文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174664
中文引用格式： 楊志剛，劉繼文. 基于手機的建筑用窗遠程開關控制系統的研究[J].電子技術應用，2018，44(5)：82-84，88.
英文引用格式： Yang Zhigang，Liu Jiwen. Research on remote control system of building windows based on mobile phone[J]. App-
lication of Electronic Technique，2018，44(5)：82-84，88.
0 引言
隨著中國社會的快速繁榮發展，人們的住房水平要求隨著生活水平的不斷提高也在不斷上升。科學技術和互聯網技術的快速發展又極大促進了我國建筑業朝著智能化方向的發展[1]。窗戶是建筑必不可缺少的構成部分，與人們日常生活活動息息相關[2]。目前，大多數建筑的窗戶還是以手動方式控制開關，這種傳統的手動開關窗戶日漸無法滿足現代人們的日常需求[3]，如突遇雷雨大風天氣，而家中又恰好沒人，無法及時關閉門窗[4]；早晨匆匆上班忘記開窗更新室內空氣等。因此人們迫切需要一種可以遠程控制的窗戶來滿足生活中的需求。
1 系統總體設計
1.1 系統總體構架
系統主要由3部分組成：手機終端、主控制器和電動開窗器。手機終端用于遠程控制窗戶和顯示窗戶實時運動狀態，提供直觀的人機交互界面；主控制器用來接收來自手機的指令信息、控制電動開窗器開關窗戶及把窗戶運動狀態信息反饋到手機上，因此是整個系統的核心；電動開窗器直接與窗戶連接，控制著窗戶的開關。系統總體結構圖如圖1所示。手機終端首先把指令消息發送到服務器上，服務器再把指令消息經互聯網發送到家里路由器，由路由器傳遞給主控制器，主控制器根據指令消息完成相應控制動作。
1.2 主控制器設計方案
窗戶要實現遠程控制需要一個用于控制窗戶開關的控制器。該控制器起著控制窗戶和遠程連接的作用，為系統的核心。3種常用于控制窗戶的控制器如下。
（1）單片機控制：單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，在工業控制領域廣泛應用。其優點：經濟實惠，成本相對較低；缺點：不易擴展，對環境依賴性強，開發周期長。用單片機制作的主控板，由于受制板工藝、布局結構、器件質量等因素的影響導致抗干擾能力差，故障率高。
（2）PLC控制：PLC（可編程邏輯控制器）是專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作電子系統。它采用一種可編程的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程[5]。其優點：抗干擾能力強，故障率低，易于設備的擴展，便于維護，開發周期短；缺點：成本相對單片機高。
（3）Arduino控制：Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，由一個歐洲開發團隊于2005年冬季開發。Arduino在開發之初就明確了其應用環境，設計了開源開放的平臺[6]。其擁有豐富的接口、簡便的編程環境、極大的自由度、標準化的接口模式、極高的可擴展性，是目前較為流行的電子互動平臺[7]。由于該板為開源硬件，因此市面上出現了許多與之功能匹配的擴展板和兼容板方便選擇使用。本系統選用了一種Arduino兼容板——ESPDuino板。該板既與Arduino相兼容而又在其基礎上增加了連接網絡功能，具有使用更方便、價格便宜的特點。
2 系統硬件設計與選用
系統的硬件采用模塊化設計，本系統的硬件主要由手機終端、主控制器、電動開窗器和窗戶組成。
2.1 手機終端選用
手機終端選用Android系統。Android手機現在已經成為市場占有率最高的移動操作系統，具有高度的開源性，拓展性非常高，這點使得其他手機系統不能與其相比[8]。相比于其他系統，Android系統開發更容易，幾乎沒有什么門檻，因此，可以很快地開發出自己的程序。
2.2 主控制器
主控制器是整個硬件系統的核心，一方面負責接收來自手機終端指令消息并控制開窗器來控制窗戶的開關；另一方面把窗戶的運動狀態反饋給手機。主控制器電路圖如圖2所示。主控制器主要由主控板、紅外對射式傳感器和無線發射模塊組成。
2.2.1 主控板
主控板選用的是四博智聯科技有限公司生產的ESPDuino板。該板是該公司基于ESP8266-13而開發的，與Arduino UNO相兼容。該板采用ESP-WROOM-02貼片式WiFi模塊，相對于傳統的Arduino板，不僅省去了外接WiFi模塊布線的麻煩和費用，而且還使得系統運行更加可靠、體積更小，在與網絡連接使用中具有廣泛的應用。
2.2.2 紅外傳感器的選用
本系統選用分離式紅外對射式計數傳感器。該傳感器為NPN常閉型，即有遮擋時輸出低電平信號，無遮擋時輸出高電平信號。發射管工作電壓為5 V，工作電流為40 mA，接收管工作電壓為3～5.5 V，工作電流為100 mA，可方便與開發板連接。其2～20 cm的有效檢測距離、2 ms的快速反應時間，使其在系統中具有良好的應用。
2.2.3 無線發射模塊的選用
無線模塊具有體積小、傳輸距離遠等優點，廣泛應用在生活中各個領域。本系統選用的無線模塊工作頻率為433 MHz。433 MHz無線收發模塊為短距離無線通信模塊，由于該模塊的成本低、睡眠模式約為1 μA的電流消耗、小尺寸封裝和較少的外接引腳，使得其在物聯網無線通信中被廣泛使用。該模塊還具有靈敏度高、繞射性能好、功耗低、穿透力強等特點。
2.3 電動開窗器的選用
電動開窗器選用的是上海鍇蔻電子科技有限公司的KK-LT-300電動鏈條開窗器。其工作電壓為直流24 V，工作電流為1 A，推拉力為400 N，行程距離為400 mm，速度為7 mm/s。其具有超負荷過載保護設計；開關窗時噪音低，雙層金屬鏈片設計，運行時更穩定、順暢。開窗器直接與窗戶連接，通過鏈條的伸縮來控制窗戶的開關。
3 系統程序設計
從手機終端發出控制指令到窗戶執行指令，是依靠系統程序來完成的。系統程序是整個系統的核心，其程序流程圖如圖3所示。手機APP采用消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）傳輸協議發送指令消息到服務器上，服務器打包消息通過互聯網訪問到家里路由器，路由器經WiFi方式把消息傳遞給主控制器，主控制器解析指令消息后經無線發射模塊發送到電動開窗器的接收模塊，控制電動開窗器的運行進而控制窗戶的開關。同時紅外計數傳感器不斷對電動開窗器鏈條節數計數采集并依次發送到服務器上，服務器收到數據再一一推送給手機終端作為反饋信息。該系統程序主要包括兩部分：手機APP軟件程序設計和控制器的程序設計。
3.1 手機APP軟件程序設計
手機APP的設計采用的是Java編程語言，開發環境為Android Studio。Android Studio是谷歌推出的新的Android手機集成開發工具，用于Android手機應用程序的開發和調試。手機APP的設計一方面用于發送指令消息；另一方面用來接收反饋信息并更新。手機APP程序發送指令消息和接收反饋消息采用的是MQTT傳輸協議，其工作過程如下。當點擊“打開”按鈕時，指令消息以MQTT協議的方式先發送到服務器上，服務器把指令消息經互聯網發送到家里路由器，指令消息經路由器推送到主控制器上，主控制器依據指令消息控制電動開窗器運行、鏈條伸出，進而打開窗戶。同時，紅外傳感器不斷采集數據，并經原鏈路反饋給手機終端，手機終端數據以1%的速度遞增，直到100%或收到“暫停”指令消息停止工作。反之，當點擊“關閉”按鈕時，手機終端數據以1%的速度遞減，直到0%或收到“暫停”指令消息停止工作。因此，該手機終端控制程序的設計使得人們對開關窗運行狀態更加清楚、直觀，而且也使得人們更加方便地根據實際情況控制開窗的大小。
3.2 主控制器程序設計
主控制器的核心是ESPDuino板，程序編程采用的是Arduino IDE開發環境，編程語言為C/C++。主控制器的程序功能是：一方面用于接收來自手機終端指令消息并控制著電動開窗器執行相應動作；另一方面把紅外傳感器對電動開窗器采集的數據反饋給手機。主控制器流程圖如圖4所示。主控制器收到手機終端發送的指令消息后進行解析，根據解析的指令消息控制電動開窗器鏈條的伸縮，進而控制窗戶的打開、關閉動作。同時紅外計數傳感器對電動開窗器鏈條節數計數采集，并把采集的數據轉換為開窗大小反饋到手機終端實時顯示。
4 運行結果
打開手機網絡連接，使手機連接到網絡。運行手機終端控制應用程序，當點擊“打開”按鈕后，電動開窗器鏈條伸出打開窗戶，同時手機終端開始接收紅外傳感器對電動開窗器采集的數據，并在手機終端控制界面上顯示數值的累加變化。當點擊“暫停”按鈕后，電動開窗器停止運行工作，手機終端控制界面上的數值也停止累加，保持不變。當點擊“關閉”按鈕后，電動開窗器鏈條收回關閉窗戶，手機終端控制界面上的數值不斷減少，直到電動開窗器運行結束，關閉窗戶，手機界面值為0%。該程序在運行中穩定、可靠和反應迅速，并且還可直觀地顯示出窗戶的開關狀態。
5 結論
本文設計的建筑用窗遠程開關控制系統打破了傳統開窗模式，實現了用手機遠程控制建筑用窗的開關，解決了人們生活中無法遠程開關窗戶的問題。該系統不僅實現了窗戶的遠程控制，而且能在手機終端實時顯示窗戶的運動狀態及開窗大小，使人們對窗戶的控制更清楚、直觀。
參考文獻
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[8] 李瑞奇.Android開發實戰：從學習到產品[M].北京：清華大學出版社，2017.
作者信息:
楊志剛，劉繼文
（大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連116028）