基于嵌入式系统的智能门窗设计

基于嵌入式系统的智能门窗设计

引言

随着21世纪信息化时代的到来，社会信息化和家居智能化也呈现出了蓬勃发展的趋势，越来越多的家庭开始追求高质量、高科技舒适安全的家居生活，充分享受由信息时代带来的生活上的便利。作为智能家居系统的子系统——智能门窗，是在传统住宅的基础上，综合利用传感器技术、计算机技术、现代通讯技术和自动控制技术等，实现了门窗各种信息的采集、传输、处理和控制。安全舒适的家居环境是实现家居智能化的基础和前提，而门窗作为家庭与外界互通的门户，起着尤为关键的作用，实现门窗的智能化是智能家居的第一步，也是非常重要的一步。

1 系统的总体设计

智能门窗属建筑领域的附件，它包括智能控制系统和门窗开关装置以及报警系统。该智能门窗实现的主要功能是当室内燃气泄露，CO和CO2含量过高，甲醛、苯等有毒物质超标时，能够控制窗户自动打开，让空气形成对流，并启动排风扇向室外排出有害气体，当室外环境不允许开窗时(比如风雨和沙尘天气)由风光雨传感器传输信号到主控系统，使其发出指令关闭窗户，同时整个系统将以排风扇工作为主。如果状况仍未缓解，则启动警报装置。

整个系统由主控芯片、各种传感器、报警器终端，以及机械传动装置组成，控制芯片和传感器等直接固定在门窗上，而报警终端则可固定在室内墙壁或容易引起主人警觉的地方。系统结构如图1所示。

1(1 LPC2136微控制器概述

LPC2136是基于一个支持实时仿真和跟踪的16,32位ARM7TDMI-S CPU微控制器，它带有256 KB嵌入的高速片内FLASH存储器。片内128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟频率下运行。

P0(27,P0(30为LPC2136的A,D转换器输入端，作为风光雨模拟信号、温度模拟信号和有害气体检测信号等的模拟输入端，分时段扫描查询这几个模拟量，并将风光雨模拟信号、有害气体模拟信号等做A,D转换后显示在LCD显示单元上。风光雨传感器输出的信号非线性误差较大，并对温度敏感，本文设计了专用的放大、处理和补偿电路对其信号进行处理和补偿，使其输出的模拟量基本达到线性。实测证明可达到5,的误差，这对于一般的监控已可以满足要求。

1(2 感应系统硬件设计

该部分主要以传感器为采集信号手段，经转换元件将采集到的信号进行加工，使采集到的模拟信号能够被主控制芯片识别，结构框图如图2所示。

1(3 有害气体检测模块

居室里的空气是由多种气体混合而成的，对人体有害的物质主要是CO2、CO、煤气、有害化学物质(如甲醛、苯类等)以及可吸入颗粒及附着在其上的病菌等，这些有害物质的浓度过高时会对人体造成危害。

有害气体检测电路，如图3所示。在该电路中主要用气敏传感器实现“气-电”转换，在正常情况下，气敏传感器不接触有害气体或有害气体浓度很低时，气敏传感器两端呈现高阻状态，检测到的信号小，不能驱动后级电路而使其工作。反之，检测信号变大，从而驱动开窗器和排风扇工作，及时报警，并尽可能地排除有害气体。

(1)一氧化碳传感器。选用深圳富安达公司的CO,MF-500型电化学传感器，当环境的CO浓度发生变化时，电化学方程的平衡产生移动，输出的电流发生相应的变化。该传感器量程为0,500 ppm，分辨率为1 ppm，线性输出，并且过滤了H2S 和SO2气体，测量精度较高。

(2)甲醛传感器。选用深圳市富安达公司的S-10电化学传感器，测量范围为0,10 ppm，最大负载为50 ppm，输出信号为800 nA,ppm，分辨率为0(05 ppm，响应时间小于50 s，可在高湿度等恶劣环境下工作。

(3)烟雾传感器。选用深圳市商斯达公司的离子室烟雾传感器，电源电压为直流6(0,18(0 V，输出电压为(5(6?0(4)V，灵敏度为(0(6?0(1)V，温度为-

10,+60?。

气体传感器需要用导线引出，同时控制器需要一组12 V(DC，500 mA)的电源供电。由于气体传感器需要电源预热，功耗较大，+5 V电源下约需150 mA电流。本文采用一个LM7805三端稳压器供电，同时加上适当的散热器，以保证长时间可靠稳定的工作。实践证明，它对温度和湿度测量是准确和迅速有效的，对气体的检测也十分敏感，遇到有危险气体时能可靠地发出报警和自动接通风扇排风，为人员的安全起到高灵敏度的检测和保护作用。

1(4 风光雨感应系统设计

风光雨传感器是一种集多种传感器于一身的多功能传感器，它可以自动检测风力、光线强度、雨量大小，为窗户的开启控制提供依据，这里选用深圳卓灵公司的ZF-WRR型风光雨传感器，其工作电压为直流12 V;工作电流为0(1 A;风感器可设定风速值为1,4级，范围为3,20 km,h;雨感器可设定范围为1,5 mm,h;采用防水结构设计方案，以及风感部分双轴承结构，可确保风感灵敏度。当室内有害气体浓度过大，除开启排风扇将有害气体排出室外，还

可连接开窗器作为辅助将窗户打开，但若逢大风、大雨或风沙天气，因不适宜开窗，则由MCU发出关闭窗户指令。

1(5 门窗防盗模块设计

该模块主要用于防止门窗打开时，不法分子趁机入室或窗户关闭时破窗而入，对房屋主人的人身及财产安全造成威胁。该模块主要由人体靠近传感器和玻璃破碎传感器组成，如图4所示。

人体靠近传感器是基于红外线技术的产品，当有人进入开关感应范围时，传感器探测到人体红外光谱的变化，开关自动接通负载，延时3 s后检测到人不离开或有继续入侵动作，先以红灯警告，再延时3 s，如果还未离开，则打开高分贝声光警报器，以达到驱赶入侵者，必要时还可将警情传输到小区保卫处以及房屋主人的手机上。

玻璃破碎传感器是利用振动传感器在玻璃破碎时发出2 kHz特殊频率，感应出报警信号。为了避免室内因玻璃器皿破碎、电话铃声、闹钟以及其他一些声音引起误报警信号，目前玻璃破碎传感器采用了双探测技术，即需要同时探测到破碎产生的振荡和音频声响，才能发出报警信号。

门磁开关由一条永久磁铁和一个常开触点的干簧管组成，一般把干簧管安装在被监视房门的门框上，把永久磁铁安装在门上，关门后，干簧管在磁场的作用下接通，当门被打开时，干簧管触点断开，触发报警电路。

1(6 执行系统模块的设计