CN103883198A - 用于节能和消防的智能窗户控制系统 - Google Patents

Abstract

一种用于节能和消防的智能窗户控制系统，属于电子安防领域。本发明的目的是利用Zigbee无线技术和CAN总线技术实现控制节点的灵活组合，利用备用电池实现停电情况下系统能继续正常工作，通过手动控制盒、红外遥控器、手机、个人电脑实现窗户的人为控制，通过多种传感器检测环境参数以实现窗户的自动控制，以改善建筑物的采光、通风、散热和排烟排尘，从而达到节能和消防的目的用于节能和消防的智能窗户控制系统。本发明是由窗机控制节点、窗机控制器、红外遥控器、个人电脑、主控制器和手机组成。本发明具有成本低、功耗低、安全可靠等优点，具有巨大的节能潜力。在感知到烟雾超标后能及时的打开窗户进行排烟排尘，可有效减少此类事情的发生。

Description

用于节能和消防的智能窗户控制系统

技术领域

本发明属于电子安防领域。 

背景技术

在人口集中的大型公共建筑物中充分利用太阳光补充室内照明，设置必要的通风换气设施是极为重要的，一方面太阳光是安全高效、绿色清洁的可持续能源，可有效减少照明能耗；另一方面利于人们的身体健康，减少建筑物中二氧化碳等有害气体的浓度，还有助于夏日随污浊空气带走室内的多余热量。 

据英国对火灾中造成人员伤亡的原因统计表明，由于一氧化碳中毒窒息死亡或被其他有毒烟气熏死者一般占火灾总死亡人数的40％～50％，而被烧死的人当中，多数是先中毒窒息晕倒后被烧死的。 

传统的窗户控制系统主要依赖现场总线，对于已投入使用的建筑物，在安装布线时比较麻烦，近期也有人提出采用Zigbee无线网络来实现智能窗户控制，一扇窗户由一个Zigbee节点来控制，对于窗户多且密集的场所，控制节点繁多，必然造成网络负荷过大、成本过高和资源浪费；同时现有的窗户控制系统也未能全面的考虑各种环境下的智能应对策略，未能实现具有多种控制方式的人性化控制方法，功能单一，可扩展性差，不能满足大型公共建筑物对窗户用于节能和消防的要求。 

发明内容

本发明的目的是利用Zigbee无线技术和CAN总线技术实现控制节点的灵活组合，利用备用电池实现停电情况下系统能继续正常工作，通过手动控制盒、红外遥控器、手机、个人电脑实现窗户的人为控制，通过多种传感器检测环境参数以实现窗户的自动控制，以改善建筑物的采光、通风、散热和排烟排尘，从而达到节能和消防的目的用于节能和消防的智能窗户控制系统。 

本发明是由窗机控制节点、窗机控制器、红外遥控器、个人电脑、主控制器和手机组成， 

（1）窗机控制节点是由微处理器、电源模块、Zigbee模块、电推杆、电机驱动模块、窗户位置检测模块、红外接收模块、手动控制盒、环境参数检测模块和CAN总线收发器组成，

①微处理器为具有AD、串口、CAN等外设和多组I/O端口的单片机；

②电源模块包括开关电源、备用电池、切换电路和稳压电路；

③Zigbee模块为Zigbee路由器或Zigbee终端节点模块，与微处理器通过串口通信；

④电推杆和电机驱动模块相连，用于控制窗户的开和关；

⑤电机驱动模块控制端与微处理器相连，输出端与电推杆相连；

⑥窗户位置检测模块为滑动变阻器，安装在窗户轴承处，与微处理器AD采集引脚相连；

⑦红外接收模块的核心为红外接收头，与微处理器外部中断引脚相连；

⑧手动控制盒由一个“开”按键、一个“关”按键和二个指示灯构成，控制端与微处理器I/O端口相连；

⑨环境参数检测模块包括风雨检测、烟雾检测、温度检测模块、光照强度检测模块，由相应传感器和电压比较器构成，电压比较器的输出与微处理器的I/O端口相连；

⑩CAN总线收发器由CAN收发芯片、光电隔离芯片和稳压二极管等元器件构成，与微处理器的CAN引脚相连，或者与微处理器的CAN引脚相连的同时通过双绞线与其它CAN总线收发器相连；

（2）窗机控制器包括微处理器、电源模块、电推杆、电机驱动模块、窗户位置检测模块、红外接收模块、手动控制盒、四位拨码开关和CAN总线收发器，其中微处理器、电源模块、电推杆、电机驱动模块、窗户位置检测模块、红外接收模块、手动控制盒和CAN总线收发器与窗机控制节点相应模块相同；四位拨码开关与微处理器I/O端口相连，窗机控制器与窗机控制节点通过双绞线连接各自的CAN总线收发器组成CAN网络；

（3）红外遥控器为采用NEC编码方式、调制载波频率为38K的小型红外遥控器；

（4）个人电脑为带USB接口、运行着窗户监控软件的个人电脑；

（5）主控制器包括微处理器、电源模块、USB接口、Zigbee模块、GSM模块；

①微处理器为具有USB接口、两路串口外设和多组I/O端口的单片机；

②电源模块与窗机控制节点的电源模块相同；

③USB接口为相应电容电阻及USB母口构成的接口电路；

④Zigbee模块为Zigbee协调器模块，与微处理器串口0相连；

⑤GSM模块与微处理器串口1相连，与微处理器通过串口进行通信；

（6）手机为安卓系统或IOS系统、可以连接GSM网络、运行着窗户监控应用的手机。

本发明具有成本低、功耗低、安全可靠等优点，具有巨大的节能潜力。在感知到烟雾超标后能及时的打开窗户进行排烟排尘，可有效减少此类事情的发生： 

1、本发明具有风雨、烟雾、温度、光强度等多种环境参数检测装置，能根据所测得的环境参数实现窗户的智能控制，以改善建筑物的采光、通风、散热和排烟排尘，具有节能和消防的作用。

2、本发明充分利用Zigbee无线技术和CAN总线技术，克服了单纯依靠Zigbee网络通信易造成网络负荷过大且硬件成本过高和单纯依靠有线通信造成局部不方便布线或布线成本过高的缺点，实现控制节点的灵活组合，使之应用范围更广、成本更低，从而可用于组建大型的控制网络，实现整个大型公共建筑群采光、通风、散热和排烟排尘等的统一控制和管理。 

3、本发明各电源模块均带有备用电源，可在停电时继续正常工作，特别是在因自然灾害、火灾引起供电失常时，可保证窗户仍可自动开启，以进行通风、散热和排烟排尘，从而保障人们人身和财产的安全。 

4、本发明各结构模块化，可扩展性强，如加入人体红外传感器，可实现入侵报警等，还可扩展用于窗帘、电灯、空调系统和采暖系统的控制以组成智能建筑物控制系统。 

附图说明

图1是本发明新型智能窗户控制系统总体结构框图； 

图2 是本发明窗机控制节点结构框图；

图3 是本发明窗机控制器结构框图；

图4 是本发明总控制器结构框图；

图5 是本发明C8051F500最小系统电路图；

图6 是本发明电源切换电路电路图

图7 是本发明电源稳压电路电路图；

图8 是本发明电机驱动模块电路图；

图9是本发明检测模块电路图；

图10 是本发明手动控制盒电路；

图11 是本发明CAN总线收发器电路；

图12 是本发明C8051F340最小系统和USB接口电路；

图13 是本发明窗户监控软件的界面；

图14是本发明Zigbee网络结构图。

具体实施方式

 本发明是由窗机控制节点、窗机控制器、红外遥控器、个人电脑、主控制器和手机组成， 

（1）窗机控制节点是由微处理器、电源模块、Zigbee模块、电推杆、电机驱动模块、窗户位置检测模块、红外接收模块、手动控制盒、环境参数检测模块和CAN总线收发器组成，

①微处理器为具有AD、串口、CAN等外设和多组I/O端口的单片机；

②电源模块包括开关电源、备用电池、切换电路和稳压电路；

③Zigbee模块为Zigbee路由器或Zigbee终端节点模块，与微处理器通过串口通信；

④电推杆和电机驱动模块相连，用于控制窗户的开和关；

⑤电机驱动模块控制端与微处理器相连，输出端与电推杆相连；

⑥窗户位置检测模块为滑动变阻器，安装在窗户轴承处，与微处理器AD采集引脚相连；

⑦红外接收模块的核心为红外接收头，与微处理器外部中断引脚相连；

⑧手动控制盒由一个“开”按键、一个“关”按键和二个指示灯构成，控制端与微处理器I/O端口相连；

⑨环境参数检测模块包括风雨检测、烟雾检测、温度检测模块、光照强度检测模块，由相应传感器和电压比较器构成，电压比较器的输出与微处理器的I/O端口相连；

⑩CAN总线收发器由CAN收发芯片、光电隔离芯片和稳压二极管等元器件构成，与微处理器的CAN引脚相连，或者与微处理器的CAN引脚相连的同时通过双绞线与其它CAN总线收发器相连；

（2）窗机控制器包括微处理器、电源模块、电推杆、电机驱动模块、窗户位置检测模块、红外接收模块、手动控制盒、四位拨码开关和CAN总线收发器，其中微处理器、电源模块、电推杆、电机驱动模块、窗户位置检测模块、红外接收模块、手动控制盒和CAN总线收发器与窗机控制节点相应模块相同；四位拨码开关与微处理器I/O端口相连，窗机控制器与窗机控制节点通过双绞线连接各自的CAN总线收发器组成CAN网络；

（3）红外遥控器为采用NEC编码方式、调制载波频率为38K的小型红外遥控器；

（4）个人电脑为带USB接口、运行着窗户监控软件的个人电脑；

（5）主控制器包括微处理器、电源模块、USB接口、Zigbee模块、GSM模块；

①微处理器为具有USB接口、两路串口外设和多组I/O端口的单片机；

②电源模块与窗机控制节点的电源模块相同；

③USB接口为相应电容电阻及USB母口构成的接口电路；

④Zigbee模块为Zigbee协调器模块，与微处理器串口0相连；

⑤GSM模块与微处理器串口1相连，与微处理器通过串口进行通信；

（6）手机为安卓系统或IOS系统、可以连接GSM网络、运行着窗户监控应用的手机。

以下对本发明做详细的描述： 

本发明包括多个窗机控制节点、多个窗机控制器、红外遥控器、个人电脑、主控制器和手机。

所述窗机控制节点包括微处理器、电源模块、Zigbee模块、电推杆、电机驱动模块、窗户位置检测模块、红外接收模块、手动控制盒、环境参数检测模块和CAN总线收发器。所述微处理器为具有AD、串口、CAN等外设和多组I/O端口的单片机，如新华龙电子有限公司生产的C8051F500；所述电源模块包括开关电源、备用电池、切换电路和稳压电路，所述开关电源可将220V交流市电转换为12V直流电，用于给备用电池充电和给系统供电，所述备用电池为一块12V、3.6AH的镍氢电池，用于在220V市电停电时继续维持系统正常工作48小时以上，所述切换电路用于完成市电供电和电池供电的切换，所述稳压电路由LM2576系列稳压芯片和电源隔离模块构成，可将12V直流电转换为一路3.3V和两路独立的5V直流电，用于给节点中各芯片供电；所述Zigbee模块为Zigbee路由器或Zigbee终端节点模块，与微处理器通过串口通信；所述电推杆和电机驱动模块相连，用于控制窗户的开和关；所述电机驱动模块控制端与微处理器相连，输出端与电推杆相连；窗户位置检测模块为滑动变阻器，安装在窗户轴承处，与微处理器AD采集引脚相连，微处理器通过采集滑动变阻器分压得到窗户位置；所述红外接收模块的核心为红外接收头，与微处理器外部中断引脚相连，用于接收红外遥控器信号；所述手动控制盒由1个“开”按键、1个“关”按键和2个指示灯构成，控制端与微处理器I/O端口相连，安装在人们易于接触的位置，用于手动控制和指示窗户的打开和关闭；所述环境参数检测模块包括风雨检测、烟雾检测、温度检测模块、光照强度检测模块，由相应传感器和电压比较器构成，电压比较器的输出与微处理器的I/O端口相连，用于检测环境参数是否超标； CAN总线收发器由CAN收发芯片、光电隔离芯片和稳压二极管等元器件构成，与微处理器的CAN引脚相连，同时可通过双绞线与其它CAN总线收发器相连，建立CAN总线通信网络。 

所述窗机控制器包括微处理器、电源模块、电推杆、电机驱动模块、窗户位置检测模块、红外接收模块、手动控制盒、4位拨码开关和CAN总线收发器。所述微处理器、电源模块、电推杆、电机驱动模块、窗户位置检测模块、红外接收模块、手动控制盒和CAN总线收发器与窗机控制节点相应模块相同；所述4位拨码开关与微处理器I/O端口相连，用于设定窗机控制器CAN的地址，最多可设置16个地址。窗机控制器与窗机控制节点通过双绞线连接各自的CAN总线收发器组成CAN网络，实现CAN总线通信。 

所述红外遥控器为采用NEC编码方式、调制载波频率为38K的小型红外遥控器，可对每个窗机控制节点和窗机控制器进行遥控。 

所述个人电脑为带USB接口、运行着窗户监控软件的个人电脑。所述窗户监控软件采用VB编写，通过USB线与主控制器通信，有窗户开关控制按键、窗户定时开关组件、可实时显示和保存各窗户状态及各位置环境参数等信息。 

所述主控制器包括微处理器、电源模块、USB接口、Zigbee模块、GSM模块。所述微处理器为具有USB接口、两路串口等外设和多组I/O端口的单片机，如新华龙电子有限公司生产的C8051F340；所述电源模块与窗机控制节点的电源模块相同；所述USB接口为相应电容电阻及USB母口构成的接口电路，用于连接个人电脑；所述Zigbee模块为Zigbee协调器模块，与微处理器串口0相连，该模块可自动给在网络范围内的窗机控制节点上的Zigbee路由器和Zigbee终端节点分配地址并组成Zigbee无线网络。所述GSM模块与微处理器串口1相连，与微处理器通过串口进行通信，使用时需要插入手机SIM卡，与手机通过GSM网络以短信的形式通信。 

所述手机为安卓系统或IOS系统、可以连接GSM网络、运行着窗户监控应用的手机，所述窗户监控应用可实时控制各窗户开关、定时开关窗户、实时查看各窗户状态和环境参数。 

各模块的连接方式及控制方法如下： 

主控制器通过USB线连接个人电脑，通过GSM模块与手机进行无线通信，通过Zigbee协调器模块与多个窗机控制节点进行无线通信。个人电脑运行有窗户监控软件，窗户监控软件通过API函数检测主控制器的USB设备并对其进行读写操作，再配合软件中的其它模块以进行数据的显示和发出控制命令。手机上运行有窗户监控应用，窗户监控应用与主控制器的GSM模块以短信的形式进行通信，实现与个人电脑上运行的窗户监控软件一样的功能。各窗机控制节点通过Zigbee路由器模块或Zigbee终端节点模块加入由主控制器的Zigbee协调器模块构成的Zigbee无线控制网络中，再通过Zigbee无线控制网络与主控制器进行数据交换；同时窗机控制节点也通过CAN总线与所辖范围内的各窗机控制器进行有线通信，以接收各窗机控制器上传的数据和发出控制命令。红外遥控器通过红外信号可对每个窗机控制节点或窗机控制器进行遥控，以控制窗户的开启和关闭。

一个窗机控制节点所接的窗机控制器数量由其所在的位置决定，最多不能超过16个。可将离的比较近且相互之间方便布线的窗户划为一个区域（所划的区域内窗户数量不可超过17个），每个区域中间位置的窗户由一个窗机控制节点来控制，其它位置的窗户由窗机控制器来控制；对于个别远离其它窗户且不易布线的窗户，可单独由一个窗机控制节点来控制，这样就克服了单独采用有线控制造成局部不易布线，和过多采用Zigbee无线节点造成网络负荷过大、成本过高和资源浪费的缺点。 

窗户的控制命令主要来自5个方面。第1是根据所采集的环境参数进行智能控制，由窗机控制节点自行发出控制命令，如检测到风雨信息超标时，能自行发出关窗命令，使窗户关闭，检测到烟雾超标时可自行发出开窗命令，将窗户打开，将烟尘排出等；第2是手动控制盒发出的控制命令，长按“开”可进入手动状态，手动状态下，只有手动控制盒可控制对应窗户的开和关，手动状态下长按任意键可退出手动状态；第3是红外摇控器发出的控制命令，将红外摇控器的红外发射头对向窗机控制节点或窗机控制器的红外接收头，键入窗户编号和控制命令就可控制相应窗户的开关；第4是利用个人电脑上的窗户监控软件来控制窗户，当窗户监控软件发出控制命令后，主控制器会对这个命令进行解析，然后将命令发送给相应窗户所在的窗机控制节点，窗机控制节点也会对所收到的命令进行解析，然后执行或将命令转发给相应的窗机控制器，由窗机控制器来执行这个命令；第5是利用手机上的窗户监控应用来控制窗户，其过程同第4种控制方式。 

一、新型智能窗户控制系统的总体结构框图如图1所示，具体实施步骤如下：

（1）如图1所示，本系统包括多个窗机控制节点、多个窗机控制器、红外遥控器、个人电脑、主控制器和手机。各窗机控制节点通过Zigbee无线网络与主控制器进行无线通信，通过CAN总线与1个或多个（最多16个）窗机控制器进行有线通信；主控制器与个人电脑通过通用串行总线（USB）进行通信，与手机通过GSM网络进行通信，红外遥控器与各窗机控制节点和窗机控制器通过红外信号进行通信，从而组成了本系统的控制网络。

（2）窗机控制节点和窗机控制器安装在窗户旁边，均可独立的控制一扇窗户，均带有一个手动控制盒，手动控制盒安装在窗户附近人们易于接触的位置。人们可通过手动控制盒或红外摇控器近距离控制窗户的开关，还通过个人电脑或手机进行窗户的远程控制，窗机控制节点还可根据所带的环境参数检测模块所测参数进行本节点所辖窗户的智能控制。在远程控制时控制信号先通过USB线或GSM网络传递给主控制器，主控制器对该信号进行解析后，再通过Zigbee网络传递给相应窗机控制节点，相应窗机控制节点也会对该信号进行解析，若该信号是针对本窗机控制节点的，则留下处理，若是针对本节点所辖某一窗机控制器的，则通过CAN总线传递给这个窗机控制器。执行后的反馈信号、窗户状态和环境参数信号通过该方式的相反方向传递给个人电脑和手机。 

（3）可根据窗户的位置和布线的难易程度来选择窗户是由窗机控制节点来控制还是由窗机控制器来控制。如一个房间只有一扇窗户需要控制时，可由一个窗机控制节点来控制；若一个房间有多扇窗户需要控制时，可由一个窗机控制节点和相应数量的窗机控制器来控制；而当这个房间内局部窗户不方便或不易布线时，或者窗户数超过窗机控制节点所接最大窗机控制器数量时，可将离的比较近且相互之间方便布线的窗户划为一个一个的区域（所划的区域内窗户数量不可超过17个），每个区域中间位置的窗户由一个窗机控制节点来控制，其它位置的窗户由窗机控制器来控制，其原则是采用最少的窗机控制节点、最易布线、成本最低。 

二、窗机控制节点的结构框图如图2所示，具体实施步骤如下：

（1）如图2所示，窗机控制节点包括微处理器、电源模块、Zigbee模块、电推杆、电机驱动模块、窗户位置检测模块、红外接收模块、手动控制盒、环境参数检测模块和CAN总线收发器。

（2）所述微处理器是本节点的主控制芯片，用于处理各模块信号，在本实施例中采用的是新华龙电子有限公司生产的C8051F500单片机，其最小系统电路图如图5所示。图中U1为C8051F500单片机，C5、C7为钽电容，大小为4.7uF，耐压值为16V，C6、C8为陶瓷电容，大小为0.1uF，耐压值为16V；C8051F500的第11、12引脚为C2D、C2CK，它们构成C2接口，连接到了P3接口上，用于下载单片机程序；第25、26引脚接电机驱动模块的两个控制端，用于发出电机正反转控制信号；第28～31引脚接手动控制盒，用于采集按键信号和发出指示灯控制信号；第32、33引脚用做AD采集引脚，各自连接一个AD保护电路的输出端，用于检测窗户位置信号；第36引脚接图9（B）所示的红外接收电路的信号输出引脚，用于单片机对红外遥控信号的解码；第37引脚接Zigbee模块的复位引脚，用于Zigbee模块复位；第39～42引脚也用作AD采集引脚，各自连接一个AD保护电路的输出端，用于采集各环境参数；第43、44引脚接CAN总线收发器的信号引脚，用于进行CAN总线通信；第45、46引脚接Zigbee模块的串口通信引脚，用于主控制器与Zigbee模块的通信。 

（3）所述电源模块包括开关电源、备用电池、切换电路和稳压电路。所述开关电源为现成的开关电源，可将交流的市电转换为12V直流电（实际应用时将利用开关电源上的微调电阻将其输出电压调至13V～14V，以克服电路中二极管的压降影响），用于给备用电池充电和给系统供电。所述备用电池是一块额定电压为12V、容量为3.6AH的镍氢电池，用于在市电停电时继续维持系统正常工作48小时以上，其在电路中的位置如图6中BT1所示。所述切换电路用于完成市电供电和电池供电的切换，其电路如图6所示，图中输入的12V直流电由开关电源产生； D1、D2、D3为二极管，型号分别为1N5822、1N4148、1N4148，F1为玻璃管保险丝，熔断电流为1A，R1、R2为电阻，大小分别为1KΩ和1MΩ，Q1为MOS管，型号为IRF9130，BT1为镍氢电池；当市电正常时，12V直流电可用，此时一路电流经过D1、F1和D2流到VCC ，另一路经过R1给电池BT1充电，而此时Q1的源极和漏极断开；当停电时，12V直流电不可用，此时Q1的源极和漏极处于导通状态，电流从电池输出经过Q1、D3流入VCC，从而保证了在停电情况下系统仍然供电正常，可正常运行至电池电量不足（一般可运行48小时经以上）。所述稳压电路由LM2576系列稳压芯片和电源隔离模块构成，其电路图如图7所示，图中输入电压VCC接电源切换电路的输出，C1～C5为电解电容，大小分别为100uF、1000uF、100uF、1000uF和10uF，耐压分别为50V、16V、50V、16V和16V，C6为陶瓷电容，大小为2.2uF，耐压为16V；U1、U2为美国国家半导体公司生产的稳压芯片，型号为LM2576-3.3和LM2576-5， 可分别将8.0V~40V的直流电压转换为3.3V和5.0V的直流电压；L1、L2为电感，大小均为220uH；U3为广州晶源电子有限公司生产的DCDC直流电源模块，型号为IB0505S-2W，作用是隔离出另外一个5V直流电压（DC5V）和一个地（DCGND），用于给光电隔离芯片供电。 

（4）所述Zigbee模块为集成的Zigbee路由器模块或Zigbee终端节点模块，本实施例所用Zigbee模块为深圳飞比电子科技有限公司生产的FZB5000⁺系列Zigbee模块，该模块与微处理器通过串口通信。 

（5）所述电推杆由12V直流电驱动，控制端与电机驱动模块相连，通过电机驱动模块驱动电推杆伸缩，从而控制窗户的开和关。电机驱动模块用于驱动电推杆的伸缩，其电路图如图8所示，该模块主要由继电器J1、J2，三级管Q5、Q6，场效应管Q1、Q2、Q3、Q4，和二级管D1～D6等元器件组成，其接线方式如图8所示；D0、D1为控制信号输入端，接单片机的第25、26引脚；M_R、M_L接电推杆的正负端，用于控制其伸缩，图中M1所示为电推杆的位置；图中当D0输入为高电平、D1输入为低电平时，电流从电源正级经场效应管Q2从M_L端流经电机，再从M_R端流出后经场效应管Q3流入地，从而驱动电推杆伸长（或缩短），同理当D0输入为低电平、D1输入为高电平时，电推杆缩短（或伸长）。 

（6）所述窗户位置检测模块的核心为一个滑动变阻器，它安装在电推杆上，滑动变阻器两端分别接5V电源和地，中间引脚为检测端，当电推杆伸缩时，检测端电压也随之改变，微处理器通过采集检测端电压可得到窗户的位置；检测端连接图9右图（AD保护电路）所示的AI_CH1端，电压从AI_CH1经过电阻R14、R13后从I_CH1进入单片机的AD采集引脚（第32引脚），电阻R14、R13起限流作用，5V稳压二极管D8用于限压；检测端输出电压的范围约为0～4V，当电压接近0V（小于0.2V）时可认为窗户关闭，当电压在1.8V到2.0V之间时认为窗户是半开的，当电压接近4V（大于3.5V）时，可认为窗户打开。 

（7）所述红外接收模块的核心为红外接收头IR1308，其电路如图9左图所示，5V电源经过100Ω电阻R1后接IR1308的P脚， IR1308的GND引脚经过0Ω电阻R49后接地，IR1308的P脚和地之间跨接了一个0.1uF的陶瓷电容；IR1308的D脚为信号输出端，与微处理器外部中断引脚相连（第36引脚），用于接收红外遥控器信号。 

（8）所述环境参数检测模块包括风雨检测、烟雾检测、温度检测和光强检测。各检测模块由相应传感器和检测电路组成，所述传感器的输出信号均为0-5V的直流电压，风雨检测传感器安装在窗户外侧（室外），其它传感器安装在室内；所述检测电路与窗户位置检测的电路相同，即各自经过一个AD保护电路后进入微处理器的AD采集引脚（图5单片机的39～42引脚）；可通过运行在个人电脑上的窗户监控软件根据实际情况设置各检测信号的上下限电压，当所测得的电压大于所设置的电压上限时则认为该环境参数超标，当所测得的电压小于所设置的电压下限时则认为该环境参数恢复正常。 

（9）所述手动控制盒由按键和指示灯构成，安装在人们易于接触的位置，用于手动控制窗户的开关，其电路图如图10所示。S1、S2为按键；D1、D2为发光二极管，用作指示灯；R1~R4为碳膜电阻，阻值分别为390Ω、390Ω、10KΩ和10KΩ，功率均为0.25W；C1、C2为瓷片电容，大小均为0.1uF，耐压均为16V；KEY_C、KEY_O为按键信号输出端，分别连接图5中单片机的第29、28引脚。LIGHT_O、LIGHT_C为指示灯控制端，与图5中单片机的30、31引脚相连。手动控制盒不是系统必须的模块，在一些不方便放置手动控制盒的地方可不接。 

（10）所述CAN总线收发器由CAN收发芯片、光电隔离芯片和稳压二极管等元器件构成，其电路图如图11所示，图中标号相同的导线在实际中是连接在一起的，图中U13为CAN收发芯片，型号是TJA1050；U14、U15为光电隔离芯片，型号是PS9121，D20～D23为稳压二极管，额定稳压值分别为9.1V、9.1V、6.8V和6.8V，光电隔离芯片和稳压二极管在电路中起隔离和保护作用；R42、R44~R46 为碳膜电阻，阻值分别为4.7KΩ、390Ω、4.7KΩ和390Ω，功率均为0.25W；C22~C24为瓷片电容，大小均为0.1uF，耐压值均为16V；CANRX、CANTX与微处理器的CAN引脚相连（图5中单片机的第43、44引脚）；CNAH、CANL通过双绞线与其它CAN总线收发器的CNAH、CANL相连，从而建立CAN总线通信网络。 

三、窗机控制器的结构框图如图3所示，具体实施步骤如下：

（1）如图3所示，窗机控制器包括微处理器、电源模块、电推杆、电机驱动模块、窗户位置检测模块、红外接收模块、手动控制盒、4位拨码开关和CAN总线收发器。

（2）所述电源模块、电推杆、电机驱动模块、窗户位置检测模块、红外接收模块、手动控制盒和CAN总线收发器与窗机控制节点相应模块相同；所述微处理器型号和最小系统电路与窗机控制节点的微处理器型号和最小系统电路相同，与上述各模块的接口引脚也相同，但第37、45、46引脚不接Zigbee模块，第39～42引脚接的是4位拨码开关的信号输出端。 

（3）所述4位拨码开关与微处理器第39～42引脚相连，用于设定窗机控制器CAN总线的地址，最多可设置16个地址。 

（4）窗机控制器与窗机控制节点通过双绞线连接各自的CAN总线收发器，组成CAN网络，实现CAN总线通信。 

四、总控制器的结构框图如图4所示，具体实施步骤如下：

（1）如图4所示，主控制器包括电源模块、微处理器、USB接口、Zigbee模块、GSM模块。所述电源模块与窗机控制节点的电源模块相同。

（2）本实施例中主控制器的微处理器选用的是新华龙电子有限公司生产的C8051F340单片机，其最小系统电路图如图12所示，图中标号相同的导线实际中连接在一起，图中3.3V直流电压由电源模块提供，U1为C8051F340单片机；C1为钽电容，大小为4.7uF，耐压为16V，C2为瓷片电容，大小为0.1uF，耐压为16V；单片机的第1、2引脚用作串口0的输入输出端，接Zigbee模块的相应通信引脚；单片机的第5、6引脚用作串口1的输入输出端，接GSM模块的相应通信引脚；单片机的第8、9和12引脚用作USB信号通信端，与USB接口的相应引脚相连； 单片机的第13、14引脚为C2D、C2CK，它们构成C2接口，连接到了JK1接口上，用于下载单片机程序。 

（3）USB接口为相应电容电阻及USB接口构成的接口电路，用于连接个人电脑，其电路图如图12右下角所示，CN1为USB接口，CN1的VCC引脚接单片机的第12脚，同时与地之间跨接了一个100uF的电解电容和一个0.1uF的瓷片电容，D-、D+引脚分别通过一个22Ω的碳膜电阻后接单片机的第9、8脚，其它引脚接地。 

（4）Zigbee模块为Zigbee协调器模块，本实施例所用Zigbee模块为深圳飞比电子科技有限公司生产的FZB5000⁺系列Zigbee模块，与微处理器通过串口通信，其串口连接到图12单片机的Zigbee_RX、Zigbee_TX引脚，该模块可自动给在网络范围内的窗机控制节点上的Zigbee路由器模块和Zigbee终端节点模块分配地址并组成Zigbee无线网络。 

（5）GSM模块也通过串口与微处理器通信，其串口连到图12的GSM_RX、GSM_TX引脚。GSM模块使用时需要插入手机SIM卡，与手机通过GSM网络以短信的形式通信。 

五、窗户监控软件和窗户监控应用的具体实施步骤如下：

（1）窗户监控软件运行在个人电脑上，与控制系统中的主控制器通过USB进行通信，本实施例以图13所示的窗户监控软件来对本发明的窗户监控软件进行说明，图13为窗户监控软件的一个界面，监控软件每500ms从主控制器中读取一次数据用于更新界面，图中显示的是2号节点上3个窗户的状态、定时参数和环境参数等。以图中最左边的窗户1为例，图中显示的是一个大开着的窗户图片表示窗户1的状态为开；图片下方有3个按键，分别是开、半开/半关、关，单击相应的按键可控制对应窗户的动作；按键下方为电压值，代表的是窗户位置检测电阻的分压，图中分压为3762mV，大于3.5V，与大开的窗户相对应；电压下方为手动/自动状态，长按手动控制盒的开键可进入手动状态，手动状态时只有手动控制盒可控制窗户的开关，图中显示的为自动状态，此时遥控、窗户监控软件、窗户监控应用和根据环境参数发出的智能控制策略均可控制窗户的开关；再下方是定时时间选择、剩余时间和定时开关按键，可选时间为2分钟到24小时不等的几个时间段，剩余时间为00:00:00时发出相应的控制命令，单击“开”键后，“关”键后面的指示灯变为深色，图中定时时间为2分钟，还剩余1分21秒，将发出的控制命令为关。同理窗户2为关，分压为91mV，处在自动状态，定时时间为30分钟，剩余时间为17分55秒，将发出的控制命令为关；窗户3为半开，分压为1923mV，处在自动状态，定时时间为4小时，剩余时间为2小时30分47秒，将发出的控制命令为开。图13最右边为警告提示，包括光强信号、风雨信号、温度信号、烟雾信号等环境参数和超时信号、系统错误信号、错误代码和遥控代码。

（2）窗户监控应用远行在智能手机上，与窗户监控软件类似，但窗户监控应用只有在各窗户状态、各环境参数有变化时或在用户点击更新后才会更新相应数据，同时窗户监控应用不能设置环境参数的上下限值。 

六、各模块的连接方式、控制网络组网方式和通信协议的具体实施步骤如下：

（1）主控制器通过USB线连接个人电脑，通过GSM模块与手机进行无线通信，通过Zigbee协调器模块与多个窗机控制节点进行无线通信。个人电脑运行有窗户监控软件，窗户监控软件通过API函数检测主控制器的USB设备并对其进行读写操作，再配合软件中的其它模块以进行数据的显示和发出控制命令。手机上运行有窗户监控应用，窗户监控应用可读取主控制器的GSM模块发送来的特定的短信，实现与个人电脑上运行的窗户监控软件一样的功能。各窗机控制节点通过Zigbee路由器模块或Zigbee终端节点模块加入由主控制器的Zigbee协调器模块构成的Zigbee无线控制网络中，再通过Zigbee无线控制网络与主控制器进行数据交换；同时窗机控制节点也通过CAN总线与所辖范围内的各窗机控制器进行有线通信，以接收各窗机控制器上传的数据和发出控制命令。红外遥控器通过红外信号可对每个窗机控制节点或窗机控制器进行遥控，以控制窗户的开启和关闭。

（2）本系统控制网络由Zigbee网络和CAN总线网络组成。Zigbee网络由Zigbee协调器、Zigbee路由器和Zigbee终端节点通过无线通信构成，其网络结构如图14所示，每个网络只有一个协调器，但路由和终端节点可以有多个；正常工作时协调器为每个路由器和终端节点分配一个唯一的地址，从而组建Zigbee网络；路由器允许路由和终端节点加入其网络，可对网络中的数据进行路由；终端节点一般会选择协调器或一个信号最强的路由作为其父节点加入网络中，并只与其父节点进行通信，不能对网络中的数据进行路由；具体说明参见深圳市飞比电子科技有限公司的“FBee^TM  Zigbee Module FZB5000 系列产品手册V2.00” 。本系统中主控制器中的Zigbee模块即为Zigbee协调器，而窗机控制节点上的Zigbee模块则为Zigbee路由器或Zigbee终端节点。CAN总线网络由双绞线连接窗机控制节点和各窗机控制器的CAN总线收发器组成，组成的是一个一对多的网络；由于窗机控制器上接有4位的拨码开关，4位的拨码开关共有16种状态值，各窗机控制器将拨码开关的状态值作为控制器编号，同时根据这个值计算出控制器的本地地址，而一个CAN总线网络中不能有2个相同地址的设备，因此一个窗机控制节点最多可接入16个窗机控制器，窗机控制器的目标地址是固定的即为窗机控制节点的本地地址。 

（3）所述通信协议为建立在各模块可正常进行数据交换基础上的用户协议，即通信时所用的数据格式。窗机控制器每500mS向窗机控制节点发送一次数据，其数据格式为：1字节所发送数据长度+1字节控制器编号+1字节错误代码（当窗机控制器某个模块发生错误时会产生错误代码）+1字节窗户状态+1字节待执行的控制命令+2字节窗户位置检测电阻的分压+1字节手动/自动状态+1字节遥控器代码（该窗机控制器接收到遥控信号时会产生遥控器代码）；窗机控制节点会根据控制器编号将所接收到的数据依次保存在特定的内存中。窗机控制节点只有收到某一窗户的控制命令时才会向该窗机控制器发送数据，其数据格式为：1字节所发送数据的长度+1字节控制命令，些时窗机控制节点的目标地址由所接收到的控制器编号计算得到，计算方法与窗机控制器计算本地地址时的算法相同。窗机控制节点每500mS向总控制器发送一次数据，其格式为1字节数据长度+1字节节点编号+1字节错误代码+本节点的数据+本节点所接窗机控制器1的数据+本节点所接窗机控制器2的数据+°°°+本节点所接窗机控制器n的数据，具体表述为：1字节所发送数据的长度+1字节节点编号+1字节错误代码+【1字节本节点窗户状态+1字节本节点待执行的控制命令+2字节本节点窗户位置检测电阻的分压+1字节本节点手动/自动状态+1字节本节点遥控器代码+1字节本节点所检测的环境参数】+【1字节窗户控制器1的窗户状态+1字节窗户控制器1的待执行的控制命令+2字节窗户控制器1的窗户位置检测电阻的分压+1字节窗户控制器1的手动/自动状态+1字节窗户控制器1的遥控器代码】+ 【1字节窗户控制器2的窗户状态+1字节窗户控制器2的待执行的控制命令+2字节窗户控制器2的窗户位置检测电阻的分压+1字节窗户控制器2的手动/自动状态+1字节窗户控制器2的遥控器代码】+°°°+【1字节窗户控制器n的窗户状态+1字节窗户控制器n的待执行的控制命令+2字节窗户控制器n的窗户位置检测电阻的分压+1字节窗户控制器n的手动/自动状态+1字节窗户控制器n的遥控器代码】，主控制器会根据节点编号将所接收到的数据依次保存在特定的内存中；错误代码由本节点错误代码和本节点所接各窗机控制错误代码相或得到，第一个中括号中的数据为本节点的数据，第二个中括号起为本节点所接各窗机控制器的数据，当窗机控制节点没有接窗机控制器时，没有第一个括号以后的数据。主控制器向个人电脑每500mS发送一次数据，其数据格式为2字节数据长度+窗机控制节点1的数据+窗机控制节点2的数据+°°°+窗机控制节点n的数据，所述窗机控制节点n的数据为主控制器所接收的相应窗机控制节点1字节数据长度之后的所有数据。个人电脑只有在向某个窗户发出控制命令时才会向相应节点发送数据，此时目标节点的地址由主控制器根据节点编号计算得到，其数据格式为：1字节数据长度+1字节窗机控制节点编号+1字节窗机控制器编号+1字节控制命令。主控制器和手机通信时的协议与主控制器和个人电脑通信时的协议类似。 

七、智能控制策略的具体实施步骤如下：

（1）各窗机控制节点均接有环境参数检测模块，可以检测风雨信号、烟雾信号、温度信号和光强信号，窗机控制节点会根据所测得的信号对本节点所辖范围内的窗户进行智能控制，同时窗机控制节点会将所测得的环境参数传递给主控制器，主控制器对这些信号进行综合处理，给出全届的控制策略。具体实施方式如下：（1）用户可根据实际情况通过窗户监控软件对各环境参数的检测信号进行上下限的设置，设置完成后主控制器会将这些参数发送给各窗机控制节点，窗机控制节点每分钟检测一次各信号，将所测得的信号值与所给的上下限值进行比较、判断，然后进行智能控制；（2）当窗机控制节点检测到风雨信号超过设定的上限值时，则对本节点所辖范围内的窗机控制器发出关窗命令，窗机控制器先记下此时的窗户状态，然后执行关窗；同时将风雨超标情况发送给主控制器，当主控制器收到大于3个节点发来的风雨超标信号时，会对所有节点发出关窗命令，以保证室内不会进雨水，同时主控制器会给个人电脑和手机发出风雨超标警告；当所检测的风雨信号小于设定的下限时，窗机控制节点发出恢复命令，窗户恢复动作之前的状态；（3）白天当光强低于所设的下限值时，窗机控制节点会对主控制器发出警告提示，当收到大于3个节点发来的警告提示时，主控制器会对其中编号小的3个节点发出开窗命令，当这3个节点所辖范围内的窗户都打开后，仍有大于3个节点光强低于下限值，则主控制器再对其中编号最小节点发出开窗命令，以此类推，直到光强正常；当光强大于所设定的上限时，主控制器依次对执行了开窗的节点发出关窗命令，直到光强正常；类似的，在执行动作之前，窗机控制器均会记下窗户的状态，当所检测的光强信号正常时，窗机控制节点发出恢复命令，窗户恢复动作之前的状态；（4）当窗机控制节点检测到烟雾信号超过所设定的上限值时，则对本节点所辖范围内的窗机控制器发出开窗命令，窗机控制器先记下此时的窗户状态，然后执行开窗；同时将烟雾超标情况发送给主控制器；当主控制器收到大于3个节点发来的烟雾超标信号时，主控制器将对所有节点发出开窗命令，以加快烟雾的排出，同时主控制器会给个人电脑和手机发出烟雾警告；当所检测的烟雾信号小于设定的下限时，窗机控制节点发出恢复命令，窗户恢复动作之前的状态；（5）当窗机控制节点检测到室内温度大于所设定的上限值时，则对本节点所辖范围内的窗机控制器发出开窗命令，窗机控制器先记下此时的窗户状态，然后执行开窗；同时将温度超标情况发送给主控制器；当主控制器收到大于3个节点发来的温度超标信号时，会对所有节点发出开窗命令，以加快通风、换气，降低温度，直到正常；当检测到室内温度低于所设的下限值时，则发出关窗命令，过程与开窗命令类似；当所检测的温度信号正常时，窗机控制节点发出恢复命令，窗户恢复动作之前的状态。

（2）窗户的控制命令主要来自5个方面，即手动控制盒、红外摇控器、窗户监控软件、窗户监控应用和环境参数智能控制，其中环境参数包括风雨、烟雾、温度和光强。各命令中优先级最高的为手动控制盒，其它依次为红外摇控器、窗户监控软件、窗户监控应用和环境参数智能控制；环境参数中优先级最高的为烟雾，其它依次为风雨、温度和光强；当窗户控制节点或窗机控制器同时收到多个命令时，优先执行优先级高的控制命令。 

Claims (1)

1.一种用于节能和消防的智能窗户控制系统，其特征在于：是由窗机控制节点、窗机控制器、红外遥控器、个人电脑、主控制器和手机组成，

（1）窗机控制节点是由微处理器、电源模块、Zigbee模块、电推杆、电机驱动模块、窗户位置检测模块、红外接收模块、手动控制盒、环境参数检测模块和CAN总线收发器组成，

①微处理器为具有AD、串口、CAN等外设和多组I/O端口的单片机；

②电源模块包括开关电源、备用电池、切换电路和稳压电路；

③Zigbee模块为Zigbee路由器或Zigbee终端节点模块，与微处理器通过串口通信；

④电推杆和电机驱动模块相连，用于控制窗户的开和关；

⑤电机驱动模块控制端与微处理器相连，输出端与电推杆相连；

⑥窗户位置检测模块为滑动变阻器，安装在窗户轴承处，与微处理器AD采集引脚相连；

⑦红外接收模块的核心为红外接收头，与微处理器外部中断引脚相连；

⑧手动控制盒由一个“开”按键、一个“关”按键和二个指示灯构成，控制端与微处理器I/O端口相连；

⑨环境参数检测模块包括风雨检测、烟雾检测、温度检测模块、光照强度检测模块，由相应传感器和电压比较器构成，电压比较器的输出与微处理器的I/O端口相连；

⑩CAN总线收发器由CAN收发芯片、光电隔离芯片和稳压二极管等元器件构成，与微处理器的CAN引脚相连，或者与微处理器的CAN引脚相连的同时通过双绞线与其它CAN总线收发器相连；

（2）窗机控制器包括微处理器、电源模块、电推杆、电机驱动模块、窗户位置检测模块、红外接收模块、手动控制盒、四位拨码开关和CAN总线收发器，其中微处理器、电源模块、电推杆、电机驱动模块、窗户位置检测模块、红外接收模块、手动控制盒和CAN总线收发器与窗机控制节点相应模块相同；四位拨码开关与微处理器I/O端口相连，窗机控制器与窗机控制节点通过双绞线连接各自的CAN总线收发器组成CAN网络；

（3）红外遥控器为采用NEC编码方式、调制载波频率为38K的小型红外遥控器；

（4）个人电脑为带USB接口、运行着窗户监控软件的个人电脑；

（5）主控制器包括微处理器、电源模块、USB接口、Zigbee模块、GSM模块；

①微处理器为具有USB接口、两路串口外设和多组I/O端口的单片机；

②电源模块与窗机控制节点的电源模块相同；

③USB接口为相应电容电阻及USB母口构成的接口电路；

④Zigbee模块为Zigbee协调器模块，与微处理器串口0相连；

⑤GSM模块与微处理器串口1相连，与微处理器通过串口进行通信；

（6）手机为安卓系统或IOS系统、可以连接GSM网络、运行着窗户监控应用的手机。

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