智能窗控制系统的研究

智能窗控制系统的研究
随着科学技术的发展和人们对生活、工作环境要求的不断提高，作为
单纯意义上生存居住空间的传统住宅，已经不能满足人们的需求，人
们迫切需求的是一个集成了自动化和智能化的家用电器、网络化的信
息资源，具有高度安全性、便捷、舒适的生活环境。

因此，新一代的
家居设计理念应时而生，高效、便捷、智能便是新一代家居设计的追求。

智能家居设备已经成为了消费者的一种强烈的消费需求，随着现
代科学技术的飞速发展，这一需求的实现已经不再是幻想。

随着电子
技术的发展，传统的家居产品已经逐渐与计算机、网络通信等先进科
技相结合，智能化的家居设备应运而生。

同时，智能化的家居系统走
进了人们的视野，同时得到了越来越多消费者的青睐，这更加推动了
家居智能化的进程。

1设计方案
本设计主要针对一款智能窗进行了设计，通过将各种传感器用ZigBee 组网的方式将所有采集到的数据发送到MSP430F149为核心的控制板，
在MSP430F149中对各种数据分别进行分析判断，进而来控制步进电机
来实现窗户的开关。

本设计采用的是现场总线控制系统，这种控制系
统有很多优点：（1）在整个系统中，由现场各种传感器与集成到控制
板上的协调器等节点组成的整个ZigBee网络之间的信号传输，以及显
示终端通过网关与ZigBee网络之间的相互通信，使用的都是数字信号，这大大提高了信号传输的可靠性和精度；采用无线网络通信，省去了
现场布线带来的安装复杂，维护不方便，安全性能差等缺陷。

（2）本
设计把传统的分布控制系统中输入/输出单元以及控制站的功能分散到
了带有传感器的ZigBee网络终端节点中。

每个信息采集终端节点都带
有一个CC2530作为CPU，可独立地进行数据的采集，并具有信息的诊
断以及信息的校正、补偿等功能，并靠ZigBee网络协议把它们连接在
一起统筹工作。

这些终端节点的功能单一，每个终端节点都只对一种
数据信息进行采集。

所以，当整个系统中的任何一个终端节点出现问
题影响到的仅仅是其本身，整个系统不会因此而瘫痪。

这使得现场设
备的自治性加强，使系统性能全面提高，系统变得更加可靠。

（3）在本设计中我们将不同厂商生产的各种传感器以及核心控制器通过ZigBee组网的方式组成了一个统一的系统后，便可实现这些产品的相互操作。

（4）在本设计中采用的是ZigBee模块，MSP430，Wi模块三者构成的网关来连接ZigBee通信网络和Internet通信网络的。

通过网关，ZigBee网络的终端节点可以将采集的数据信息传送的Web服务器，用户可以通过Internet网络浏览系统的终端显示界面；同时用户也可以Internet网络操控系统的终端显示界面上的一些控制按钮，对ZigBee网络的终端节点下达一些控制指令。

（5）本设计中采用的是ZigBee网络通信和结构，整个网络是由协调器、终端节点构成星形拓扑结构网络，这种拓扑结构可以将整个家庭的空间连结成一个统一的整体。

传输媒介和网络拓扑结构的多样性对实现整个系统的无线化、网络化很有帮助，并且这一特点给整个智能控制系统的施工带来很大的方便。

（6）根据自己的需求用户可以配置不同功能的终端节点，来满足自己对整个系统性能的要求。

并且用户可以根据不同时期，不同场合，随时通过改变终端节点的功能，来改变整个控制系统的性能指标。

2硬件系统设计
系统硬件结构框图如图1所示，包括MSP430F149与各模块及遥控器接口电路、ZigBee模块和Wi模块。

2.1控制器控制器选用MSP430F149，其主要任务是通过串口通信方式读取ZigBee协调器数据，并把数据在进行分析判断，然后将数据按类别存到FLASH芯片中的各自相应的存储区域，然后再从FLASH芯片中读取出数据通过串口通信的方式把数据传送给Wi模块，经Wi模块将数据传送到Web服务器。

2.2ZigBee终端节点模块电路设计CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案，结合了ZigBee 协议栈，提供了一个完整并且强大的ZigBee解决方案。

2.3网关的设计网关的设计主要由三部分构成：ZigBee网络协调器、MSP430F149、Wi模块。

ZigBee协调器采用CC2530芯片，主要作用是
发出建网命令组建ZigBee网络，给网络中各个节点分配网络地址，它
是整个ZigBee网络的数据结合点。

现场ZigBee网络的终端节点进行
采集数据，然后把采集到的信息都传送给协调器节点，协调器并不把
数据进行存储，所以要把数据实时传送给MSP430F149。

2.4传感器选择该系统选用2个温湿度传感器、2个光照强度传感器、1个风雨传感器、1个红外传感器、1个煤气探测器、1个烟感探测器、2个限位开关。

其中室外安装1个温湿度传感器、1个光照强度传感器、1个风雨传感器，2个限位开关分别安装在窗门机构和窗帘机构上，其
他传感器安装在室内相关的地方。

温湿度传感器：本系统采用数字式
温湿度传感器DHT11，湿度测量范围为20%~90%，温度测量范围为
0~50℃。

光照强度传感器：采用NH207照度传感器，输出为0~2V电压
信号或4~20mA电流信号，量程可在0~2Klx、0~20Klx与0~200Klx之
间自动切换。

风雨传感器：技术参数为，电源电压DC24V，风感3s响应，雨感25s响应。

风感、雨感只在刮风或下雨达到所设定的风速或
雨量时才发出感应信号给CPU。

限位开关：选用非接触式限位开关，本系统选用光电传感器ST178来检测窗门机构和窗帘机构的运动位置。

红外传感器：在本系统中红外传感器主要用于防盗作用，采用被动红
外线探测器。

一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释
电器件产生突变电信号，而发出警报。

煤气泄漏检测我们采用的是MQ-
2可燃气体传感器。

该传感器适用于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、烟雾等的检测，这款传感器可通过对与其集成在一起的比较器上的电位器
进行调节来改变它对可燃气体以及烟雾的敏感性，当室内空气中可燃
气体或烟雾的含量超过它的敏感阈值的时候，它输出的信号将发生由
高电平到低电平的跳变。

2.5开窗机构设计系统选用两台步进电机分别驱动窗门机构、窗帘开
关机构运行，实现所设计智能窗的运动功能。

步进电机的驱动器，选
择的是A3977。

2.6遥控器选用系统选用CDTFl000．12A遥控器与CD—JSCONR一
12PC无线接收控制器。

该遥控器用电池供电，供电电压DC12V，具有
12路遥控信号。

通过无线电磁波传播信号，采集30m以内的控制信号，通过中间继电器的转换，把该信号输入到CPU，完成对步进电机的控制。

3软件系统设计
软件系统设计包括ZigBee组网、数据信息采集及处理、Wi模块的配置、显示终端配置几大部分。

图2与图3为数据信息采集及处理流程图。

组建一个完整的ZigBee网络有两个步骤：一是网络初始化，另一
步是节点（路由器节点或终端节点）加入网络。

Wi模块的配置。

在本
设计中，将该模块时配置成客户端模式，选择串口转Wi中的无线网卡
模式，网络协议选择TCP客户端，设置需要连接的TCP服务器的IP、
端口号，与服务器连接。

本设计的显示终端采用的是网站的网页形式，MSP430F149将数据传送到Web服务器，服务器再将数据调出并在网页
上显示。

监控网站主要由三部分组成：前台服务器界面、后台Windows 服务、数据库。

本设计中各种情况的处理是通过中断完成的，程序中
各中断的优先级由高到低依次为：限位开关中断、遥控中断、按键开
关中断、入侵中断、燃气泄漏中断、风雨中断、温湿度中断和光照中断。

4调试结果分析
设定正常舒适温度为25℃，湿度为25%，然后人为升高室内温度和温度，观察智能窗的动作。

当室内温度或湿度超过设定值时，智能窗会
执行开窗动作。

当窗户到达右侧限位开关时，窗户停止。

温湿度正常
及过高时，终端显示分别如图4与图5所示。

采用释放可燃气模拟家
庭内部煤气泄漏的状况的发生，经过测试，当窗户初始状态为打开时，释放可燃气体后，步进电机带动使窗户缓缓打开，当窗户到达右侧限
位开关处，窗户停止。

从终端显示界面上看到煤气状态信息变为泄漏，窗户的状态为打开。

若窗户的初始状态为完全打开，当释放可燃气体后，步进电机未动作，然而终端显示界面上煤气状态信息变为了泄漏，窗户的状态为打开。

终端显示界面如图6所示。

当模拟入侵时，若窗
户初始状态为关闭，则步进电机不会动作。

若窗户初始状态为完全打
开或半打开，则步进电机带动窗户缓缓关闭，当到达左侧限位开关处
步进电机停止动作，窗户停止。

终端显示界面同时也会发出报警，并
且盗情状态信息栏中信息状态变为异常，窗户状态为关闭。

终端显示
界面如图7所示。

5结束语
本设计实现了ZigBee网络的组网，实现了在风雨天气、煤气泄漏、
有人盗窃、遥控等条件下智能窗的智能化控制，以及室内温湿度的采集，并在终端显示界面显示天气状况、煤气状况、盗情状况、窗户状
态以及温湿度等信息，并能利用智能手机等设备通过移动网络来浏览
终端界面，查看家庭内部的一些信息，随时了解家庭内部环境的变化，并通过终端控制窗户窗帘的开启与关闭。

智能窗控制系统的研究。