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基于单片机的多功能智能窗设计

一、选题的目的和意义

目的：随着生活水平的日益提高，科学技术不断进步，市面上出了越来越多的智能家居设备，这些智能设备极大地方便了日常生活。而窗户作为房屋建筑基础构件，市面上却很少有关窗户类的智能家居，单片机是一款价格低廉，功能强大的微机处理器，若将二者结合起来能使窗户摆脱传统的被动性,具有智能化能动性。

意义：在现有的传统窗户的结构上，通过添加传动机构和其他功能传感器，并利用单片机进行信号控制，来实现窗户的无线开关窗、改变透明度，雨天关窗，火焰燃气开窗，远程控制窗等实用功能，提供便利的同时守护安全，在保持了遮风避雨的基础功能上提供高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。

 

二、相关文献综述（1000字左右，与主要参考文献对应）

陈国嘉在2016年由人民邮电出版社发表的《智能家居》上详细的介绍了智能家居设备的定义，以及智能家居设备的发展历程，指出智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、 安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。并提出智能家居设备未来的期望，即是家居设备更加智能化，自动化。

荀艳丽,焦库,张秦菲于2018年在《现代电子技术》期刊上发表的《基于物联网的智能家居控制系统设计与实现》详细的介绍了物联网技术在智能家居设备上的应用，指出可以从底层结构和上层结构两个角度进行智能家居控制系统的设计和研发,使之成为具有通用性、易移植性的可远程控制智能家电的系统,体现其良好的稳定性和扩展性。物联网渗透到智能家居系统之中,通过动态异构体系结构的传感器和应用程序,进行智能家居的高级服务和家庭设备管理,可以引入无线网络技术,进行基于物联网技术的智能家居控制系统设计和应用,通过手机客户端进行控制使用。

赵琨在2020年华中师范大学出版社发表的《基于Arduino的云平台智能家居控制系统设计与实现》上提出基于Arduino的云平台智能家居系统并给出实现方案。利用云平台的智能家居系统，以云平台为核心实现存储和计算，综合利用嵌入式技术、传感器技术、短距离无线通信技术以及智能化音视频处理技术形成“以人为中心”的智能家居系统。在该智能家居系统中，云平台为智能家居提供用户认证、数据存储以及与家庭网关相连的编程接口等基础服务。在这些基础服务之上，云平台可以提供一个软件生态系统，实现语音识别、图像识别等智能化应用服务。智能家居网关作为家庭内部网络与云平台相连的通道，使网关从传统智能家居既负责通信又负责管理的任务中解放出来，减少成本并提高稳定性。

李炜于2020在电子科技大学出版社上发表的《基于无线网络的智能家居控制系统设计与实现》中指出目前的智能家居系统大多采用有线连接和控制分散,其存在利用率低、功耗大、污染重等问题,而且家居结构分布位置不均,不利于集中管理。为了有利于集中管理和监控研制出一套基于无线网络的智能家居系统,其融合了自动化控制系统、计算机系统、嵌入式系统和无线网络通信技术等,并且可以有效解决有线连接、控制复杂、成本高等问题,做到对系统的实时和集中管理, 在提高了居住品质的同时,改进了对于家庭的管理水平。 

众多前辈对基于单片机的智能家居方面进行了深入研究，使我的课题有了很多可以参考的内容，但还没有针对具体实用功能做出深入研究，因此本文具有一定的研究价值和现实意义。

 

三、研究内容

针对现有的窗户结构设计传动系统，利用各类传感器收集的信息上传给arduino单片机系统进行分析处理，并输出信号给各显示执行系统来完成相应的信号反馈，执行不同的操作，可以实现自动控制和手动控制，并以手动控制为主。

1 引 论

   1.1 研究设计背景

   1.2 设计的目的及意义

   1.3 设计内容

2 多功能智能窗的设计

   2.1 多功能智能窗设计目标

   2.2 智能窗设计的基础

3 多功能智能窗的硬件设计

   3.1 火焰检测模块

   3.2 可燃气体检测模块

   3.3 雨水检测模块

   3.4 红外控制模块

   3.5 无线通信模块

   3.6 电子窗帘模块

   3.7 电机驱动模块

4 多功能智能窗的软件设计

   4.1 开发编程软件简介

   4.2 软件程序设计

5 系统测试分析

   5.1 软件系统测试

   5.2 硬件测试

   5.3 实物模型调试

6 结  语

 

四、研究方法、步骤及措施等

研究方法：

（1）理论与实践法：通过基于单片机的智能家居系统的相关知识，理论上分析出相关所需要的硬件和软件开发环境。

（2）案例对比分析法：通过对比其他人的相关成功实例，借鉴他们的部分优秀设计，完善自身的设计。

（3）实验法：通过选型的硬件模块如火焰检测模块、雨水检测模块等测试其功能是否满足设计需求，完成各软硬件的结合测试观察其是否满足设计功能，不断完善整体系统的设计。

（4）文献研究法：阅读和参考相关的控制系统的文献，来合理设计本研究的基本框架、研究内容和基本方法。

研究步骤：

（1）前期准备：明确论文研究方向，制定研究计划，查阅相关资料，议定论文提纲。

（2）撰写文献综述与开题报告：整理收集到的相关资料，向指导老师咨询相关意见。

（3）论文撰写：通过对收集到的资料进行整理并结合前人的研究成果进行论文初稿的撰写。再根据指导老师的意见进行修改，最终定稿。

（4）论文评审及答辩：将论文定稿提交指导老师、评阅教师评审，并准备答辩。

研究措施：

（1）依靠学校图书馆和数字资源查找相关资料。

（2）依靠CSDN，GitHub等技术论坛交流学习。

（3）依靠老师指导和同学交流。

 

五、进度安排

2022.10.20—2022.11.04 查阅资料、撰写开题报告；

2022.11.05—2022.11.20 开题报告撰写质量检查及整改；

2022.11.05—2022.12.22 初步设计，完成论文初稿；

2022.12.23—2022.12.31 开展中期检查；

2022.12.23—2023.04.06 完善设计，完成论文定稿、查重；

2023.04.07—2023.04.14 开展毕业设计评阅；

2023.04.15—2023.04.30 进行毕业设计答辩；

2023.05.01—2023.05.06 提交成绩；

2023.05.06—2023.05.30 毕业设计归档；

六、主要参考文献

[1] 包淳溢.基于WiFi和蓝牙5.0的智能家居控制系统研究与设计[D].浙江工业大学,2020.

[2] 陈国嘉.智能家居[M].人民邮电出版社:, 201605.242.:111-114

[3] 刘德福,王东来.基于物联网的智能家居控制系统设计与实现[J].电脑迷,2018(06):251-252.

[4] 赵琨.基于Arduino的云平台智能家居控制系统设计与实现[D].华中师范大学,2020. 

[5] 刘德福,王东来.基于物联网的智能家居控制系统设计与实现[J].电脑迷,2018(06):251-252.

[6] 凌鹏鹏.基于无线通讯技术的智能家居设计及实现[D].安徽大学,2020.

[8] 李炜.基于无线网络的智能家居控制系统设计与实现[D].电子科技大学,2020.

[9] 孙晓叶,李攀,刘颖.基于物联网的智能家居控制系统设计与实现[J].电子技术与软件工程,2019

[10] Glen Popiel.Dr.Duino Arduino Uno Starter Kit[J].QST.2019(10):103.

[11] Patents."Appliance Control System,Home Controller,Remote Control Method and Recording Medium" in Patent Application Approval Process (USPTO 20160301543)[J].Politics & Government Week,2016:543.

 

摘  要

随着社会的飞速发展和科技技术的不断进步，人们的生活水平日益提高，市面上也出现了越来越多的智能设备，这些智能设备多种多样、覆盖面广，极大地方便了日常生活。而窗户作为房屋建筑的基础构件，市面上却很少有关于窗户类的智能设备。单片机是一款价格低廉、功能强大的微机处理器，若将二者结合起来能使窗户摆脱传统的被动性,使其具有智能化的能动性。

传统的建筑窗户类型主要有平开式和推拉式，本设计将以推拉式窗户为主要研究设计对象。即在现有的传统窗户结构上，利用减速电机和丝杆作传动实现窗户的开关，以Arduino单片机作为主控系统来控制处理信号，配合使用烟雾、雨水、火焰等传感器，以此实现窗户的无线开关窗、可改变透光度、雨天自动关窗、火焰燃气自动开窗、远程控制等实用功能，在提供便利的同时也守护安全，在保持了遮风避雨的基础功能上提供高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。

本设计主要目的在于赋予传统窗户系统新的实用安全功能，在这个“万物互联”的时代里能够为人们的日常生活提供便捷的同时，能够起到预防、减少安全事故产生的作用，具有现实意义和应用价值。

关键词：Arduino；窗户；智能家居

 

目  录

1 引  论 1

1.1 研究设计背景 1

1.2 设计的目的及意义 1

1.3 设计内容 1

2 多功能智能窗的设计 2

2.1 多功能智能窗设计目标 2

2.2 智能窗设计的基础 3

3 多功能智能窗的硬件设计 6

3.1 火焰检测模块 6

3.2 可燃气体检测模块 8

3.3 雨水检测模块 10

3.4 红外控制模块 12

3.5 无线通信模块 14

3.6 电子窗帘模块 16

3.7 电机驱动模块 17

4 多功能智能窗的软件设计 20

4.1 开发编程软件简介 20

4.2 软件程序设计 21

5系统测试分析 25

5.1 软件系统测试 25

5.2 硬件测试 26

5.3 实物模型调试 26

6 结  语 29

参考文献 30

致  谢 31

 

1 引  论

1.1 研究设计背景

根据《中国家居品行业市场前景分析预测报告》分析：在近些年来，中国智能家居产品的出货量高速增长。在2017年中国全年的智能家居产品设备市场出货量的总体规模才1.14亿台，但就两年后的2019年出货量就达到2.08亿台，年增长率将近33.5%，有相关产业专家预计到2023年，中国的智能家居产品设备的总体出货量将达到近5亿台，消费增长率高达23%。同时5G技术也在不断深度促进智能家居升级更新。在5G通信技术的加持下，智能家居设备之间的连接传输速度、通信质量稳定性、数据加密安全性都能得到极大地提升。智能家居产业市场前景光明。

虽然市面上的智能家居产品种类繁多，但很少有关于窗户系统这一方面的智能家居设备，市面上有的也仅仅是实现窗户自动开关的基础功能，谈不上所谓“智能”。根据2020年消防火灾数据表明：2020全年一共发生了居民住宅火灾共计10.9万起，累计造成917人死亡、499人受伤的悲剧。火灾安全事故是家庭生活的第一大安全事故隐患。理想的智能窗应该是在原本的实用功能基础上，可以预防减少火灾事故的发生，并能够在发生火灾时第一时间保护人员安全以实现真正的“智能”。

1.2 设计的目的及意义

当前市场上的智能家居产品中关于窗户这一种类的产品很少，以及有关与这一方面的设计研究也很少，窗户作为建筑的基础构件之一，发挥的作用的不仅仅只是遮风避雨，有时更是安全的关键，在传统的窗户系统上增加传动、控制系统，来实现自动开关窗、火灾预警、远程安全防护等新型实用功能，设计出一款安全、高效、便捷的多功能智能窗户。

随着社会老龄化的加剧，人们需要更多智能高效、安全便捷的家居设备来辅助老龄群体的日常起居，来帮助他们度过一个舒适安详的晚年生活。同时也能守护家庭安全，预防火灾事故的发生，当检测到火灾隐患时及时采取相应措施并报警提示，减小火灾事故的损失，其应用领域不仅仅局限于家庭，像公共场所、办公场所也可以使用，本设计具有一定的应用价值和现实意义。

1.3 设计内容

本设计基于在Arduino单片机上实现的多功能智能窗系统，通过减速电机、丝杆、丝杆螺母、轴承等实现窗户结构的传动，通过火焰传感器、可燃气体传感器实现对火灾事故的预警，用可调电控液晶玻璃实现对窗户透光度的调节模拟窗帘，利用红外遥控和红外接收通信实现无线控制，以雨水传感器来实现雨天自动关窗功能，用ESP8266WIFI通信模块将系统连接网络以实现远程终端控制，用Arduino单片机做主控处理器来分析处理控制这些信号数据，并设置手动模式，手动模式优先于自动模式，以人为本。

 

结  语

本文分析了当前我国智能家居市场现状，其中关于窗户类的智能家居类产品很少，基于单片机的多功能智能窗设计中运用了单片机开发技术、红外通讯技术、WIFI无线通信技术共同构建了一个多功能新型的窗户设计，该设计为智能家居窗户类产品提供些许思路。

相较于传统窗户结构，该多功能智能窗的设计实现的功能如下：

（1）可以实现雨天自动关窗，避免雨水淋到室内。

（2）采用电控调光玻璃当窗帘保护隐私。

（3）通过检测火焰及可燃气体及时报警并开窗避免火灾事故的发生。

（4）可使用红外遥控控制开窗、关窗、模糊、透明等功能。

（5）能够通过手机实现远程无线控制。

该课题是个开放性的课题，对最终的设计没有唯一定义，考察的是自己的知识体系是否完善和对软硬件的熟练掌握，同时还需要较好的编程逻辑能力。在确定这个课题的时候脑子里有了一个大概的方向，按照所学积累由主到次地将各个部分的功能和所需要的硬件模块确定下来，再编写相对应的软件程序。最后硬件和软件的设计融合起来将整个智能窗的模拟实物制作出来，再根据实际情况修改完善设计。这次课题充分利用了我大学所学习的各类知识，同时在面对不懂得地方时通过查找资料和询问老师也收获了许多课本上没有展现的知识。受益匪浅！

在之后的与指导老师的交流演示中，我发现在本次设计中还有许多地方可以改进完善。例如在实物模型中采用杜邦线连接各个接口时连接不稳定，容易断触且不易发现，可以改用PCB电路板。手机控制端界面不美观，还有很多地方可以优化。

本次设计为智能家居产品的窗户系列提供一种新的设计思路，设计本身也具有一定的现实意义。随着科技的飞跃该设计还有很大的改进空间，但可以预见的是，倘若该设计得到大规模的应用，必能在很大程度上预防、减少火灾事故的发生，同时提供一个安全、舒适、便捷的生活环境。