CN104295517A - 一种智能室温调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能室温调节系统，包括智能风扇单元、智能窗户单元和用户控制单元，首先该系统应用热释红外探测模块和温度感应模块，根据环境温度控制智能窗户和风扇的开闭来解决空调定时关闭后的通风问题，缓解空调关闭后人们闷热至醒的烦恼；其次该系统中风扇实现智能调速，有效地避免人身体因受风过多而生病的问题，同时能自动检测使用者是否在风扇附近，假如使用者不在检测局域内，风扇会自动关闭达到节能的目的；最后该系统实现了声控功能，能够识别用户的语音提示，做出相关的动作，同时通过热释电红外探测方法解决当窗户打开后的防盗问题，及时关闭窗户，保证生命财产的安全。

Description

一种智能室温调节系统

技术领域

本发明涉及温控电子技术及单片机应用的技术领域，特别涉及一种智能室温调节系统。

背景技术

随着智能家居行业的异军突起以及人们生活水平的提高，智能家居也将逐渐走向平民化，走向千家万户。作为现代家庭必不可少的电器--空调机，在带给人们清凉舒适的同时，也带带来了诸多问题。为解决空调机能源损耗量大，花费电费多的问题，人们普遍会选择开启空调机的定时功能，让自己在睡着之后，使冷气自动关闭的做法。但是，这往往带来的是更大的代价：空调病、睡眠质量差等等。造成这些的原因是因为在窗户紧闭密不通风的房间里，空调关闭后，室内温度升高，冷热温差和空气不流通的闷热感让人不得不从睡梦中醒过来。

市面上存在以下类似发明，如一种空调电风扇,包括机体、风轮、风轮电动机、进风口、出风口、导风片、电热器和主控制器,在机体中设置由自动加热控制器、驱动机构、加热装置构成的自动加热装置,驱动机构安装在机体上并与自动加热控制器电联接、其输出与加热装置连接,加热装置加热送暖风时位于送风通道的位置、制冷送冷风或送常风时位于远离送风通道的位置,加热装置与自动加热控制器电联接,自动加热控制器与主控制器电联接。具有可自动控制加热,结构紧凑、体积小、造价低,操作简单,能耗小,噪音小,可保证制冷效果较好的。

还有一种节能空调风扇，在空调制冷制热方面的利用。目前所有的空调从结构到原理都是一样的，功率大、耗电多，利用率低。室内空间的大小来决定空调功率的大小，整个室内达到一定的温度，人们才感到舒适。节能空调风扇，比较灵活方便，它是直接或间接地从空调蒸发器吹下来的冷气或暖气，与风扇结合。在风扇周围，上下空气形成循环对流，室内局部冷或暖，人在哪，节能空调风扇在哪，节能50％。如果在室内用玻璃或透明塑料围成小室(特别是办室的地方)；夜间休息把节能空调风扇放在蚊帐内(增加一层布类)，小室或蚊帐的体积是整个室内体积的10％以下，而节能90％以上，所以节能空调风扇节能50－90％。

但是以上两种节能空调电风扇都没有考虑不同人群在不同温度下对于风速的要求，也没有实现随室温和人体体温的变化而自动控制电风扇风速的线性变化，且没能够通过对窗户的智能控制及时控制室内的温度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种智能室温调节系统，该智能室温调节系统首先通过对窗户的智能控制及时控制室内的温度，当空调关机后系统检测到环境温度升高和室外温度低于室内温度时自动开启窗户和启动智能调速风扇，保证人们的健康以及安稳的睡眠质量，起到为人们打造一个舒适、安全、人性化的居住环境，保证身体健康及节省能源的目地。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种智能室温调节系统，包括智能风扇单元、智能窗户单元和用户控制单元，其特征在于：其中所述智能风扇单元具有根据周围环境、温湿度的变化，智能控制风扇的开启、转速的功能，同时还具有接收外部的用户控制单元的控制指令对风扇进行控制的功能；

所述智能窗户单元具有根据周围环境、温湿度的变化，智能控制窗户的开启和闭合，同时还具有接收外部的用户控制单元的控制指令对窗户进行控制的功能；

所述用户控制单元具有用于接收用户的语言控制信号，并以无线传输的方式向智能风扇单元和智能窗户单元发送控制指令信号的功能。

优选的，所述的智能风扇单元包括第一从机控制模块、电源模块、温度传感器模块、湿度传感器模块、液晶显示模块、风扇模块，

其中第一从机控制模块用于接收检测到的周围环境数据，然后通过预先设计的逻辑关系，发送控制指令到风扇模块；

电源模块，与第一从机控制模块相连，并为整个智能风扇单元提供工作电源；

温度传感器模块，与第一从机控制模块相连，用于监测周围环境的温度，并将监测到的温度数据传输到第一从机控制模块；

湿度传感器模块，与第一从机控制模块相连，用于监测周围环境的湿度，并将监测到的湿度数据传输到第一从机控制模块；

液晶显示模块，与第一从机控制模块相连，用于显示周围环境的温度、湿度、以及风扇的转速；

风扇模块，与第一从机控制模块相连，并接收其控制指令控制风扇的开启及转速。

优选的，所述的智能窗户单元包括第二从机控制模块、电源模块、温度传感器模块、湿度传感器模块、结露传感器模块、直流电机模块，

其中第二从机控制模块用于接收检测到的周围环境数据，然后通过预先设计的逻辑关系，发送控制指令到直流电机模块；

电源模块，与第二从机控制模块相连，并为整个智能窗户单元提供工作电源；

温度传感器模块，与第二从机控制模块相连，用于监测周围环境的温度，并将监测到的温度数据传输到第二从机控制模块；

湿度传感器模块，与第二从机控制模块相连，用于监测周围环境的湿度，并将监测到的湿度数据传输到第二从机控制模块；

结露传感器模块，与第二从机控制模块相连，用于监测周围环境的雨水情况，并将监测到的雨水数据传输到第二从机控制模块；

直流电机模块，与第二从机控制模块相连，并接收其控制指令控制窗户的打开与闭合。

优选的，所述的智能风扇单元还包括人体信号采集模块，与第一从机控制模块相连，用于监测使用者是否在风扇附近；

其中人体信号采集模块中用到的人体信号监测方法包括热释电红外探测方法、红外线生命探测方法、音频采集方法；

采用热释电红外探测方法的人体信号采集模块包括热释电红外传感器和菲涅尔透镜。

优选的，所述的智能窗户单元还包括人体信号采集模块，与第二从机控制模块相连，用于监测是否有陌生人从窗户的外侧靠近窗户；

其中人体信号采集模块中用到的人体信号监测方法包括热释电红外探测方法、红外线生命探测方法、音频采集方法；

采用热释电红外探测方法的人体信号采集模块包括热释电红外传感器和菲涅尔透镜。

优选的，所述的第一从机控制模块、第二从机控制模块可以使用ARM系列、STM32系列、51单片机系列单片机，所述的所述用户控制单元可以使用ARM系列、STM32系列、51单片机系列单片机以及编写相关的android应用程序下载到智能手机作为用户控制单元的主控制器。

优选的，所述的智能风扇单元、智能窗户单元与用户控制单元之间的无线信号传输可以采用WiFi、蓝牙、ZigBee或者无源RFID，其中蓝牙无线传输方式中可以使用BMX-02/03系列CSR BlueCore蓝牙芯片。

优选的，所述的温度传感器模块中使用热敏电阻作为传感器或者DS18B20数字式温度传感器；

所述的湿度传感器模块中使用DHT11数字温湿度传感器。

优选的，所述的风扇模块包括固态继电器和风扇；

所述的液晶显示模块可以使用数码管或LCD1602显示模块或LCD12864显示模块完成显示功能。

优选的，所述的直流电机模块包括电机驱动和电机，其中电机驱动采用LMD18200驱动芯片，电机可以采用步进电机、直流电机或者直流减速电机；

所述的结露传感器模块采用HDS05结露传感器实现周围环境的雨水情况的监测功能。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本智能室温调节系统设置了温控、节能、智能化三种不同的工作模式，供使用者根据实际需求自行选择符合自身的工作模式，给了使用者更多的选择空间，体现了整体系统设计的新颖性，具有广阔的产业前景，这是市面上所类似的产品无法媲美的。

2)应用热释红外探测模块和温度感应模块，根据环境温度智能控制窗户和风扇的开闭来解决空调定时关闭后的通风问题，缓解晚上睡觉时人们为了节省用电而定时关闭空调而造成空调关闭后人们闷热至醒的烦恼；

3)针对市场上的节能空调风扇调节系统器，未能实现在电风扇周围没人时及时关闭电风扇的功能，本智能室温调节系统通过热释电红外探测模块，判断周围是否有人，从而控制电风扇的开启或是关闭，起到节省电能的目的。

4)风扇实现智能调速，能随环境温度的改变智能改变风速的大小，分为5个风速档，默认27度以上开启温控功能，温度的准确度达到0.1度。

5)实现声控功能，能够识别用户的语音提示，做出相关的动作。

6)有雨水探测装置，一遇到水就会启动装置，关闭窗户。

7)此外，本智能室温调节系统提供红外防盗功能，解决当窗户打开后的防盗问题，及时关闭窗户。

附图说明

图1是本发明中一种智能室温调节系统的模块框图；

图2是本实施例中51系统控制器单片机最小系统示意图；

图3是本实施例中智能风扇单元的软件流程图；

图4是本实施例中智能窗户单元的软件流程图；

图5是本实施例中LMD18200外形结构以及引脚对应图；

图6是本实施例中LMD18200芯片内部电路框图；

图7是DTH11典型电路接法；

图8是本实施例中DTH11数字湿温度传感器的数字0信号表示方法；

图9是本实施例中DTH11数字湿温度传感器的数字1信号表示方法；

图10是本实施例中HDS05结露传感器的电阻值与相对湿度的特性曲线图；

图11是本实施例中HDS05结露传感器的电路原理图；

图12是本实施例中热式红外传感器结构图与电路图；

图13是菲涅尔透镜成像原理图；

图14是过零触发型AC—SSR的内部电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明是一个以单片微处理器为核心配合电子电路等组成的一种智能室温调节器。它具有以下功能：

(1)温控模式：应用热释红外探测模块和温度感应模块，根据环境温度控制智能窗户和风扇的开闭来解决空调定时关闭后的通风问题，缓解空调关闭后人们闷热至醒的烦恼；

(2)节能模式：风扇实现智能调速，有效地避免人身体因受风过多而生病的问题，让生活变得更加舒适和方便，体现出人性化设计等特点；系统会自动检测使用者是否在风扇附近，假如使用者不在检测局域内，风扇会自动关闭达到节能环保的目的。

(3)智能化模式：实现声控功能，能够识别用户的语音提示，做出相关的动作。解决当窗户打开后的防盗问题，及时关闭窗户，保证生命财产的安全；用户可自行选择是否启用温控功能，方便用户操作运用。其中声控功能通过系统配套的应用程序，可向外设发送语音指令。例如：当应用程序接收到“打开窗户”“关闭窗户”“打开温控”等指令，程序以toast形式显示用户说的话，并请求窗户做出相应的动作。当应用程序接收到“打开风扇”“关闭风扇”等指令，程序以toast形式显示用户说的话，并请求窗户做出相应的动作。

其中，Toast是Android中用来显示显示信息的一种机制，和Dialog不一样的是，Toast是没有焦点的，而且Toast显示的时间有限，过一定的时间就会自动消失。

一、系统功能

如图1中一种智能室温调节系统的模块框图所述，该智能室温调节系统包括智能风扇单元、智能窗户单元和用户控制单元。

●手机客户端：

通过系统配套的应用程序，可向外设发送语音指令。例如：

1)当应用程序接收到“打开窗户”“关闭窗户”“打开温控”等指令，程序以toast形式显示用户说的话，并请求窗户做出相应的动作。

2)当应用程序接收到“打开风扇”“关闭风扇”等指令，程序以toast形式显示用户说的话，并请求窗户做出相应的动作。

●智能窗户端

1)当智能窗户接收到“打开窗户”“关闭窗户”等指令，电机驱动链条，由链条拉动窗户做出相应的开窗和关窗动作。

2)当智能窗户“发现”下雨时，会做出关窗的动作，以防把家居弄潮弄湿。

3)在温控模式下，当室外温度比室内温度低时，(如当空调定时关闭时，室内温度上升，空气不流通的情况)智能窗户会自动把关闭的窗户打开，以达到通风降温的功用。

●智能风扇端

1)根据使用对象和环境的需要，随环境温度的改变智能调整风速，起到节能的效果。从而有效地避免人身体因受风过多而生病的问题，让生活变得更加舒适和方便，体现出人性化设计等特点。

2)系统会自动检测使用者是否在风扇附近，假如使用者不在检测局域内，风扇会自动关闭达到节能环保的目的。

3)植入数字时钟和日历功能，自动更新日期和时间。系统断电后还可以通过后备电源供电记录时间，保证系统再次开启以后能够准确显示实时时间。同时可以通过遥控重新设定时间。

4)可根据不同用户的需要,设定风扇启动的初始温度值，同时通过这种操作可以手动提高或者降低风扇速度，且调节后同样能实现风速随环境温度智能调整。

5)使用12864大液晶显示屏幕，设计简洁明了而又美观的工作界面，显示当前环境的温度，当前日期以及时间。

二、方案论证

1、硬件控制器的选择

方案1：智能手机

智能手机是指“像个人电脑一样，具有独立的操作系统，可以由用户自行安装软件、游戏等第三方服务商提供的程序，通过此类程序来不断对手机的功能进行扩充，并可以通过移动通讯网络来实现无线网络接入的这样一类手机的总称”。智能手机可以安装第三方软件，所以通过编写智能手机的应用程序可以令智能手机有丰富的功能。

方案2：ARM系列

ARM处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。更早称作AcornRISCMachine。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。一般来讲比等价32位代码节省达35％，却能保留32位系统的所有优势。ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴众多。

方案3：STM32系列

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。

方案4：51单片机系列

51单片机是对目前所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，单片机以其低功耗、廉价、稳定性能，占据着国内较大市场，是应用最广泛的一种控制器。

方案选择：

本实施例综合考虑开发成本、开发需求以及开发难度，决定编写相关的android应用程序下载到智能手机作为主控制器，而采用51单片机作为从机控制器，如图2中所示，本实施例中控制器单片机最小系统。

2、模块间通讯方式的选择

方案1：有线传输

采用传统的导线作为传输信号的方式。传统的导线传输信号，适用于小规模(探测点较少)、小范围的系统，它的突出优点是稳定性好、操作简单、不容易受到干扰。然而，容易受到环境和距离的限制。

方案2：简单无线传输

采用无线传输模块作为传输信号的方式。无线通信模块广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。具有适应性好、扩展性好等突出优点。

方案3：蓝牙传输

所谓蓝牙技术，实际上是一种短距离无线通信技术，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。说得通俗一点，就是蓝牙技术使得现代一些轻易携带的移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上因特网，其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的无线通信网络。

方案选择：

为了实现主机控制单元，窗户控制单元和智能节电型风扇调速器单元之间的通信，本系统采用了蓝牙模块。

3、电机及电机驱动的选择

方案1：步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。然而，步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机具有较大难度。

方案2：直流电机

直流电机是指能将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电机操作简单，通过控制转动时间同样可以准确定位转动距离。然而直流电机的转动力矩较小。

方案3：直流减速电机

直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。这大大提高了，直流电机在自动化行业中的使用率。减速电机是指减速机和电机(马达)的集成体。这种集成体通常也可称为齿轮马达或齿轮电机。通常由专业的减速机生产厂进行集成组装好后成套供货。减速电机广泛应用于钢铁行业、机械行业等。使用减速电机的优点是简化设计、节省空间。

方案选择：

考虑到带动窗体，需要较大的力矩，同时为了开发的简便性，本系统选择了直流减速电机。

因为选择好了电机的种类，就可以确定相对应的电机驱动了。为此该实施例中选择了LMD18200驱动芯片。

4、人体信号采集模块的选择

方案1：热释电红外探测方法

热释电红外探测方法。这种热释电红外采集人体信号方法目前技术相对成熟，广泛应用于防盗系统，且成本低，模块集成高。其原理是：当无人体移动时，热释电红外传感器感应到的只是背景温度，当人体进入探测区，人体发射的10微米左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。热释电元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷。因此，热释电红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。

方案2：红外线生命探测方法

红外线生命探测方法。任何物体只要温度在绝对零度以上都会产生红外辐射，人体也是天然的红外辐射源。但人体的红外辐射特性与周围环境的红外辐射特性不同，红外生命探测方法就是利用它们之间的差别，以成像的方式把要搜索的目标与背景分开。人体的红外辐射能量较集中的中心波长为9.4μm，人体皮肤的红外辐射范围为3～50μm，其中8～14μm占全部人体辐射能量的46％，红外线生命探测方法的原理远比一般意义上的红外探测器复杂的多。其核心技术目前只有少数几个国家掌握，从上考虑，不适合应用于本实施例。

方案3：音频采集方法

音频采集方法。音频采集方法应用了声波及震动波的原理，采用先进的微电子处理器和声音/振动传感器，进行全方位的振动信息收集，可探测以空气为载体的各种声波和以其它媒体为载体的振动，并将非目标的噪音波和其它背景干扰波过滤，进而迅速确定人体的位置。同理于方法二，技术成本高，不适应于本实施例。

方案选择：

由于红外线生命探测方法的原理远比一般意义上的红外探测器复杂的多。其核心技术目前只有少数几个国家掌握，从上考虑，不适合应用于本系统。同样，音频采集方法技术成本太高，不符合本系统简单经济的特点，综上所述，将采用技术成熟、成本低廉、集成度高的热释电红外传感器为本实施例采集人体信号。

5、温度采集模块的选择

方案1：热敏电阻

传统的温度检测多以热敏电阻为传感器，采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻可靠性差，测量温度准确率低，对于1摄氏度的信号是不适用的，还得经过专门的接口电路转换成数字信号才能由微处理器进行处理。

方案2：DS18B20数字式温度传感器

DS18B20数字式温度传感器，与传统的热敏电阻有所不同的是，使用集成芯片，采用单总线技术，其能够有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，同时，它可以直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理，接口简单，使数据传输和处理简单化。

方案选择：

本实施例中采用DS18B20作为温度信号的采集。

6、湿度与雨水采集模块的选择

方案1：DTH11

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。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与卓越的长期稳定性。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。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

方案2：HDS05结露传感器

HDS05结露传感器是正特性开关型元件，对低湿不敏感而仅对高湿敏感，可在不超过1V直流电压下工作，高温环境下有极高敏感性，响应快，具有开关功能。结露传感器里面有一个电阻，相同温度下，湿度越大，电阻值越大。

方案选择：

为了做到精确感应雨水及空气湿度的功能，及时关闭窗户，同时考虑到上述两种方案都十分具有可操作性与实用性，本实施例中同时应用两种传感器。从相对湿度检测和雨水检测两个角度感应下雨情况，即一遇到水就会启动装置，关闭窗户。

7、风扇转速控制方案

方案1：

通过控制风扇两端的输入电压，将输入电压值随着室温的变化而改变，进而改变风扇功率，达到控制风扇转速的效果。

方案2：

通过改变输入脉冲占空比来控制风扇电机的导通或是截止。随着室内温度升高时，输出占空比增加，电风扇导通时间变长，进而控制风扇转速。然而对于市电220V的电压大小的控制不仅实现起来困难，并且对于电压稳定性不高；相反地，采用输入占空比控制风扇电机的转动不仅实现起来电路简单容易，并且对于可控性好。

方案选择：

为了提高产品的普遍性，适应市场上绝大多数家用电风扇使用的交流电机，本实施例采取利用单片机输出随温度变化而变化的占空比脉冲，从而控制固态继电器的导通或截止时间，达到控制风扇转速的功能，即采用方案2.本系统采用固态继电器来连接市电与单片机。

8、显示模块的选择

方案1：数码管

采用数码管显示，数码管只能显示数字，比较单一，虽然能基本符合要求，但布局麻烦，且功能上存在不足。

方案2：LCD1602模块

采用1602液晶显示模块，液晶显示具有体积小功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比，但只能显示ASCⅡ码。

方案3：LCD12864模块

LCD12864液晶显示平稳、省电、美观，更容易实现要求，对后续的功能兼容性高，只需将软件作修改即可，可操作性强，也易于读数，采用LCD12864四行十六个字符的显示，能同时显示当前温度、当前日期、时间以及风扇档位，更能体现人机对话。

方案选择：

故本实施例中的智能节电型风扇调速器单元采用LCD12864作为显示模块。

三、系统实现方法

1、总体方案

本实施例中的智能室温调节系统的组成框图如图1所示。

本实施例中的智能风扇单元的软件流程图和智能窗户单元的软件流程图分别如图3和图4所示。

2、智能窗户单元

2.1电机驱动LMD18200

为了实现对窗体的开关控制，本系统需要采用电机转动模块。电机传动模块的核心的电机驱动芯片。本系统采用美国国家半导体公司推出的LMD18200芯片，它是12V直流供电的电机，专用于直流电动机驱动的H桥组件。上面集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件，可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。典型驱动直流电机，有良好的过热与短路保护功能。

图5是本实施例中LMD18200外形结构以及引脚对应图，如图5中所示，LMD18200芯片的内部集成了四个DMOS管，组成一个标准的H型驱动桥。通过充电泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路有一个300kHz左右的工作频率。可在引脚1、11外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率可以更高。引脚2、10接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引脚2到引脚10；反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2。电流检测输出引脚8可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阈值为10A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚9输出，当结温达到145度时引脚9有输出信号。它提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。本系统应用双极性驱动，即在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。它具有低速运行平稳的特点，因此适用于中小功率直流电动机的控制。图6是本实施例中LMD18200芯片内部电路框图。

2.2DTH11数字湿温度传感器

A、单总线数据格式：

DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:(一次完整的数据传输为40bit,高位先出。)

B、数据格式:

8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和(数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。)

其中，图7是DTH11典型电路接法。用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。

总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后,读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可,总线由上拉电阻拉高。

总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示，其中图8是数字0信号表示方法，图9是数字1信号表示方法。

如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常.当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。

2.3结露传感器

对于雨水的检测，本实施例中应用HDS05结露传感器。它是正特性开关型元件，对低湿不敏感而仅对高湿敏感，可在不超过1V直流电压下工作，高温环境下有极高敏感性，响应快，具有开关功能。结露传感器里面有一个电阻，相同温度下，湿度越大，电阻值越大。为了能够真实的模拟出下雨时自动窗能够感应湿度的变化，我们在模拟出下雨时，雨滴滴到窗台的情景。测试中，我们用水滴滴到HDS05结露传感器的感湿膜上面，实验测得以下数据，如下图10本实施例中HDS05结露传感器的电阻值与相对湿度的特性曲线图所示。其中，图11是本实施例中HDS05结露传感器的电路原理图

2.4蓝牙模块

BMX-02/03系列蓝牙模块采用CSR BlueCore芯片，配置6-8Mbit的软件存储空间，支持AT指令，用户可根据需要更改SPP角色(主从模式)以及串口波特率、设备名称、配对密码等参数，使用灵活。

MX-03系列蓝牙模块采用插座方式，载板上只需要焊接一个2*6PIN，pitch＝2.0mm的插针，避免蓝牙模块再次经过回流焊接，同时方便客户更换，适用于DIY或小批量的客户，大批量客户同样适用。

BMX-03系列管脚说明如下表所示：

管脚号	名称	备注
			1	PIO1	数字输入/输出IO口
2	NC	调试口，悬空
			3	UART_CTS	UART
4	NC	调试口，悬空
			5	UART_TX	UART
6	3.3V	电源正极
			7	UART_RX	UART
8	GND	电源负极
			9	UART_RTS	UART
10	NC	调试口，悬空
			11	PIO0	数字输入/输出IO口
12	NC	调试口，悬空

2.5PIO口控制：

PIO0----按键输入管脚

短按控制，或者输入约100ms的高电平单次脉冲，可以实现以下功能：

1)主机：

A)当AT+IMME＝1时，清除配对信息

a)已连接状态时：主动发起断开连接，延时150ms后重启，重新搜索连接从设备；

b)在断开连接时：重新搜索连接从设备。

B)当AT+IMME＝0时，不清除配对信息，不重启。

a)已连接状态时：主动发起断开连接，并一直处于待机状态。此状态下，可以使用AT指令实现一对多的连接方式；

b)在未连接待机状态时：清楚配对信息，重新搜索并连接处于可配对状态的从设备。

c)在搜索状态时：结束搜索状态并处于待机状态。

2)从机：

a)在已连接状态时：主动发起断开连接并处于待机状态；

b)在未连接待机状态时：重新进入可配对状态，等待主设备搜索并连接；

c)在可配对状态时：结束可配对状态并处于待机状态。

3、智能节电型风扇调速器单元

3.1热释电红外传感器和菲涅尔透镜

热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10～20米范围内人的行动。图12是本实施例中热式红外传感器结构图与电路图。

菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。其中，菲涅尔透镜成像原理如图13所示。

人体辐射的红外线中心波长为9～10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2～20--um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7～10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。

3.2固态继电器

固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，因此固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。固态继电器专用的固态继电器可以具有短路保护，过载保护和过热保护功能，与组合逻辑固化封装就可以实现用户需要的智能模块，直接用于控制系统中。固态继电器目前已广泛应用于计算机外围接口设备、恒温系统、调温、电炉加温控制、电机控制、数控机械，遥控系统、工业自动化装置；信号灯、调光、闪烁器、照明舞台灯光控制系统；仪器仪表、医疗器械、复印机、自动洗衣机；自动消防，保安系统，以及作为电网功率因素补偿的电力电容的切换开关等等，另外在化工、煤矿等需防爆、防潮、防腐蚀场合中都有大量使用。

过零触发型AC—SSR的内部电路如图14所示，因此，通过单片机可以产生一个脉冲占空比可调的矩形波便可用于控制SSR的导通或截止，进而达到控制风扇电机的转速。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能室温调节系统，包括智能风扇单元、智能窗户单元和用户控制单元，其特征在于：其中所述智能风扇单元具有根据周围环境、温湿度的变化，智能控制风扇的开启、转速的功能，同时还具有接收外部的用户控制单元的控制指令对风扇进行控制的功能；

所述智能窗户单元具有根据周围环境、温湿度的变化，智能控制窗户的开启和闭合，同时还具有接收外部的用户控制单元的控制指令对窗户进行控制的功能；

所述用户控制单元具有用于接收用户的语言控制信号，并以无线传输的方式向智能风扇单元和智能窗户单元发送控制指令信号的功能。

2.根据权利要求1所述的一种智能室温调节系统，其特征在于：

所述的智能风扇单元包括第一从机控制模块、电源模块、温度传感器模块、湿度传感器模块、液晶显示模块、风扇模块，

其中第一从机控制模块用于接收检测到的周围环境数据，然后通过预先设计的逻辑关系，发送控制指令到风扇模块；

电源模块，与第一从机控制模块相连，并为整个智能风扇单元提供工作电源；

温度传感器模块，与第一从机控制模块相连，用于监测周围环境的温度，并将监测到的温度数据传输到第一从机控制模块；

湿度传感器模块，与第一从机控制模块相连，用于监测周围环境的湿度，并将监测到的湿度数据传输到第一从机控制模块；

液晶显示模块，与第一从机控制模块相连，用于显示周围环境的温度、湿度、以及风扇的转速；

风扇模块，与第一从机控制模块相连，并接收其控制指令控制风扇的开启及转速。

3.根据权利要求1所述的一种智能室温调节系统，其特征在于：

所述的智能窗户单元包括第二从机控制模块、电源模块、温度传感器模块、湿度传感器模块、结露传感器模块、直流电机模块，

其中第二从机控制模块用于接收检测到的周围环境数据，然后通过预先设计的逻辑关系，发送控制指令到直流电机模块；

电源模块，与第二从机控制模块相连，并为整个智能窗户单元提供工作电源；

温度传感器模块，与第二从机控制模块相连，用于监测周围环境的温度，并将监测到的温度数据传输到第二从机控制模块；

湿度传感器模块，与第二从机控制模块相连，用于监测周围环境的湿度，并将监测到的湿度数据传输到第二从机控制模块；

结露传感器模块，与第二从机控制模块相连，用于监测周围环境的雨水情况，并将监测到的雨水数据传输到第二从机控制模块；

直流电机模块，与第二从机控制模块相连，并接收其控制指令控制窗户的打开与闭合。

4.根据权利要求2所述的一种智能室温调节系统，其特征在于：

所述的智能风扇单元还包括人体信号采集模块，与第一从机控制模块相连，用于监测使用者是否在风扇附近；

其中人体信号采集模块中用到的人体信号监测方法包括热释电红外探测方法、红外线生命探测方法、音频采集方法；

采用热释电红外探测方法的人体信号采集模块包括热释电红外传感器和菲涅尔透镜。

5.根据权利要求3所述的一种智能室温调节系统，其特征在于：

所述的智能窗户单元还包括人体信号采集模块，与第二从机控制模块相连，用于监测是否有陌生人从窗户的外侧靠近窗户；

其中人体信号采集模块中用到的人体信号监测方法包括热释电红外探测方法、红外线生命探测方法、音频采集方法；

采用热释电红外探测方法的人体信号采集模块包括热释电红外传感器和菲涅尔透镜。

6.根据权利要求2至5任一所述的一种智能室温调节系统，其特征在于：所述的第一从机控制模块、第二从机控制模块可以使用ARM系列、STM32系列、51单片机系列单片机，所述的所述用户控制单元可以使用ARM系列、STM32系列、51单片机系列单片机以及编写相关的android应用程序下载到智能手机作为用户控制单元的主控制器。

7.根据权利要求2至5任一所述的一种智能室温调节系统，其特征在于：所述的智能风扇单元、智能窗户单元与用户控制单元之间的无线信号传输可以采用WiFi、蓝牙、ZigBee或者无源RFID，其中蓝牙无线传输方式中可以使用BMX-02/03系列CSR BlueCore蓝牙芯片。

8.根据权利要求2至5任一所述的一种智能室温调节系统，其特征在于：

所述的温度传感器模块中使用热敏电阻作为传感器或者DS18B20数字式温度传感器；

所述的湿度传感器模块中使用DHT11数字温湿度传感器。

9.根据权利要求2或4所述的一种智能室温调节系统，其特征在于：

所述的风扇模块包括固态继电器和风扇；

所述的液晶显示模块可以使用数码管或LCD1602显示模块或LCD12864显示模块完成显示功能。

10.根据权利要求3或5所述的一种智能室温调节系统，其特征在于：

所述的直流电机模块包括电机驱动和电机，其中电机驱动采用LMD18200驱动芯片，电机可以采用步进电机、直流电机或者直流减速电机；

所述的结露传感器模块采用HDS05结露传感器实现周围环境的雨水情况的监测功能。