摘 要： 基于物聯網信息平臺設計了智能窗戶系統，可以進行空氣置換，對大風、下雨等天氣狀況做出判斷，對窗戶受到撞擊、盜賊越窗等情況發出報警，對室內有害氣體濃度進行感知等。系統的判斷行為及結果通過物聯網傳送至用戶手機終端，進行信息的交互。系統的硬件和軟件采用模塊化設計，可根據用戶的不同需求，靈活搭配模塊，以滿足用戶的多樣化需求，提高用戶健康、宜居生活質量。
關鍵詞： 物聯網；智能；窗戶
0 引言
隨著科技的進步和人們生活水平的提高，智能家居的概念越來越深入人心，人們希望自己的住宅可以更舒適、更安全、更科學、更智能。智能窗戶作為智能家居的重要組成部分，必將成為未來人們對窗戶的主要需求和發展方向[1-2]。
窗戶是室內與外界交流的通道，智能窗戶的設計，將為人們的健康生活提供良好的環境監護，它可以自動開啟進行新鮮空氣的置換，當遇到大風、下雨、空氣濕度大等天氣變化時，它能自動關閉；當有外物撞擊窗戶或穿越窗戶時，它能準確地感應并發出報警，同時以短信的形式通知用戶；當室內有害氣體（如一氧化碳、甲醛等）超標時，它能判斷超標值的大小及危害程度，并自行決定出窗戶開啟幅度的大小。諸如此類的環境及設備狀態信息，由智能窗戶的核心控制模塊處理，然后通過物聯網，最終將信息推送到用戶的手機，用戶還可以做出判斷，并通過手機平臺進行干預和遙控。
1 系統整體設計方案
如圖1所示，整個智能窗戶系統由窗戶本體及機械傳動機構、ARM控制核心模塊、供電模塊、傳感器模塊、物聯網及用戶終端（如手機）組成。ARM控制核心模塊通過機械傳動機構實現不同方式窗戶本體的開啟和關閉，通過傳感器模塊采集室外大氣濕度、室內有害氣體、大風、窗體振動、窗戶開關狀態等信息。手機終端通過通信模塊、物聯網、無線傳輸模塊與核心控制模塊建立信息交流和用戶指令的下達。供電模塊為整個智能窗戶系統提供電力保障。
1.1 窗戶本體
窗戶可采用平移式或轉動式，例如參考文獻[1]采用的是平移式，參考文獻[2]采用轉動式，根據窗戶的開關方式選擇相應的機械傳動機構模塊。機械傳動機構的設計應綜合考慮小巧、可靠、運行噪音低、易維護、成本低等諸多因素。窗戶開關的動力來自電機，對窗戶開啟幅度的精確控制宜采用步進電機[3-5]，由ARM控制核心模塊直接發送控制指令控制步進電機的轉速、轉向和步數，經傳動機構實現窗戶本體的自動平移或轉動。
1.2 ARM控制核心模塊
ARM控制模塊的內部組成如圖2所示，基于utu Linux嵌入式操作系統開發，以32 bit ARM920為內核，工作頻率400 MHz，JTAG調試模塊為用戶對主控模塊進行調試和二次開發提供端口。為了提高嵌入式操作系統運行的速度和效率，ARM920核心控制芯片擴展了32 MB SDRAM靜態內存作為程序數據運算的暫存空間，硬件基于HY57V561620RT-H芯片開發。外擴的64 MB Flash可擦寫存儲器用來存儲系統掉電后仍需要保存的代碼和數據，也是嵌入式操作系統固化程序的存儲空間，硬件基于K9F1208UOM芯片開發。
1.3 供電模塊
供電模塊可根據用戶用電的現有條件選用。可采用220 V方式供電，但要考慮意外情況斷電問題。如果發生意外斷電，控制模塊應能感應到并做出判斷，緊急啟用其備用蓄電模塊的電能將窗戶關閉。還可以在條件具備的情況下，選用太陽能或其他方式供電，將太陽能轉化為電能儲存在蓄電池中，為整個系統供電。
1.4 傳感器模塊
傳感器模塊可根據用戶的要求量身定做，采用模塊化的設計思想，對于特殊要求要選用滿足感知靈敏度需要的傳感器，費用會提高。通常情況下，用戶會有以下需求：當室內空氣不清新時，需與戶外空氣置換（可以為用戶干預模式）；當窗戶處于開啟狀態遇到大風時，需關閉；窗戶被外物撞擊或有人要翻窗而入時，智能系統及時向用戶發出報警信息；窗戶處于開啟狀態，但戶外濕度過大或下雨時，需關閉窗戶；室內有害氣體（如甲醛等）嚴重超標時，需提醒用戶，并自動應急開啟，但需感知窗戶開啟的幅度并進行控制。根據用戶的可能需要，開發各種傳感分模塊，針對具體用戶，只需將分模塊插合于總線端子上即可。如對大氣溫濕度的感知由溫濕度測量模塊完成，可選用SHT10傳感器芯片，每秒進行3次測量和數據記錄，數據精度選擇12 bit。SHT10傳感器芯片是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全量程標定數字輸出。芯片內部集成一個用能隙材料制成的溫度敏感元件和一個電容性聚合體濕度敏感元件，通過12 bit A/D轉換器和串行接口傳送測量數據。溫濕度測量模塊初始化時，使用Linux 2.6內核函數將設備注冊到ARM內核。
1.5 用戶終端模塊
用戶終端模塊包含通信模塊（其接口協議并入并可搭載聯通、移動、電信等網絡平臺）、物聯網、物聯網與ARM控制核心模塊進行信息交流的無線傳輸模塊。其中ARM控制核心模塊經無線傳輸模塊、物聯網、通信模塊與終端手機平臺進行監控信息的交互及控制指令的下達。
2 系統程序設計
如圖3所示，智能系統啟動后，先進行設備模塊端口初始化，然后進入系統自檢，自檢通過后，主控模塊對傳感器通道進行選擇、數據采集，同時根據用戶的控制指令（若無控制指令，則按照既定程序判斷）以及監控的窗戶當前狀態信息，進行數據存儲、分析，處理信息通過物聯網傳至手機平臺，用戶可以觀察信息，并進行人工干預，同時，控制核心模塊發出窗戶的開啟、關閉等控制指令，驅動機械傳動機構動作，使窗戶開啟或關閉。
ARM智能窗戶控制核心程序基于Linux 2.6開發平臺，該軟件具有圖形界面良好、網絡資源豐富、內核可定制等優點。Linux 2.6編制的程序具有實時性強、方便移植、可內存共享以及I/O系統優化等特點[6]。嵌入式程序設計采用模塊化結構，主要包括主程序模塊、數據采集模塊、溫濕度誤差補償模塊和上位機響應模塊等。對傳感器的誤差補償采用軟件實現比硬件方案方法更簡單、更靈活而且更穩定。
3 結論
本文設計的智能窗戶系統，通過物聯網與用戶終端建立人窗交流，智能模塊能自動采集傳感通道信息，對大風、下雨、空氣置換等做出判斷，可完成原來需人工思考才能完成的事情，控制窗戶的開啟或關閉，監控窗戶的實時狀態信息，并且可根據用戶的要求，即所要監控的室內、室外環境因子，量身定制智能窗戶的功能模塊。隨著智能家居的發展，智能窗戶作為其不可或缺的組成部分，必將對提高人們生活質量起到重要作用。
參考文獻
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[6] 韋東山.嵌入式Linux應用開發完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.