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摘 要：本文以STM32单片机为核心，设计了一套智能窗口控制系统。该系统通过对室内外温度、湿度、光照度，室外雨量、风速，室内人体等环境因素进行实时监测，并根据设定的相关参数标准值，智能进行窗帘与窗户的开闭。并使用WIFI无线通信，融入手机APP控制，通过手机APP可实现各种信息展示、参数设定、控制指令下发、异常信息提示、历史数据分析等功能，可实现家居窗口的智能化，为人们提供一个舒适、有乐趣的居住环境。
关键词：STM32;智能家居;智能窗口;控制系统
中图分类号：TP273 文献标识码：A
0 引言
随着现代自动控制技术的不断发展，人们的生活在不断地向自动化、信息化、智能化发展，万物互联不再是梦想，智能家居是在互联网技术影响下的万物互联的具体体现。智能家居可将各种家用电器通过互联网进行互联，并将原本手动操作的装置进行自动化改造，一起通过互联网并入到智能物联网中。
窗口作为室内与室外沟通的桥梁，是调节室内空气质量、温度、湿度、光照度等环境要素的重要装置，因此对其进行自动化、智能化改造，融入互联网、物联网中[1]，对提高人们生活便利性、增加生活乐趣、拉动消费增长具有一定的意义。
1 控制系统设计方案
如图1所示，以单片机为控制核心，通过对温度、湿度、光照度、人体、雨量、风速等参数的实时监测，实现窗帘、窗户的智能开闭[2]。并加入WIFI无线通信功能，通过手机即可实现该系统相关参数的设置和相关信息的获取，使系统更加智能化、个性化，增加人机互动乐趣。
2 控制系统硬件选型
控制系统硬件由单片机、温湿度传感器、光照度传感器、雨量传感器、风速传感器、人体传感器、WIFI无线通信、电机控制与限位等模块组成[3]。
2.1 单片机选型
该系统采用嵌入式单片机，制成集成电路板，较PLC可大大节省空间，增加控制的灵活性。单片机常用的有基本的51单片机和高性能的ARM系列单片机。51系列通常是8位单片机，价格低廉，但存在集成度较低、A/D等功能需要扩展，晶振频率<24 MHz、处理速度较慢，芯片保护能力差、易烧毁等缺点。ARM系列是高性能单片机，如STM32系列，32位Cortex-M3內核、集成十多路A/D检测、晶振频率通常为72MHz、有多达11个定时器，处理速度快、功能强大。
选用工业应用广泛的STM32F103ZET6单片机，LQFP封装100引脚，满足该控制系统功能需求和处理速度要求，且获取渠道多、成本较低。
2.2 温湿度传感器模块选型
室内、室外皆需温度传感器和湿度传感器采集对应温度和湿度信号，如图2所示，选用集成温度和湿度检测功能的DHT22温湿度传感器模块，湿度测量范围：0%～100% RH，精度±2% TH;温度测量范围：-40℃～+80℃，精度±0.5℃。该模块可采用DC3.3 V供电，单线串行接口，该模块为3线接口：3.3 V＼GND＼DATA。
2.3 光照度传感器模块选型
室内、室外皆需该传感器，光照度的检测不需特定方向，因此检测元件不采用光敏二极管。如图2所示，选用5 GM55系列光敏电阻组成的光照度传感器模块，使用环境温度：-30℃～+70℃，响应时间20 ms～30 ms。该模块可采用DC3.3V供电，有1个模拟量输出接口和1个数字量输出接口，该模块为4线接口：3.3 V＼GND＼AOUT＼DOUT，该系统不使用其数字量输出接口DOUT。
2.4 雨量传感器模块选型
室外需要此模块，如图2所示，采用由LM393比较器模块和雨量采集板组成的雨量传感器模块，该模块可采用DC3.3 V供电，有1个模拟量输出接口和1个数字量输出接口，该模块为4线接口：3.3 V＼GND＼AOUT＼DOUT，该系统不使用其数字量输出接口DOUT。
2.5 风速传感器模块选型
室外需要此模块，如图3所示，选用三杯模拟量风速变送器，使用环境温度：-30℃～+80℃，环境湿度0%～100%RH，风速测量范围0 m/s～30 m/s，测量精度±1 m/s，波特率2400/4800/9600。DC12 V供电，信号输出端口为0 V～5 V模拟量，该模块为3线接口：12 V＼GND＼AOUT。
2.6 人体传感器模块选型
室内需要此模块，如图3所示，选用SR602人体红外感应模块，感应距离为0 m～5 m，DC3.3 V供电，信号输出端口为数字量接口，该模块为3线接口：3.3 V＼GND＼DOUT。
2.7 WIFI模块选型
家居类控制系统通信通常采用WIFI，借助家庭路由器搭建通信网络较为方便[4]，与手机、电脑等设备兼容性好。如图3所示，选用正点原子的ATK-ESP8266 WIFI模块，支持STA/AP/STA+AP三种模式，本系统使用STA模式：WIFI模块通过路由器连接互联网，手机通过互联网实现对设备的远程控制和信息传输。该模块可采用DC3.3V供电，有1对串行通信接口和2个数字量输入接口，该模块为6线接口：3.3 V＼GND＼TXD＼RXD＼RST＼IO0，其中TXD/RXD为串行通信接口，RST为复位接口，IO0可选择运行模式或烧写模式。
2.8 电机控制与限位
2.8.1 单相AC220 V电机
家电都是采用单相AC220 V供电，因此窗帘驱动电机和窗户驱动电机可选用单相AC220 V电机，且价格较低廉，具体型号需根据现场情况确定。单相交流电机的正反转接线如图4所示，由两个继电器K1和K2控制实现（K1和K2不可同时闭合）。
2.8.2 开关到位行程开关 因窗帘驱动电机和窗户驱动电机为开环控制，因此在窗帘打开和关闭的两端、窗户打开和关闭的两端，共设置4个行程开关，用于识别窗帘和窗户是否开关到位，且能防止电机过流。
3 核心电路板原理图设计
核心电路板实现对各模块供电、各传感器信号收集、各行程开关信号收集、各电机正反转控制等功能，原理图如图5所示。
3.1 供电模块及接口
控制系统供电采用AC220 V输入、DC 5V&12 V输出的开关电源。为核心电路板提供DC5 V和DC12 V，DC5 V经过变压与稳压模块后，给系统提供稳定的DC5 V和DC3.3 V控制电源。
3.2 数字量输入模块及接口
1个人体传感器模块、2个温湿度传感器模块的信号输出采用数字量接口，直接与单片机接口进行连接。
4个行程开关采用DC12 V供电，因此行程开关到单片机的信号需要先经过光耦TLP521进行隔离转换，转换为3.3 V信号后再输入单片机接口。
3.3 模拟量输入模块及接口
2个光照度传感器模块、1个雨量传感器模块、1个风速传感器模块的信号输出采用模拟量接口，需经过分压、LM358放大器后，分别输入单片机不同的A/D接口。
3.4 继电器模块及接口
采用DC12 V线圈继电器，每个继电器使用两个常开触点，控制一个电机的一个转动方向，因此一个电机的正反转需要两个继电器模块，且此两个继电器不可同时闭合。窗帘驱动电机和窗户驱动电机共需4个继电器模块。
4 控制系统软件设计
该系统的控制方式有两种：智能控制模式和人工控制模式，人工设定相关参数后即可实现智能控制[5]，同时人工控制具有更高的优先级。人机互动通过手机APP实现。
4.1 智能控制模式
通过手机端APP界面设定人体舒适温度值和湿度值、打开窗帘光照度值和关闭窗帘光照度值、早晨开窗时间、晚上关窗时间、雨量、风速、开窗时间等参数。
如图6所示，系统不断检测实时的室内室外温度、湿度、室内室外光照度、人体检测、雨量、风速等参数，如遇到雨量或风速大于设定值，则自动关窗。否则按照设定的室内室外温度、湿度、室内室外光照度和早晨开窗时间、晚上关窗时间进行判断是否进行开关窗动作。
冬天和夏天因为室内外温差较大，换气不需要开太大的窗口，因此冬夏开较小的窗口即可，春天和秋天窗口可以开的大些。且窗口开的程度不需太精确，窗帘驱动电机和窗户驱动电机没有采用成本较高的伺服电机，而是通过控制继电器闭合时间的长短来实现的。窗帘和窗户开闭到位的状态和电机的保护是依靠检测行程开关的状态实现的。
4.2 人工控制模式
除了系统智能运行参数的设定，人工可随时通过手机APP获取各传感器实时信息、异常提示信息，还可手动控制窗帘、窗户的开闭，且人工模式优先级高于智能模式[6]。
4.3 手机端APP
手机端APP需具备与控制系统进行WIFI通信的功能，实时获取并展示系统各模块状态信息，并可下发参数、控制指令，展示异常提示信息;具备数据存储和分析功能，对系统各模块获取的实时信息进行存储，并可查询和分析历史信息。
5 结论
本文以STM32F103ZET6单片机为控制核心，采用WIFI无线通信方式，依托手机APP平台，设计了一套智能窗口控制系统。对室内外温度、湿度、光照度，室外雨量、风速，室内人体等环境因素进行实时监测，并根据手机设定的相关参数标准值，智能进行窗帘与窗户的開闭。还可通过手机APP实现各种信息展示、控制指令下发、异常信息提示、历史数据分析等功能，实现了家居窗口的智能化控制，可提高人们的生活便利性、增加人们的生活乐趣。
参考文献：
[1]邓圆，李佳佳，何秋元.基于STC89C52的智能窗户设计[J].电脑知识与技术，2020，16（13）：206-207.
[2]李小敏，张翠玲，赵艳丽.一种基于STC12C5A60S2的智能窗户系统设计[J].物联网技术，2020，10（05）：70-72.
[3]吴哲，刘星雨，黄建行，等.基于多传感器融合的智能窗设计与实现[J].电工技术，2019，40（12）：19-21.
[4]王盟.基于ZigBee通信技术在智能家居中的应用[J].长春大学学报，2019，29（02）：1-5.
[5]陈传军，王瑞东，廖伟豪，等.全自动化智能窗户智能控制系统设计[J].科技经济导刊，2019，29（12）：51+55.
[6]王健，王一凡.基于STM32的空调与窗户联动自动控制系统设计[J].电子设计工程，2019，27（03）：115-118.
关键词：STM32;智能家居;智能窗口;控制系统
中图分类号：TP273 文献标识码：A
0 引言
随着现代自动控制技术的不断发展，人们的生活在不断地向自动化、信息化、智能化发展，万物互联不再是梦想，智能家居是在互联网技术影响下的万物互联的具体体现。智能家居可将各种家用电器通过互联网进行互联，并将原本手动操作的装置进行自动化改造，一起通过互联网并入到智能物联网中。
窗口作为室内与室外沟通的桥梁，是调节室内空气质量、温度、湿度、光照度等环境要素的重要装置，因此对其进行自动化、智能化改造，融入互联网、物联网中[1]，对提高人们生活便利性、增加生活乐趣、拉动消费增长具有一定的意义。
1 控制系统设计方案
如图1所示，以单片机为控制核心，通过对温度、湿度、光照度、人体、雨量、风速等参数的实时监测，实现窗帘、窗户的智能开闭[2]。并加入WIFI无线通信功能，通过手机即可实现该系统相关参数的设置和相关信息的获取，使系统更加智能化、个性化，增加人机互动乐趣。
2 控制系统硬件选型
控制系统硬件由单片机、温湿度传感器、光照度传感器、雨量传感器、风速传感器、人体传感器、WIFI无线通信、电机控制与限位等模块组成[3]。
2.1 单片机选型
该系统采用嵌入式单片机，制成集成电路板，较PLC可大大节省空间，增加控制的灵活性。单片机常用的有基本的51单片机和高性能的ARM系列单片机。51系列通常是8位单片机，价格低廉，但存在集成度较低、A/D等功能需要扩展，晶振频率<24 MHz、处理速度较慢，芯片保护能力差、易烧毁等缺点。ARM系列是高性能单片机，如STM32系列，32位Cortex-M3內核、集成十多路A/D检测、晶振频率通常为72MHz、有多达11个定时器，处理速度快、功能强大。
选用工业应用广泛的STM32F103ZET6单片机，LQFP封装100引脚，满足该控制系统功能需求和处理速度要求，且获取渠道多、成本较低。
2.2 温湿度传感器模块选型
室内、室外皆需温度传感器和湿度传感器采集对应温度和湿度信号，如图2所示，选用集成温度和湿度检测功能的DHT22温湿度传感器模块，湿度测量范围：0%～100% RH，精度±2% TH;温度测量范围：-40℃～+80℃，精度±0.5℃。该模块可采用DC3.3 V供电，单线串行接口，该模块为3线接口：3.3 V＼GND＼DATA。
2.3 光照度传感器模块选型
室内、室外皆需该传感器，光照度的检测不需特定方向，因此检测元件不采用光敏二极管。如图2所示，选用5 GM55系列光敏电阻组成的光照度传感器模块，使用环境温度：-30℃～+70℃，响应时间20 ms～30 ms。该模块可采用DC3.3V供电，有1个模拟量输出接口和1个数字量输出接口，该模块为4线接口：3.3 V＼GND＼AOUT＼DOUT，该系统不使用其数字量输出接口DOUT。
2.4 雨量传感器模块选型
室外需要此模块，如图2所示，采用由LM393比较器模块和雨量采集板组成的雨量传感器模块，该模块可采用DC3.3 V供电，有1个模拟量输出接口和1个数字量输出接口，该模块为4线接口：3.3 V＼GND＼AOUT＼DOUT，该系统不使用其数字量输出接口DOUT。
2.5 风速传感器模块选型
室外需要此模块，如图3所示，选用三杯模拟量风速变送器，使用环境温度：-30℃～+80℃，环境湿度0%～100%RH，风速测量范围0 m/s～30 m/s，测量精度±1 m/s，波特率2400/4800/9600。DC12 V供电，信号输出端口为0 V～5 V模拟量，该模块为3线接口：12 V＼GND＼AOUT。
2.6 人体传感器模块选型
室内需要此模块，如图3所示，选用SR602人体红外感应模块，感应距离为0 m～5 m，DC3.3 V供电，信号输出端口为数字量接口，该模块为3线接口：3.3 V＼GND＼DOUT。
2.7 WIFI模块选型
家居类控制系统通信通常采用WIFI，借助家庭路由器搭建通信网络较为方便[4]，与手机、电脑等设备兼容性好。如图3所示，选用正点原子的ATK-ESP8266 WIFI模块，支持STA/AP/STA+AP三种模式，本系统使用STA模式：WIFI模块通过路由器连接互联网，手机通过互联网实现对设备的远程控制和信息传输。该模块可采用DC3.3V供电，有1对串行通信接口和2个数字量输入接口，该模块为6线接口：3.3 V＼GND＼TXD＼RXD＼RST＼IO0，其中TXD/RXD为串行通信接口，RST为复位接口，IO0可选择运行模式或烧写模式。
2.8 电机控制与限位
2.8.1 单相AC220 V电机
家电都是采用单相AC220 V供电，因此窗帘驱动电机和窗户驱动电机可选用单相AC220 V电机，且价格较低廉，具体型号需根据现场情况确定。单相交流电机的正反转接线如图4所示，由两个继电器K1和K2控制实现（K1和K2不可同时闭合）。
2.8.2 开关到位行程开关 因窗帘驱动电机和窗户驱动电机为开环控制，因此在窗帘打开和关闭的两端、窗户打开和关闭的两端，共设置4个行程开关，用于识别窗帘和窗户是否开关到位，且能防止电机过流。
3 核心电路板原理图设计
核心电路板实现对各模块供电、各传感器信号收集、各行程开关信号收集、各电机正反转控制等功能，原理图如图5所示。
3.1 供电模块及接口
控制系统供电采用AC220 V输入、DC 5V&12 V输出的开关电源。为核心电路板提供DC5 V和DC12 V，DC5 V经过变压与稳压模块后，给系统提供稳定的DC5 V和DC3.3 V控制电源。
3.2 数字量输入模块及接口
1个人体传感器模块、2个温湿度传感器模块的信号输出采用数字量接口，直接与单片机接口进行连接。
4个行程开关采用DC12 V供电，因此行程开关到单片机的信号需要先经过光耦TLP521进行隔离转换，转换为3.3 V信号后再输入单片机接口。
3.3 模拟量输入模块及接口
2个光照度传感器模块、1个雨量传感器模块、1个风速传感器模块的信号输出采用模拟量接口，需经过分压、LM358放大器后，分别输入单片机不同的A/D接口。
3.4 继电器模块及接口
采用DC12 V线圈继电器，每个继电器使用两个常开触点，控制一个电机的一个转动方向，因此一个电机的正反转需要两个继电器模块，且此两个继电器不可同时闭合。窗帘驱动电机和窗户驱动电机共需4个继电器模块。
4 控制系统软件设计
该系统的控制方式有两种：智能控制模式和人工控制模式，人工设定相关参数后即可实现智能控制[5]，同时人工控制具有更高的优先级。人机互动通过手机APP实现。
4.1 智能控制模式
通过手机端APP界面设定人体舒适温度值和湿度值、打开窗帘光照度值和关闭窗帘光照度值、早晨开窗时间、晚上关窗时间、雨量、风速、开窗时间等参数。
如图6所示，系统不断检测实时的室内室外温度、湿度、室内室外光照度、人体检测、雨量、风速等参数，如遇到雨量或风速大于设定值，则自动关窗。否则按照设定的室内室外温度、湿度、室内室外光照度和早晨开窗时间、晚上关窗时间进行判断是否进行开关窗动作。
冬天和夏天因为室内外温差较大，换气不需要开太大的窗口，因此冬夏开较小的窗口即可，春天和秋天窗口可以开的大些。且窗口开的程度不需太精确，窗帘驱动电机和窗户驱动电机没有采用成本较高的伺服电机，而是通过控制继电器闭合时间的长短来实现的。窗帘和窗户开闭到位的状态和电机的保护是依靠检测行程开关的状态实现的。
4.2 人工控制模式
除了系统智能运行参数的设定，人工可随时通过手机APP获取各传感器实时信息、异常提示信息，还可手动控制窗帘、窗户的开闭，且人工模式优先级高于智能模式[6]。
4.3 手机端APP
手机端APP需具备与控制系统进行WIFI通信的功能，实时获取并展示系统各模块状态信息，并可下发参数、控制指令，展示异常提示信息;具备数据存储和分析功能，对系统各模块获取的实时信息进行存储，并可查询和分析历史信息。
5 结论
本文以STM32F103ZET6单片机为控制核心，采用WIFI无线通信方式，依托手机APP平台，设计了一套智能窗口控制系统。对室内外温度、湿度、光照度，室外雨量、风速，室内人体等环境因素进行实时监测，并根据手机设定的相关参数标准值，智能进行窗帘与窗户的開闭。还可通过手机APP实现各种信息展示、控制指令下发、异常信息提示、历史数据分析等功能，实现了家居窗口的智能化控制，可提高人们的生活便利性、增加人们的生活乐趣。
参考文献：
[1]邓圆，李佳佳，何秋元.基于STC89C52的智能窗户设计[J].电脑知识与技术，2020，16（13）：206-207.
[2]李小敏，张翠玲，赵艳丽.一种基于STC12C5A60S2的智能窗户系统设计[J].物联网技术，2020，10（05）：70-72.
[3]吴哲，刘星雨，黄建行，等.基于多传感器融合的智能窗设计与实现[J].电工技术，2019，40（12）：19-21.
[4]王盟.基于ZigBee通信技术在智能家居中的应用[J].长春大学学报，2019，29（02）：1-5.
[5]陈传军，王瑞东，廖伟豪，等.全自动化智能窗户智能控制系统设计[J].科技经济导刊，2019，29（12）：51+55.
[6]王健，王一凡.基于STM32的空调与窗户联动自动控制系统设计[J].电子设计工程，2019，27（03）：115-118.