见的光敏传感器。为了设计简便，成本低廉，本系统使用光敏电阻传感器。光敏电阻传感器通过光信号的检测、控制和转换，为系统提供前端数据来源。光敏传感器就是利用光敏电阻受光线强度影响而阻值发生变化的原理发送光线强度的模拟信号，当光照由强到弱时，电阻阻值由小变大。它能感应光线的明暗变化，输出微弱的电信号，通过放大器电路处理。当光照强度越高，光电管的电流也就越大，电流通过一个电阻时，电阻两端的电压被转换成可被采集器的数模转换器接受的0~5V电压，从而为单片机A/D转换提供源数据。因为光敏传感器具有结构简单，体积小，灵敏度高，价格低廉的特点，在保证用户体验效果的同时又可以有效降低智能窗帘成本，具有良好的社会价值。

2.2单片机系统分析

AVR单片机运算能力强，指令系统精简高效，具有速度快的优点，但是AVR单片机的编程对环境的要求较高，需要有特定的环境，并且它的前16个寄存器都不能与立即数打交道，通用性差。

PIC单片机运行速度快，可以在低电压下工作，功耗低，但是它的专用寄存器分散在四个地址区间，编程较为复杂。STM单片机具有工作频率高、运行速度快的优点，但是成本非常高，采购成本每枚超过百元。

51单片机又被称作微处理器，它与其他单片机相比，最显著的一个优点就是它不仅能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，功能完备，使用方便。

51单片机的系统性能可以满足数据采集和时间精度的要求，并且生产条件成熟，产品来源稳定。8位80C51单片机在片内带有多通道A/D转换器和高速输入/输出部件，中断处理和实时处理能力很强。简单归纳，

51单片机具有以下特点：

（1）处理性能强，运行速度快，低电压，低功耗；（2）系统结构简单，控制性能强；（3）环境适应能力强，鲁棒性良好；（4）价格低廉。

综合以上几种单片机的特点比较，采用51单片机作为智能窗帘的控制平台核心。51单片机通过对数据进行处理，设定控制功能指令，作用于单片机驱动，从而高效精准地对外部输入输出设备进行控制，满足智能窗帘控制系统性能指标，使系统具备在不同自然环境下的自适应能力，加强产品使用的稳定性，增强用户的体验。低廉的生产成本可以保证智能窗帘的市场化。

三、智能窗帘系统软件设计

在搭建的硬件平台上进行软件编程，本系统采用基于51单片机的C语言进行编程。C语言最大的优点就是“灵活”。运算方式多样，数据类型丰富，在程序设计时限制少，可以相对自由发挥，且易于维护和修改。缺点是因为太过自由，往往容易出错。

C语言先对系统进行初始化，为系统进行后期数据采集与处理作铺垫。C语言通过调用函数驱动光敏电阻传感器进行光线的数据采集，并通过A/D转换，将模拟的光线数据转换成数字电信号，为后期数据的处理打下基础。将采集到的数字电信号转化为单片机所能识别的01信号，传送给处理器进行数据处理，从而使单片机对室内的光线强度值有准确的认知。由于单片机对室内的光照强度有了准确的数据，将得到的数据与人舒适的光照强度所对应的数据进行比对，若不符合人舒适的光照强度数据，单片机便会作用于电机驱动，驱动电机朝能使人处于舒适的方向转动。若符合人舒适的光照强度数据，此时系统维持此状态。系统软件设计通过对数据的采集、数据处理、电机驱动，从而实现步进电机的自主控制。

四、智能窗帘系统测试

选择天气晴朗的白天作为测试环境，对智能窗帘系统进行上机测试。通过光敏传感器检测光信号，当光照强度为5000流明时，传感器将采集到的数据进行转换，通过单片机控制步进电机，电机反向旋转，窗帘关闭，系统在4s内，使得室内光线强度恢复到3500流明；当光照强度为2000流明时，传感器将采集到的数据转换，通过单片机控制步进电机，电机正向旋转，窗帘打开，系统在4s内，使得室内光线恢复到3400流明。测试表明，本系统对室内光线强度有良好的调节作用，系统鲁棒性良好，控制性能强，功耗低，能在5s内达到控制效果，可以满足用户对光照舒适度的需求。

《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》明确提出“推动物联网关键技术研发和在重点领域的应用示范”是未来五年物联网发展的主要任务。因此，《规划》明确提出了将在智能工业、智能农业、智能物流、智能交通、智能电网、智能环保、智能安防、智能医疗、智能家居九大重点领域推动应用示范工程，力争实现规模化应用。据保守估计，规划期内，物联网产业有超过5000亿的市场容量待开发。随着物联网技术的发展，用户对智能家居的需求日益增长，智能家居作为九大重点领域之一，与人民日益增长的对美好生活的向往需要息息相关，因此，智能窗帘的生产、推广具有广阔的市场前景。通过测试表明，此系统结构简单，控制性能强，运行速度快，能耗低，成本低廉，具有很好的实用性，在中高端家居领域具有广泛的应用价值。

五、环境检测功能智能窗帘方案设计

随着社会节奏的加快，人们生活中的方方面面都变的更为紧密。生活节奏逐渐加快的同时，人们也对传统的住宅提出了更高要求。如今，人们早已不单单要求拥有一个简洁的物理空间，而更为关注居家环境的安全、方便、舒适。目前，生活中主要是通过手动拉开、关闭窗帘，采用这种方法必定会给使用者带来不便，特别是行动不便的人们。室内的温度、湿度也由于窗帘的存在影响着人们的生活。同时，随着近几年大气层的破坏和污染，一些大城市持续地阴霾天气，人们开始关注PM2.5值，环境中大量的有毒、有害物质在大气中长时间停留，通过窗户及窗帘进入室内，严重影响了我们的生活质量。

研究一款具有环境检测功能的自动窗帘控制系统。该窗帘可以实现对室内外环境的检测，通过对环境的判断自动控制窗帘开合，并通过显示器件呈现给用户当前室内的环境参数，使之窗帘更加人性化，智能化。系统配有环境温湿度检测、环境空气质量检测、室外紫外线、PM2.5等功能，并使用了触摸屏技术代替了传统的按键，使得更贴合人们的操作习惯。自动窗帘中加入环境检测传感器的目的是提醒用户，特别是敏感人群在室外环境较差时应尽量避免高强度户外锻炼，外出时做好防护措施，从而提高用户居住生活质量。

5.1涉及到的环境参数

（1）室内温湿度：据生理学家研究，室内温度过高时，会影响人的体温调节功能，引起体温升高、、脉搏加快、心率加速等。冬季，如果室内温度经常保持在25℃以上，人就会神疲力乏、头晕脑涨、思维迟钝、记忆力差。如果室内温度过低，则会使人体代谢功能下降，脉搏、呼吸减慢，呼吸道粘膜的抵抗力减弱，容易诱发呼吸道疾病。因此，科学家们研究认为，最佳室温分别定为11℃和30℃。

在注意室内温度调节的同时，还应注意室内的湿度。室内湿度过低时，因上呼吸道粘膜的水分大量散失，人会感到口干、舌燥，甚至咽喉肿痛、声音嘶哑和鼻出血等，并易患感冒。所以，专家们研究认为，室内合适得湿度是40%到60%之间。

（2）室外空气质量：空气质量是依据空气中污染物浓度的高低来判断的，污染物排放是影响空气质量的最主要因素之一，包括车船尾气、工业生产排放、垃圾焚烧等。根据国家《环境空气质量标准(GB3095－1996)》定义了空气污染指数，我国当前采用的空气污染指数(API)分为五级，API值小于等于50，说明空气质量为优，相当于达到国家空气质量一级标准，符合自然保护区、风景名胜区的空气质量要求。API值在50～100区间，表明空气质量良好，相当于达到国家空气质量二级标准。API值在100～200区间，表明空气质量为轻度污染，儿童、老人、呼吸系统等疾病患者及一般人群停止或减少户外运动。API值大于200，表明空气质量较差，一定时间接触后，对人体危害较大。

（3）室外光照度(紫外线)：室内阳光的充足度非常重要，冬天需要足够的阳光来照射，进行室内杀菌取暖，而在夏天又不宜长时间暴晒，特别是炎热的中午。在夏日的阳光下爆晒后，室内温度迅速上升，家具、地板等物品变形退色。夏天外出如果不注意紫外线强度，胳膊、肩膀、后背，还有脸常常有火辣辣的感觉，这些地方皮肤先是发红，然后变黑，最后一点点脱皮，几天以后皮肤难忍的症状才慢慢恢复，人却变黑了。这些都是阳光中紫外线对人体的伤害。

（4）项目研究目标及主要内容：本控制系统提出可以根据光照强度、温湿度大小、空气质量等级等来控制窗帘，主要完成以下几大功能:

(a)半自动控制:半自动手动控制是在需要关闭或打开窗帘的时候，只需要人工按一下“正转”或“反转”按键后，窗帘到位自动停止。

(b)早晚开关自动控制:窗帘的关启和关闭，可通过设置定时时间，来控制窗帘的关闭和打开。一般设置早上6:30自动开启窗帘，晚上8∶00自动关闭窗帘。当然用户可根据不同的季节和不同的生活习惯设置定时时间。实现“天黑关闭，天亮打开”的智能管理，不产生误动作。

(c)遮阳自动控制:通过DS1302计时芯片判断春夏秋冬四季，根据不同的季节执行不同的控制方案，夏天当光照强度达到一定值时，自动关闭窗帘，冬天则要保证充足地阳光。环境光照度的采集通过光敏电阻和运放电路，由单片机输出电平控制电机的正转和反转。

(d)污染检测智能控制:当检测到湿度较大、尘埃较多，空气质量重度污染或阴霾天气(PM2.5较大)时，窗帘无条件关闭，并提醒业主注意关闭窗户，减少外出，若外出要带好口罩。

5.2环境监测智能窗帘开发流程

（1）机械结构设计方案：整个系统的开发设计应考虑耐磨损、噪音低、运转平稳、免维护等方面因素。结构设计如图1所示。采用交流同步电动机作为动力，它具有运行稳定，适合低速大型设备等优点。传动箱内安装行星变速机构，降低电机的转速，采用两只微动开关断开，控制电机的转动与停止，采用双绕组电容运行方式，实现同步电机的正转与反转，以达到控制窗帘的效果。电机与电源之间采用接插件方式，电机与传动箱采用锁紧片咬口连接方式，传动箱与窗帘之间采用扣环连接方式。

（2）传动箱结构：以现有家庭常用传动箱箱体为研究对象，考虑结构优化技术，以减轻质量，提高箱体的刚、强度为目标对传动箱体结构进行设计，如图2所示。采用同步齿型带传动，达到高控制精度和高稳定性的要求。在齿型带上安装二个滑车，当电机带动齿型带转动时，二个滑车就会在相反方向运动，实现窗帘双开或双关的要求。

（3）窗帘整体设计：电机由控制盒控制，控制盒一般安装在窗户的旁边，控制盒上安装显示界面，以便能给用户及时显示各环境参数。同时温湿度传感器安装在室内，光照度和空气质量传感器安装在室外。

5.3智能窗帘控制系统设计

（1）系统整体结构规划：该自动控制系统具有检测环境功能，并通过显示设备呈现给用户。当系统检测到环境参数符合窗帘开合参数时就向继电器发出控制信号，由继电器驱动窗帘做出相应地开合动作。为满足系统人机交互性能友好，采用TFT液晶显示和触摸屏技术，同时系统还配有室外光亮度检测、空气质量检测、温湿度检测等功能，可以实现对周围环境空气的动态测量。其硬件结构框图如图4所示。同时采用DS1302外部时钟电路，它可以对年、月、日、周、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能，为系统提供一个精确的时间。

（2）显示输出电路设计：显示电路是应用系统的关键部分，是构成人机对话的基本方式。系统采用3.5寸LCD TFT彩色液晶屏，TFT全称为薄膜场效应晶体管，该液晶显示器上的每个液晶像素点都是由集成在基板上的薄膜晶体管来驱动的。该显示输出涉及触摸技术和SD卡快速存储技术，其中采用屏幕触摸技术是为了在系统软件程序协调下实现对电动窗帘智能化、人性化的控制，满足用户的使用习惯。采用SD卡存储是为了提供更多的存储空间，丰富显示图象，满足用户视觉。

（3）窗帘电机控制电路设计：继电器控制电路为输出模块，单片机将环境参数处理后控制继电器动作，继电器模块与电动窗帘的外部控制接口连接，从而实现对窗帘的控制，其中电动窗帘内部有自己的控制器。

5.4环境监测窗帘系统软件设计

整个系统由单片机STC12LE5A60S2为控制核心，多传感器信息融合，组成检测单元，提高系统描述环境的能力。继电器模块与电机组成执行单元，根据获取的环境信息，有效、完整、可靠地完成了窗帘开关动作。使用单片机C语言编程和Keil uVision2编译器软件，采用模块化设计思路，即分模块设计，有利于程序的调试和后续的维护升级。程序设计思路如图7所示，通过带触摸TFT液晶屏设置窗帘早晚开关时间，并显示环境参数，窗帘根据设定的时间定时开关窗帘。白天的空气质量、PM2.5值、温湿度和光照度四个参数，只要其中一个超标，都会导致窗帘无条件关闭(与关系)，只有都不超标时才打开窗帘。

总结

本设计研究具有环境检测功能的自动窗帘控制系统，以单片机为核心，通过I/O端口控制继电器，实现与电动窗帘外部接口的连接，并配以TFT液晶触摸屏和一系列环境参数检测装置以及在系统软件程序协调下实现对电动窗帘智能化、人性化的控制。

智能窗帘整体结构简单，成本低廉，安全可靠。使得电路具有较高的可靠性和稳定性，且结构简单、操作方便、高人性化、高智能化和低功耗的优点。能够更好地贴近普通用户。该项目在一般窗帘的基础上进一步研究，将环境参数融入到设计理念中，采用了柔性化设计思维，用户可以方便地调整各项参数，提高了系统的人性化。同时本控制器还可与现有市场上的电动窗帘外部控制端口连接，使得原本的手动电动窗帘改变为自动控制，比起一整套家居智能化系统，本设计具有成本低、安装方便、更适合企事业单位。未来将在现有研究成果的基础上，升级微处理器处理能力，提高人机界面的友好度，进一步优化操作。

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