0 引言

    隨著中國社會的快速繁榮發(fā)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?？茖W(xué)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展又極大促進(jìn)了我國建筑業(yè)朝著智能化方向的發(fā)展^[1]。窗戶是建筑必不可缺少的構(gòu)成部分，與人們?nèi)粘Ｉ罨顒酉⑾⑾嚓P(guān)^[2]。目前，大多數(shù)建筑的窗戶還是以手動方式控制開關(guān)，這種傳統(tǒng)的手動開關(guān)窗戶日漸無法滿足現(xiàn)代人們的日常需求^[3]，如突遇雷雨大風(fēng)天氣，而家中又恰好沒人，無法及時(shí)關(guān)閉門窗^[4]；早晨匆匆上班忘記開窗更新室內(nèi)空氣等。因此人們迫切需要一種可以遠(yuǎn)程控制的窗戶來滿足生活中的需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

    系統(tǒng)主要由3部分組成：手機(jī)終端、主控制器和電動開窗器。手機(jī)終端用于遠(yuǎn)程控制窗戶和顯示窗戶實(shí)時(shí)運(yùn)動狀態(tài)，提供直觀的人機(jī)交互界面；主控制器用來接收來自手機(jī)的指令信息、控制電動開窗器開關(guān)窗戶及把窗戶運(yùn)動狀態(tài)信息反饋到手機(jī)上，因此是整個(gè)系統(tǒng)的核心；電動開窗器直接與窗戶連接，控制著窗戶的開關(guān)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。手機(jī)終端首先把指令消息發(fā)送到服務(wù)器上，服務(wù)器再把指令消息經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到家里路由器，由路由器傳遞給主控制器，主控制器根據(jù)指令消息完成相應(yīng)控制動作。

1.2 主控制器設(shè)計(jì)方案

    窗戶要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制需要一個(gè)用于控制窗戶開關(guān)的控制器。該控制器起著控制窗戶和遠(yuǎn)程連接的作用，為系統(tǒng)的核心。3種常用于控制窗戶的控制器如下。

    （1）單片機(jī)控制：單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器（CPU）、隨機(jī)存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，成本相對較低；缺點(diǎn)：不易擴(kuò)展，對環(huán)境依賴性強(qiáng)，開發(fā)周期長。用單片機(jī)制作的主控板，由于受制板工藝、布局結(jié)構(gòu)、器件質(zhì)量等因素的影響導(dǎo)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(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程^[5]。其優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，易于設(shè)備的擴(kuò)展，便于維護(hù)，開發(fā)周期短；缺點(diǎn)：成本相對單片機(jī)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(gè)歐洲開發(fā)團(tuán)隊(duì)于2005年冬季開發(fā)。Arduino在開發(fā)之初就明確了其應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)了開源開放的平臺^[6]。其擁有豐富的接口、簡便的編程環(huán)境、極大的自由度、標(biāo)準(zhǔn)化的接口模式、極高的可擴(kuò)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(xiàn)了許多與之功能匹配的擴(kuò)展板和兼容板方便選擇使用。本系統(tǒng)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(chǔ)上增加了連接網(wǎng)絡(luò)功能，具有使用更方便、價(jià)格便宜的特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與選用

    系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)的硬件主要由手機(jī)終端、主控制器、電動開窗器和窗戶組成。

2.1 手機(jī)終端選用

    手機(jī)終端選用Android系統(tǒng)。Android手機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)成為市場占有率最高的移動操作系統(tǒng)，具有高度的開源性，拓展性非常高，這點(diǎn)使得其他手機(jī)系統(tǒng)不能與其相比^[8]。相比于其他系統(tǒng)，Android系統(tǒng)開發(fā)更容易，幾乎沒有什么門檻，因此，可以很快地開發(fā)出自己的程序。

2.2 主控制器

    主控制器是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，一方面負(fù)責(zé)接收來自手機(jī)終端指令消息并控制開窗器來控制窗戶的開關(guān)；另一方面把窗戶的運(yùn)動狀態(tài)反饋給手機(jī)。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(fā)射模塊組成。

2.2.1 主控板

    主控板選用的是四博智聯(lián)科技有限公司生產(chǎn)的ESPDuino板。該板是該公司基于ESP8266-13而開發(fā)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(tǒng)的Arduino板，不僅省去了外接WiFi模塊布線的麻煩和費(fèi)用，而且還使得系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠、體積更小，在與網(wǎng)絡(luò)連接使用中具有廣泛的應(yīng)用。

2.2.2 紅外傳感器的選用

    本系統(tǒng)選用分離式紅外對射式計(jì)數(shù)傳感器。該傳感器為NPN常閉型，即有遮擋時(shí)輸出低電平信號，無遮擋時(shí)輸出高電平信號。發(fā)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(fā)板連接。其2～20 cm的有效檢測距離、2 ms的快速反應(yīng)時(shí)間，使其在系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用。

2.2.3 無線發(fā)射模塊的選用

    無線模塊具有體積小、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在生活中各個(gè)領(lǐng)域。本系統(tǒng)選用的無線模塊工作頻率為433 MHz。433 MHz無線收發(fā)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(lián)網(wǎng)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(qiáng)等特點(diǎn)。

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(fù)荷過載保護(hù)設(shè)計(jì)；開關(guān)窗時(shí)噪音低，雙層金屬鏈片設(shè)計(jì)，運(yùn)行時(shí)更穩(wěn)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(guān)。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

    從手機(jī)終端發(fā)出控制指令到窗戶執(zhí)行指令，是依靠系統(tǒng)程序來完成的。系統(tǒng)程序是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其程序流程圖如圖3所示。手機(jī)APP采用消息隊(duì)列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）傳輸協(xié)議發(fā)送指令消息到服務(wù)器上，服務(wù)器打包消息通過互聯(lián)網(wǎng)訪問到家里路由器，路由器經(jīng)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(jīng)無線發(fā)射模塊發(fā)送到電動開窗器的接收模塊，控制電動開窗器的運(yùn)行進(jìn)而控制窗戶的開關(guān)。同時(shí)紅外計(jì)數(shù)傳感器不斷對電動開窗器鏈條節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)采集并依次發(fā)送到服務(wù)器上，服務(wù)器收到數(shù)據(jù)再一一推送給手機(jī)終端作為反饋信息。該系統(tǒng)程序主要包括兩部分：手機(jī)APP軟件程序設(shè)計(jì)和控制器的程序設(shè)計(jì)。

3.1 手機(jī)APP軟件程序設(shè)計(jì)

    手機(jī)APP的設(shè)計(jì)采用的是Java編程語言，開發(fā)環(huán)境為Android Studio。Android Studio是谷歌推出的新的Android手機(jī)集成開發(fā)工具，用于Android手機(jī)應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試。手機(jī)APP的設(shè)計(jì)一方面用于發(fā)送指令消息；另一方面用來接收反饋信息并更新。手機(jī)APP程序發(fā)送指令消息和接收反饋消息采用的是MQTT傳輸協(xié)議，其工作過程如下。當(dāng)點(diǎn)擊“打開”按鈕時(shí)，指令消息以MQTT協(xié)議的方式先發(fā)送到服務(wù)器上，服務(wù)器把指令消息經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到家里路由器，指令消息經(jīng)路由器推送到主控制器上，主控制器依據(jù)指令消息控制電動開窗器運(yùn)行、鏈條伸出，進(jìn)而打開窗戶。同時(shí)，紅外傳感器不斷采集數(shù)據(jù)，并經(jīng)原鏈路反饋給手機(jī)終端，手機(jī)終端數(shù)據(jù)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(dāng)點(diǎn)擊“關(guān)閉”按鈕時(shí)，手機(jī)終端數(shù)據(jù)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(jī)終端控制程序的設(shè)計(jì)使得人們對開關(guān)窗運(yùn)行狀態(tài)更加清楚、直觀，而且也使得人們更加方便地根據(jù)實(shí)際情況控制開窗的大小。

3.2 主控制器程序設(shè)計(jì)

    主控制器的核心是ESPDuino板，程序編程采用的是Arduino IDE開發(fā)環(huán)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(jī)終端指令消息并控制著電動開窗器執(zhí)行相應(yīng)動作；另一方面把紅外傳感器對電動開窗器采集的數(shù)據(jù)反饋給手機(jī)。主控制器流程圖如圖4所示。主控制器收到手機(jī)終端發(fā)送的指令消息后進(jìn)行解析，根據(jù)解析的指令消息控制電動開窗器鏈條的伸縮，進(jìn)而控制窗戶的打開、關(guān)閉動作。同時(shí)紅外計(jì)數(shù)傳感器對電動開窗器鏈條節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)采集，并把采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為開窗大小反饋到手機(jī)終端實(shí)時(shí)顯示。

4 運(yùn)行結(jié)果

    打開手機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，使手機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)行手機(jī)終端控制應(yīng)用程序，當(dāng)點(diǎn)擊“打開”按鈕后，電動開窗器鏈條伸出打開窗戶，同時(shí)手機(jī)終端開始接收紅外傳感器對電動開窗器采集的數(shù)據(jù)，并在手機(jī)終端控制界面上顯示數(shù)值的累加變化。當(dāng)點(diǎn)擊“暫?！卑粹o后，電動開窗器停止運(yùn)行工作，手機(jī)終端控制界面上的數(shù)值也停止累加，保持不變。當(dāng)點(diǎn)擊“關(guān)閉”按鈕后，電動開窗器鏈條收回關(guān)閉窗戶，手機(jī)終端控制界面上的數(shù)值不斷減少，直到電動開窗器運(yùn)行結(jié)束，關(guān)閉窗戶，手機(jī)界面值為0%。該程序在運(yùn)行中穩(wěn)定、可靠和反應(yīng)迅速，并且還可直觀地顯示出窗戶的開關(guān)狀態(tài)。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)的建筑用窗遠(yuǎn)程開關(guān)控制系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)開窗模式，實(shí)現(xiàn)了用手機(jī)遠(yuǎn)程控制建筑用窗的開關(guān)，解決了人們生活中無法遠(yuǎn)程開關(guān)窗戶的問題。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了窗戶的遠(yuǎn)程控制，而且能在手機(jī)終端實(shí)時(shí)顯示窗戶的運(yùn)動狀態(tài)及開窗大小，使人們對窗戶的控制更清楚、直觀。

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作者信息:

楊志剛，劉繼文

（大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116028）