基于嵌入式系統(tǒng)的智能門窗設(shè)計(jì)

引言
    隨著21世紀(jì)信息化時(shí)代的到來，社會(huì)信息化和家居智能化也呈現(xiàn)出了蓬勃發(fā)展的趨勢，越來越多的家庭開始追求高質(zhì)量、高科技舒適安全的家居生活，充分享受由信息時(shí)代帶來的生活上的便利。作為智能家居系統(tǒng)的子系統(tǒng)——智能門窗，是在傳統(tǒng)住宅的基礎(chǔ)上，綜合利用傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了門窗各種信息的采集、傳輸、處理和控制。安全舒適的家居環(huán)境是實(shí)現(xiàn)家居智能化的基礎(chǔ)和前提，而門窗作為家庭與外界互通的門戶，起著尤為關(guān)鍵的作用，實(shí)現(xiàn)門窗的智能化是智能家居的第一步，也是非常重要的一步。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
    智能門窗屬建筑領(lǐng)域的附件，它包括智能控制系統(tǒng)和門窗開關(guān)裝置以及報(bào)警系統(tǒng)。該智能門窗實(shí)現(xiàn)的主要功能是當(dāng)室內(nèi)燃?xì)庑孤叮珻O和CO2含量過高，甲醛、苯等有毒物質(zhì)超標(biāo)時(shí)，能夠控制窗戶自動(dòng)打開，讓空氣形成對(duì)流，并啟動(dòng)排風(fēng)扇向室外排出有害氣體，當(dāng)室外環(huán)境不允許開窗時(shí)(比如風(fēng)雨和沙塵天氣)由風(fēng)光雨傳感器傳輸信號(hào)到主控系統(tǒng)，使其發(fā)出指令關(guān)閉窗戶，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)將以排風(fēng)扇工作為主。如果狀況仍未緩解，則啟動(dòng)警報(bào)裝置。
    整個(gè)系統(tǒng)由主控芯片、各種傳感器、報(bào)警器終端，以及機(jī)械傳動(dòng)裝置組成，控制芯片和傳感器等直接固定在門窗上，而報(bào)警終端則可固定在室內(nèi)墻壁或容易引起主人警覺的地方。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．1 LPC2136微控制器概述
    LPC2136是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S CPU微控制器，它帶有256 KB嵌入的高速片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器。片內(nèi)128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘頻率下運(yùn)行。
    P0．27～P0．30為LPC2136的A／D轉(zhuǎn)換器輸入端，作為風(fēng)光雨模擬信號(hào)、溫度模擬信號(hào)和有害氣體檢測信號(hào)等的模擬輸入端，分時(shí)段掃描查詢這幾個(gè)模擬量，并將風(fēng)光雨模擬信號(hào)、有害氣體模擬信號(hào)等做A／D轉(zhuǎn)換后顯示在LCD顯示單元上。風(fēng)光雨傳感器輸出的信號(hào)非線性誤差較大，并對(duì)溫度敏感，本文設(shè)計(jì)了專用的放大、處理和補(bǔ)償電路對(duì)其信號(hào)進(jìn)行處理和補(bǔ)償，使其輸出的模擬量基本達(dá)到線性。實(shí)測證明可達(dá)到5％的誤差，這對(duì)于一般的監(jiān)控已可以滿足要求。
1．2 感應(yīng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    該部分主要以傳感器為采集信號(hào)手段，經(jīng)轉(zhuǎn)換元件將采集到的信號(hào)進(jìn)行加工，使采集到的模擬信號(hào)能夠被主控制芯片識(shí)別，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

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1．3 有害氣體檢測模塊
    居室里的空氣是由多種氣體混合而成的，對(duì)人體有害的物質(zhì)主要是CO2、CO、煤氣、有害化學(xué)物質(zhì)(如甲醛、苯類等)以及可吸入顆粒及附著在其上的病菌等，這些有害物質(zhì)的濃度過高時(shí)會(huì)對(duì)人體造成危害。
    有害氣體檢測電路，如圖3所示。在該電路中主要用氣敏傳感器實(shí)現(xiàn)“氣-電”轉(zhuǎn)換，在正常情況下，氣敏傳感器不接觸有害氣體或有害氣體濃度很低時(shí)，氣敏傳感器兩端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，檢測到的信號(hào)小，不能驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路而使其工作。反之，檢測信號(hào)變大，從而驅(qū)動(dòng)開窗器
和排風(fēng)扇工作，及時(shí)報(bào)警，并盡可能地排除有害氣體。
    (1)一氧化碳傳感器。選用深圳富安達(dá)公司的CO／MF-500型電化學(xué)傳感器，當(dāng)環(huán)境的CO濃度發(fā)生變化時(shí)，電化學(xué)方程的平衡產(chǎn)生移動(dòng)，輸出的電流發(fā)生相應(yīng)的變化。該傳感器量程為0～500 ppm，分辨率為1 ppm，線性輸出，并且過濾了H2S和SO2氣體，測量精度較高。
    (2)甲醛傳感器。選用深圳市富安達(dá)公司的S-10電化學(xué)傳感器，測量范圍為0～10 ppm，最大負(fù)載為50 ppm，輸出信號(hào)為800 nA／ppm，分辨率為0．05 ppm，響應(yīng)時(shí)間小于50 s，可在高濕度等惡劣環(huán)境下工作。
    (3)煙霧傳感器。選用深圳市商斯達(dá)公司的離子室煙霧傳感器，電源電壓為直流6．0～18．0 V，輸出電壓為(5．6±0．4)V，靈敏度為(0．6±0．1)V，溫度為-10～+60℃。
    氣體傳感器需要用導(dǎo)線引出，同時(shí)控制器需要一組12 V(DC，500 mA)的電源供電。由于氣體傳感器需要電源預(yù)熱，功耗較大，+5 V電源下約需150 mA電流。本文采用一個(gè)LM7805三端穩(wěn)壓器供電，同時(shí)加上適當(dāng)?shù)纳崞?，以保證長時(shí)間可靠穩(wěn)定的工作。實(shí)踐證明，它對(duì)溫度和濕度測量是準(zhǔn)確和迅速有效的，對(duì)氣體的檢測也十分敏感，遇到有危險(xiǎn)氣體時(shí)能可靠地發(fā)出報(bào)警和自動(dòng)接通風(fēng)扇排風(fēng)，為人員的安全起到高靈敏度的檢測和保護(hù)作用。
1．4 風(fēng)光雨感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    風(fēng)光雨傳感器是一種集多種傳感器于一身的多功能傳感器，它可以自動(dòng)檢測風(fēng)力、光線強(qiáng)度、雨量大小，為窗戶的開啟控制提供依據(jù)，這里選用深圳卓靈公司的ZF-WRR型風(fēng)光雨傳感器，其工作電壓為直流12 V；工作電流為0．1 A；風(fēng)感器可設(shè)定風(fēng)速值為1～4級(jí)，范圍為3～20 km／h；雨感器可設(shè)定范圍為1～5 mm／h；采用防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，以及風(fēng)感部分雙軸承結(jié)構(gòu)，可確保風(fēng)感靈敏度。當(dāng)室內(nèi)有害氣體濃度過大，除開啟排風(fēng)扇將有害氣體排出室外，還可連接開窗器作為輔助將窗戶打開，但若逢大風(fēng)、大雨或風(fēng)沙天氣，因不適宜開窗，則由MCU發(fā)出關(guān)閉窗戶指令。
1．5 門窗防盜模塊設(shè)計(jì)
    該模塊主要用于防止門窗打開時(shí)，不法分子趁機(jī)入室或窗戶關(guān)閉時(shí)破窗而入，對(duì)房屋主人的人身及財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。該模塊主要由人體靠近傳感器和玻璃破碎傳感器組成，如圖4所示。
    人體靠近傳感器  是基于紅外線技術(shù)的產(chǎn)品，當(dāng)有人進(jìn)入開關(guān)感應(yīng)范圍時(shí)，傳感器探測到人體紅外光譜的變化，開關(guān)自動(dòng)接通負(fù)載，延時(shí)3 s后檢測到人不離開或有繼續(xù)入侵動(dòng)作，先以紅燈警告，再延時(shí)3 s，如果還未離開，則打開高分貝聲光警報(bào)器，以達(dá)到驅(qū)趕入侵者，必要時(shí)還可將警情傳輸?shù)叫^(qū)保衛(wèi)處以及房屋主人的手機(jī)上。

    玻璃破碎傳感器  是利用振動(dòng)傳感器在玻璃破碎時(shí)發(fā)出2 kHz特殊頻率，感應(yīng)出報(bào)警信號(hào)。為了避免室內(nèi)因玻璃器皿破碎、電話鈴聲、鬧鐘以及其他一些聲音引起誤報(bào)警信號(hào)，目前玻璃破碎傳感器采用了雙探測技術(shù)，即需要同時(shí)探測到破碎產(chǎn)生的振蕩和音頻聲響，才能發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
    門磁開關(guān)  由一條永久磁鐵和一個(gè)常開觸點(diǎn)的干簧管組成，一般把干簧管安裝在被監(jiān)視房門的門框上，把永久磁鐵安裝在門上，關(guān)門后，干簧管在磁場的作用下接通，當(dāng)門被打開時(shí)，干簧管觸點(diǎn)斷開，觸發(fā)報(bào)警電路。
1．6 執(zhí)行系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)
    智能門窗的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括排風(fēng)扇、開窗器、聲光報(bào)警器和電話報(bào)警等。排風(fēng)扇部分如圖5所示，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)由PWM來控制轉(zhuǎn)速，安裝在廚房等易出現(xiàn)煤氣泄漏的場所，可有效地排出有害氣體，避免室內(nèi)人員煤氣或CO中毒。
    開窗器分為螺旋式開窗器和鏈條式開窗器，它采用天津科普瑞特公司的E350型螺旋式開窗器進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作電壓為直流24 V；工作電流為1 A；推拉力為1 000 N；行程為90～1 000 mm；速度為5 mm／s。該開窗器采用全金屬材質(zhì)、內(nèi)螺桿式電動(dòng)開窗、鋁合金外殼、開窗時(shí)噪音低，開窗推力大，支撐強(qiáng)度高，可調(diào)節(jié)的滑動(dòng)支架便于安裝，適合于各種窗型。當(dāng)煤氣泄漏或有害氣體濃度在開窗和排風(fēng)扇工作一段時(shí)間后仍未減小到無害的程度或有人非法入侵時(shí)，就要啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置，該警報(bào)器適宜裝在房屋主人容易警覺處，如客廳和臥室。警報(bào)器啟動(dòng)時(shí)將以高分貝的警報(bào)聲和LED燈光發(fā)出警告，同時(shí)LCD液晶顯示將告訴房屋主人是何原因警報(bào)(煤氣泄漏或有人非法入侵)。
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2 軟件設(shè)計(jì)
    為了使軟件更安全、簡潔，設(shè)計(jì)中使用μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)。在該操作系統(tǒng)下，所有的操作都是對(duì)任務(wù)的處理，因此系統(tǒng)的整體框圖應(yīng)該有幾個(gè)任務(wù)組成。該系統(tǒng)由以下兩個(gè)任務(wù)組成。任務(wù)1：讀取室內(nèi)氣體傳感器的數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理；判斷室內(nèi)空氣污染是否超標(biāo)，若超標(biāo)則進(jìn)行開窗和啟動(dòng)排風(fēng)扇，使室內(nèi)空氣污染濃度降低，如圖6所示。任務(wù)2：主要任務(wù)為防盜報(bào)警和氣體超標(biāo)報(bào)警，讀取門窗報(bào)警器信號(hào)，啟動(dòng)聲光報(bào)警器，并顯示報(bào)警原因，如圖7所示。

3 結(jié)語
    本文主要研究了一種基于ARM7處理器的嵌入式智能門窗設(shè)計(jì)。其中該設(shè)計(jì)綜合了傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)本著安全、高效、低功耗、小體積和實(shí)用性強(qiáng)思想來設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中采用LPC2136微控制器作為設(shè)計(jì)的主控芯片，實(shí)現(xiàn)了有害氣體的檢測，門窗的智能化，防盜報(bào)警，燃?xì)庑孤秷?bào)警等功能。經(jīng)使用，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使家居生活更加安全舒適。