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作者：五邑大学信息工程学院 何国渊 黄建胜 廖志飞

指导教师：王洪涛

　　作品简介

平台选型说明

设计说明   

　　一、概述

　　在人们生活水平逐渐提高的今天，智能化控制已经逐步进入了人们的生活，各种智能设备在家用电器中不断出现。目前，市面上大多数智能窗仅有防盗、防雨等功能，存在功能单一、价格昂贵等缺点。为此本作品基于IAP15F2K61S2单片机，采用模块化设计，实现了一种多传感器新型智能窗控制系统。系统主要模块有步进电机驱动模块、语音报警模块、人体红外传感模块、烟雾传感模块、雨水检测模块、温湿度检测模块以及无线遥控套件等，利用多传感器对室内、外环境进行全面监测，实现了防雨、防盗、防火、语音报警、无线控制、GSM远程警报等功能。此外，由于主控芯片提供在应用可编程IAP(In-Application-Programming)，我们充分发掘该功能，实现SD卡对智能窗系统的软件升级。

　　二、方案设计原理

　　智能窗系统在运行过程中，需要对多传感器进行实时数据采集，进一步对该数据进行分析，以完成相应的控制功能(如：防雨、防盗、防火、语音报警、无线控制、GSM远程警报等功能)。为此，我们基于IAP15F2K61S2单片机，采用DHT11为温、湿度传感器，MQ-2为烟雾传感器，HC-SR501为红外检测传感器，ISD1820P为语音模块芯片，GTM900C GSM模块，Arduino雨水检测模块用于雨水检测，ULN2003和BTS7960用于电机驱动。系统结构框架图如图1所示。

　　图1 系统结构框架图

　　1.系统硬件设计

　　1.1主控芯片

　　主控芯片由STC杯组委会官方指定，为IAP15F2K61S2单片机。该芯片采用STC-Y5超高速CPU内核，在相同频率下，比STC早期的1T系列单片机速度快20%。此外，该单片机还具有仿真功能，其独有的IAP(在应用可编程)技术，无需编译器，无需仿真器就在运行过程中对User Flash区域进行烧写，为系统程序升级带来了极大的方便。主控芯片最小系统如图2所示。

　　图2 主控芯片最小系统

　　1.2多传感器模块

　　温、湿度检测：DHT11数字温、湿度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，如图3所示。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，并与一个高性能8位单片机相连接，设计电路如图4所示。

　　室内烟雾检测：MQ-2气体传感器(如图5所示)是一款可检测多种可燃性气体的低成本传感器。所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。其原理为：当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大，进一步将电导率的变化转换为该气体浓度相对应的输出信号。

　　室外防雨：Arduino雨水检测模块(如图6所示)工作电压为3.3-5V，可对室外雨况(大小)进行监测，并输出相应的模拟信号。传感器表面采用镀镍处理，具有良好的抗氧化性。

　　防盗：HC-SR501人体红外感应模块(如图7所示)具有延时时间可调，触发方式可调，输出电平与单片机可直接相连等优点，能够较好地满足设计需要。其触发方式采用不可重复触发方式，即感应输出高电平，延时一段时间后，自动从高电平转换成低电平。

　　窗扇自动开关：(28BYJ-48)步进电机采用ULN2003驱动模块，具有较强的电流驱动能力，步进电机的励磁方式采用一相励磁。步进电机驱动电路如图8所示。

　　图8 步进电机驱动电路

　　窗帘的开关：(RC-260)直流电机采用BTS7960驱动模块，直流电机控制采用单片机的PWM脉冲宽度调制控制来实现窗帘的拉动。直流电机驱动电路如图9所示。

　　图9 直流电机驱动电路

　　语音报警：ISD1820P是美国ISD公司推出的一款8-20秒语音录放电路，采用CMOS技术，内含振荡器，振荡电阻可调，自动增益控制，扬声器驱动，如图10所示。

　　短信警报：采用华为GTM900C，它是一款两频段GSM/GPRS无线模块，支持标准的AT命令及增强AT命令，提供丰富的语音和数据业务等功能，是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。本作品通过单片机控制此模块，与用户的手机实现无线通信。如果室内发生火灾或者有盗情发生，在语音系统报警的同时，会自动给不在家的主人发送警报短信，模块如图11所示。

　　无线遥控功能：SC2262/2272-M4四路无线遥控套件有着CMOS 工艺制造的低功耗通用编码/解码电路，是一对带地址、数据编码功能的无线遥控发射接收芯片，实物图如图12所示。

　　2、系统软件设计

　　智能窗软件设计采用C语言编程，开发环境为Keil C51。软件设计主要解决的是多传感器下如何实现相应的控制功能及IAP功能等问题。本作品程序包括多传感器控制程序、GSM模块控制程序、电机控制程序、SD卡与单片机通讯程序及IAP功能程序等。系统流程图如图13所示。

　　图13 系统流程图

　　2.1多功能的实现

　　雨水检测：通过Arduino雨水检测模块对雨水进行检测。当下雨时，执行关窗与语音警报(即使窗扇处于关闭状态，在下雨的情况下，同样会发出语音警报)，并将雨量大小显示在彩屏上。

　　红外防盗：通过人体红外感应模块对人体进行检测。当感应到窗外有人，执行关窗、语音警报功能(即使窗扇处于关闭状态，窗外有人时同样会发出语音警报)，并通过GSM发短信至主人。

　　温湿度检测：温湿度传感器对室内温、湿度进行实时监测并通过彩屏显示。系统设置当室内温度超过50℃时(认为发生火灾)，电机驱动关窗(以减少空气流通)，并通过蜂鸣器警报和GSM发短信至主人。

　　烟雾检测：通过MQ-2气体传感器对烟雾进行检测。当室内有浓烟时，执行开窗、收风机运转、语音警报功能(即使窗扇处于打开状态，有浓烟时同样会发出语音警报和收风机运转)，并将烟雾浓度显示在彩屏上。

　　无线遥控：为实现对窗扇及窗帘开、关的无线控制，本作品采用一对发送、接收模块。将无线接收模块的四位管脚与单片机的I/O连接，根据发射模块发送的数据，识别控制指令以实现对窗扇及窗帘的开关控制。

　　定时关窗：通过按键输入定时时间(彩屏上显示)，定时最小单位为1分钟。系统根据定时时间执行关窗指令。

　　2.2、IAP功能的实现

　　本作品实现了SD卡与单片机之间的通讯，并采用IAP技术对智能窗系统进行软件升级。

　　目前，基于FLASH的单片机，一个重要的需求是在开发好成品后，仍具备“在应用中编程”(IAP)软件升级能力。本作品在设计固件程序时编写两个程序区。程序1区是IAP引导程序区，程序2区是实现功能程序区。程序1区的程序可通过与SD卡的通讯，并从SD卡中读取程序(预先存入SD卡里)后对程序2区的程序进行擦除和改写，再跳到程序2区执行程序。当芯片上电后，首先执行程序1区的程序。操作如下：

　　(1) 检查是否需要对程序2区的程序进行更新;

　　(2) 如果不需要更新则转到(4);

　　(3) 执行更新操作;

　　(4) 跳转到程序2区的程序执行。

　　三、总结与展望

　　基于IAP15F2K61S2单片机的多传感器新型智能窗控制系统，利用多传感器实时监测室内、外环境信息，实现了自动防雨、防盗、室内湿度检测、火灾报警定时关窗和基于IAP(In-Application-Programming)技术的SD卡软件升级等功能。该系统采用模块化设计，集现代声、光、机、电等技术于一体，具有机电一体化程度高、系统鲁棒性强、成本低、使用方便、便于维护等特点。因此，作为一个新型智能窗控制系统，本作品对现代智能家居研究具有实际意义，具备产品化，产业化的优势与潜力。