作品简介

开发背景：

目前市场上智能家居虽然集成了家居生活有关的设施，但是对于各部分不能做到细致具体的设计，常常忽略了一些必要的功能或者不够人性化。而窗户是智能家居的一个重要的组成部分，因此更好地实现窗户的智能控制和安全防护提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性显得尤为重要。

结构说明：

整个智能窗户控制系统采用1：1窗户模型作为整体架构，自行设计了机械传动结构实现窗户的机械闭合与开启。机械设计原理主要由步进电机提供动力，通过滑轮组在运动部件和窗架间进行传动。

智能控制系统以IAP15F2K61S2单片机为CPU控制核心，外围集成了湿度温度探测模块、光敏探测模块、室内火焰探测模块、夜间防盗模块、语音控制模块等模块来实现所需功能。

功能与使用说明：

实现的主要功能如下

1.可以通过语音控制窗户及窗帘的开启和关闭;

2.遇下雨天，自动关闭窗户，防止雨水溅入室内;

3.夜晚，自动关闭窗户;

4.室内发生火警时打开窗户;

5.夜间有物体通过窗户，自动报警;

6.温湿度液晶显示。

作品特色：

智能窗户控制系统为智能家居窗户部分做出了很好的设计方案，完善了窗户的各项功能，显得更人性化更具实用性，这给整个智能家居的设计作出了参考。从智能窗户这一个体的设计可以具化到门、车库、灯光、电器等家具用品，为我们的生活带来方便，从而进一步提高人们的生活质量。同时，智能窗户控制系统省去了按键操作，实现语音完全控制，更具智能化和人性化。

平台选型说明

使用大赛指定的IAP15F2K61S2单片机为核心控制CPU

设计说明

1 总体方案设计

1.1 设计要求

智能窗户控制系统分为两部分设计即电子自动控制部分和机械传动部分，电子控制部分使用IAP 15F2K61S2单片机为核心CPU，集成多种传感器实现监测控制;机械传动部分设计在窗户与窗帘上安装步进电机，实现精确控制窗户和窗帘的开启

和关闭。设计实现如下功能：

1.可以通过语音控制窗户及窗帘的开启和关闭;

2.遇下雨天，自动关闭窗户，防止雨水溅入室内;

3.夜晚，自动关闭窗户;

4.室内发生火警时打开窗户;

5.夜间有物体通过窗户，自动报警;

6.温湿度液晶显示。

1.2 设计原理以及组成结构

智能窗户控制系统使用机械传动控制窗户的开关与窗帘的开合，机械部分由步进电机提供动力，通过设计动滑轮组在运动部件和窗架间进行传动。电子自动控制系统部分包含湿度温度探测传感器模块、光敏电阻传感器模块、火焰探测传感器模块、夜间防盗模块、语音控制模块。

各传感器将探测到的变化反映到单片机口，由单片机根据信号的变化(即电平的高低)判断外界环境的变化，然后根据内部设定的程序发出命令，控制机械传动部分实现相应的动作。

系统总体框架如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 探测电路设计

2.1.1 温湿度探测电路

使用DHT11数字温湿度传感器。该传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。单片机与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次传送40位数据，高位先出。

数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和

DHT11传感器的DATA引脚接单片机的P3.2口，当室外湿度超过70%时，IAP单片机接收到数据判断湿度超出70%(表示雨天或天气较为潮湿)，发出命令控制步进电机转动，实现窗户的关闭(避免雨水进入室内)。

2.1.2 火焰探测电路

采用LY-C3火焰传感器作为探测元件。LY-C3传感器用于检测火焰或者波长在760纳米~1100纳米范围内的光源。在外部红外光强达不到阈值时，D0口输出高电平;光强超过阈值时，D0口输出低电平。依据此原理设计该模块监测室内是否着火。

LY-C3火焰传感器的D0端接单片机的P3.5口，一旦出现火灾，单片机立即打开窗户，并发出警报声提示住户。

2.1.3 光敏电阻电路

使用的探测元件是LY-C1光敏传感器。光敏电阻对周围环境光强最敏感，一般用来检测周围环境光强。输出状态灵敏度可调。在周围光强达不到阈值时，D0口输出高电平;光强超过阈值时，D0口输出低电平。依据此原理可以用来监测外界环境亮度，判断天色，当天黑时，信号端输出高电平。

LY-C3传感器的D0端接单片机的P3.6口。单片机检测此IO口的变化自动控制窗户的开启与关闭。

2.1.4 夜晚防盗电路

该部分自行设计了激光防盗电路，探测器由发射头、接收头组成。正常情况时，发射头发射红外线，接头接收红外线，探测器导通不动作。当有人挡住红外线时，接收头接收不到由发射头发射的红外线，探测器断开输出低电平信号。本系统中安装有两组红外探测器，两个接收头的输出端接单片机的P3.3口和P3.4口，可确保对整个窗户面实现防盗。

2.1.5 开关窗限位电路

该电路的作用是探测窗户是否已经完全打开或关闭，其由分别安装在窗户和窗框上的两组金属片组成。固定不动的限位片分别接IAP单片机的P2.1和P2.0口，滑动的窗框上的限位片接地，金属片接触，单片机检测两IO口状态即可判断现在窗户所处的位置。

2.2 控制及输出电路设计

2.2.1 液晶显示电路

液晶显示电路采用LCD1602液晶显示屏。LCD1602是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，其显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符。

1602采用标准的16脚接口。在本设计中读写信号线RW接单片机的P2.5口，寄存器选择RS接单片机P2.6口，使能端E接P2.5口。八位双向数据端D0~D7依次接单片机的P0.0~P0.7口。

主要负责显示室内外温度和室外的湿度。

2.2.2 语音控制电路

语音控制电路采用XK-V11语音识别发送模块作为主体结构。该模块为非特定人语音识别，输入拼音即可识别，能识别所有人的语音，不分男女。

模块的TxD端接单片机的P3.0口，RxD端接单片机的P3.1端。采用USB供电。

2.2.3 步进电机电路

本电路由两组ULN2003模块和24YBJ组成。

步进电机1(控制窗户)由AT89C51单片机的P1.0~P1.3控制，步进电机2(控制窗帘)由AT89C51单片机的P1.4~P1.7控制。所有的控制信号由IAP核心CPU发送给51单片机，51单片机在此处作为扩展端口使用。

2.2.4 蜂鸣器电路

蜂鸣器正极接高电平，负极接单片机P2.2端。

3 软件设计

3.1 程序流程图

接通电源后，单片机开始工作。语音模块启动，发出启动告示音。湿温度传感器、火焰传感器、光敏电阻、语音控制模块将检测到的信号传入到单片机中。湿温度传感器检测到室外湿度超过70%时，单片机控制步进电机关窗。当窗户与窗框完全接触时，两个关窗限位片导通，步进电机1停止转动。当火焰传感器探测到室内起火时，单片机立刻发出开窗指令，窗户打开至两个开窗限位器接触时，停止电机转动，在此期间蜂鸣器进行报警。进入夜晚时，在光敏电阻发出的信号后，关闭窗户。在夜晚条件下，当激光束被阻断时，蜂鸣器进行报警。当语音模块收到特定控制词时，向单片机发出信号。单片机根据信号执行开关窗户以及窗帘的命令。

4 原理图

5 结论

智能窗户控制系统的设计通过硬件和软件的设计同时考虑多种情况，解决了大部分问题，经过多次调试和修改，成功的将多种传感器集成进系统中，完好的实现了各项功能设计。该智能窗让人在不同的环境状况中或出门在外时不用担心窗户的开合情况。让人在无法手动直接控制时能够通过语音控制窗户和窗帘。夜间发生入室行为时窗户会自动报警，为人们生活提供方便和安全。

本系统设计仍然具有较大的提升空间。例如可以在室内安装有害气体探测模块，当室内有害气体浓度过高时，进行开窗通风，这样可以为人们的生活提供更多的安全保障。