CN202041839U - 一种多状态监控自动窗系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多状态监控自动窗系统，它包括主机、从机、GSM模块和用户手机，所述的主机控制器通过第一串口与GSM模块相连，GSM模块通过GSM网络与用户手机实现网络连接，同时主机控制器的I/O口还连有第一温度传感器、第一湿度传感器、第一液晶显示器和用于手动控制的第一键盘；所述的从机控制器一方面连接用来扩展I/O口的8255芯片，另一方面从机控制器的普通I/O口分别连接各传感器。本实用新型能对室内室外各种状态进行监控、分析、显示和自动控制，并集成了GSM模块，实现远程报警，同时能通过用户手机方便查询窗户及室内外状态和进行远程控制。

Description

一种多状态监控自动窗系统

技术领域

本实用新型涉及一种自动窗的控制系统，更具体的说是一种多状态监控自动窗系统。

背景技术

智能家居起源于20世纪80年代，从最初的住宅电子化到住宅自动化再到现在的智能家居,发展迅速。近年提出的物联网，顾名思义，就是“物物相连的互联网”，而智能家居的一个特点或者说是目标就是要实现互联互通。从这个意义上讲，智能家居是涵盖在物联网这个大概念之下的。因此物联网的发展必将带动智能家居的发展，而且“全智能”的概念必然也会给房地产业带来新的卖点和活力，因此智能家居的发展前景无限。目前市面上有如节能膜类、隔音隔热防紫外线类、防风防雨类的自动窗，也有少数有防盗作用，但大多数都是机械式防盗，采用自动锁窗功能，可靠性不高，功能单一；功能稍多的价格昂贵，性价比不高。

发明内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种能对室内室外各种状态进行监控、分析、显示和自动控制，并集成了GSM模块，实现远程报警，同时能通过手机方便查询窗户及室内外状态和进行远程控制的多状态监控自动窗系统。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是：一种多状态监控自动窗系统，其特征在于，包括主机、从机、GSM模块和用户手机，所述的主机控制器通过第一串口与GSM模块相连，GSM模块通过GSM网络与用户手机实现网络连接，同时主机控制器的I/O口还连有第一温度传感器、第一湿度传感器、第一液晶显示器和用于手动控制的第一键盘；所述的从机控制器一方面连接用来扩展I/O口的8255芯片，另一方面从机控制器的普通I/O口分别连接第二温度传感器、第二湿度传感器、第二键盘、红外对射探测器、PIR探测器、烟雾传感器、煤气传感器、风压探测器、雨水传感器和亮度传感器，所述的微波探测器连接从机控制器的外部中断0，烟雾传感器和煤气传感器通过一或非门与从机控制器的外部中断1相连，风压探测器和雨水传感器经过或非门后与从机控制器的第一路PCA0连接，亮度传感器与从机控制器的第二路PCA1连接；所述的8255芯片连接有第二液晶显示器、蜂鸣器、语音报警器、光电隔离芯片、驱动芯片1和驱动芯片2，同时光电隔离芯片与报警灯、排气扇、加湿器和其他电器相连,驱动芯片1和驱动芯片2分别与步进电机1和步进电机2相连。

进一步，所述的主机和从机控制器分别为STC12C5A60S2和STC12C5A60AD，所述的GSM模块为TC35系列的TC35i。

进一步，所述的烟雾传感器为MQ-2，煤气传感器为MQ-7。

进一步，所述的雨水传感器为YG-002型传感器，风压探测器为电阻应变片式压力传感器。

由于采用上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1）采用微波探测器、红外对射探测器和PIR探测器，能有效防止跃窗入室盗窃且减少误报率。

2）出现烟雾和煤气时自动报警，并自动开启窗户和排气扇，能效防止火灾和煤气中毒，并能告知用户及时采取应对措施。

3）刮风下雨时能自动关窗，确保室内整洁干净，免受风雨之袭，解决了用户外出忘记关窗的后顾之忧。

4）温湿度检测模块，实时液晶显示室内外的温湿度，采用模糊控制理论，通过窗户、加湿器等家电的开关，能最大程度上营造一个适宜的居住环境。

5）GSM模块能远程报警、远程查询、远程控制，用户可以实时掌握窗户及室内外状态，实现真正意义上的网络互连。

附图说明

图1为本实用新型系统整体框图。

图2为本实用新型主机接口框图。

图3为本实用新型从机接口框图。

图4为烟雾煤气检测电路图。

图5为下雨检测电路图。

图6为风压检测外形设计图。

图7为风压检测电路图。

图8为亮度检测电路图。

图9为主机串口2中断服务程序流程图。

图10为主机主程序流程图。

图11为从机串口中断服务程序流程图。

图12为从机主程序流程图。

图13为温湿度隶属度函数曲线图。

图14为步进电机运行速度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：

如图1、图2和图3所示，一种多状态监控自动窗系统，包括主机1、从机2、GSM模块3和用户手机4，所述的主机1的控制器通过第一串口与GSM模块3相连，GSM模块3通过GSM网络与用户手机4实现网络连接，同时主机1的控制器的I/O口还连有第一温度传感器5、第一湿度传感器6、第一液晶显示器7和用于手动控制的第一键盘8；所述的从机2的控制器一方面连接用来扩展I/O口的8255芯片20，另一方面从机2的控制器的普通I/O口分别连接第二温度传感器9、第二湿度传感器10、第二键盘11、微波探测器12、红外对射探测器13、PIR探测器14、烟雾传感器15、煤气传感器16、风压探测器17、雨水传感器18和亮度传感器19，所述的微波探测器12连接从机2的控制器的外部中断0，烟雾传感器15和煤气传感器16通过一或非门与从机2的控制器的外部中断1相连，风压探测器17和雨水传感器18经过或非门后与从机2的控制器的第一路PCA0连接，亮度传感器19与从机2的控制器的第二路PCA1连接；所述的8255芯片20连接有第二液晶显示器21、蜂鸣器22、语音报警器23、光电隔离芯片28、驱动芯片129和驱动芯片230，同时光电隔离芯28片与报警灯24、排气扇25、加湿器26和其他电器27相连,驱动芯片129和驱动芯片230分别与步进电机132和步进电机231相连。主机采用STC12C5A60S2，双串口，内置AD，主机串口1用于与GSM模块通讯，串口2和各从机进行通讯，从机采用STC12C5A60AD内置AD，4级中断优先级。主机与从机通讯采用EIA颁布的RS-485标准，采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力强，数据最高传输速率为10Mbps，最长传输距离可达1200米，足够与各房间从机进行连接。GSM模块与主机安装在同一块PCB板上，采用RS-232标准进行通讯。GSM模块选用TC35系列的TC35i，与GSM2/2+兼容、双频（GSM900/GSM1800）、RS232数据口、符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为语音和短消息提供快速、可靠、安全的传输。为了可靠防止盗窃发生，又有效降低误报的概率，本实用新型采用从窗户外到窗户内安装三级探测模式和三级报警模式，分别为：微波探测—红外对射探测—红外热释电探测和报警灯闪烁、关窗—语音威慑、远程报警—远程报警，由于热释电探测易受室外温度等其他环境因素的影响，所以室外采用微波普勒原理进行检测，而室内则采用红外热释电效应进行监控。温度数据采集采用DS18B20，单总线数据通讯，与控制器的I/O连接只需接一个上拉电阻,全数字温度转换及输出。湿度测量选用AH11，采用湿敏电容作为敏感元件，输出电压与外界湿度成线性关系，直接接控制器的AD输入。

如图4所示为烟雾煤气检测电路，该电路采用半导体电阻式烟雾传感器MQ-2和CO传感器MQ-7，响应和复原速度快，当检测到目标气体或烟雾时，输出电阻便发生变化，通过外接分压电阻形式输入到电压比较器，通过电压比较器输出的信号来触发中断，另外可通过调节外接电阻值的大小来调节传感器对气体的灵敏度。R1等效为传感器的输出电阻，R2为外接可调电阻，调节R2的大小可调节传感器的灵敏度。R3为负温度系数的热敏电阻RT，用来跟踪温度的变化达到温度补偿的目的。半导体传感器的阻值在加电压后不能马上稳定下来，为防止上电后控制电路的误动作，可采用开机初期防误报电路，R6和C1组成的延时电路能有效防止开机误报。

如图5所示为下雨检测电路，下雨监测采用YG-002型雨滴传感器，传感器与555定时器组成单稳态电路，实际安装时将传感器放在适当的位置，保证能在刚下雨时就能接受到雨滴，当传感器接收到雨滴后，线路接通，电路由稳态转换到暂稳态，3脚输出的信号用来触发中断。

如图6所示为风压检测外形设计图，对于刮风状态的监测，设计中利用风压，采用电阻应变片式压力传感器采集信号，精度和灵敏度较高，电阻式压力传感器相对于电容式传感器具有稳定性好，寿命长，对环境要求不高等优点。在双孔梁的四个位置贴上四个一样的电阻应变片，用来感受试件形变，小托盘用来感受风的压力，安装时平行于窗户平面，铝合金外罩保证风的压力只作用在小圆盘上。

如图7所示为风压检测电路，由于四个应变片连成全差动电桥，灵敏度高，线性度好，当受力点位置变化时，桥内能自动补偿，从而提高传感器的精度，此外，当有风时，R1和R4拉升，电阻增大，R2和R3压缩，电阻减小，电桥失去平衡，输出电压uo。即有：

               （1）

又因为应变ε正比于压力F，所以输出电压与风压力F成线性关系，输出电压经过差分放大得输出电压Um，经AD转换后可得测出风的级数：

                     （2）

Um与预设电压进行比较，电压比较器输出电压用于触发中断，调节预设电压可设置风力多大时，进行自动关窗。RT和R5构成温度补偿电路，通过控制外加在桥路上的输入电压来达到温度补偿的目的。

如图8所示为亮度检测电路，亮度模块以创造室内最佳亮度为设计目的，通过检测室外亮度来控制窗帘的状态，R1和三个光敏电阻组成敏感电路，R2、R3、G1、G2构成施密特触发器电路，早晨来临时输出下降沿，傍晚来临时输出上升沿，输出接PCA扩展的外部中断，为双向跳变触发方式。为防止夜晚车灯或手电筒等光线和其他外部各种干扰而发生误动作。采取了三种措施，（1）RL1、RL2和RL3分开一定距离安装，（2）采用施密特电路，（3）在中断中对A点电压多次采样分析，根据其是否具有一定的变化趋势再做出控制。

如图9和图10所示，主机程序设计，主机主要作为远程报警、远程查询及远程控制的中转控制中心，同时也承担室外温湿度采集，液晶滚屏显示，本地键盘人机交互控制等任务。

主机通过串口1与TC35i通讯，主机要接受TC35i发送的远程查询和远程控制两类信号，而主机需给TC35i发送远程报警、查询结果、确认三类信号，确认信号是针对远程控制的结果返还给主人的信号。串口通讯采用中断方式，为最高优先级，当为接受中断时，先识别信号，再储存信号，当为发送中断时，则清除已发送信号，定时器作为波特率发生器。

主机与从机的通讯采用串口2，中断优先级为较高优先级，采用内置BRT独立波特率发生器。主机串口2中断服务程序流程图如图9所示，当信号接受完毕时，将本次访问结束标志VF置为0。

主程序担任室外温湿度读取，键盘扫描，及对各从机进行轮流访问，在访问过程中，只有读到本次访问结束标志VF=0时，才对下一从机进行访问。

主机给从机发送的信号有控制、查询、室外温湿度三类信号，需接受来自从机的远程报警、查询结果、确认、和室内温湿度四类信号，主机和从机通讯中，不论是主机还是从机事先都将待发送的信息保存在不同的数组中，主机轮流对各从机进行访问，访问过程分为四步：

（1）主机发送要访问从机的地址；

（2）所有从机接收地址信号并与自身地址比较，地址相符的从机将SM2设置为0准备接受数据信号；

（3）主机给从机发送信号；

（4）从机给主机发送信号。

每次都只发送和接受一种信号，发送信号的优先级顺序为控制、查询、室外温湿度。主机在给从机发送信息之前先检查有哪些待发送的信号，比如有控制和温湿度信号同时存在，则只发控制信号，温湿度信号则待下次轮询时再发送。从机也一样，信号优先级顺序为远程报警信号、查询、确认、室内温湿度信号。

同时主机还需判断是否有远程报警等信号，如果有则立即通过串口1给TC35i发送。主机主程序流程图如图10所示。

如图11和图12所示，从机程序设计，从机主要担任各状态的数据采集与监控、数据分析及处理工作，直接控制着窗户、窗帘、各报警装置及相应家电的开关状态。

室内温度采集只须给18B20发送适当的指令即可，湿度采集采用内部自带AD转换，其他各状态采用中断和查询结合的方式，以提高CPU效率，各资源分配如表1。防盗监控采用微波第一级监控输出低电平触发中断，在中断过程中查询第二级红外对射探测和第三级PIR热释电探测是否检测到信号，并作出报警处理。由于INT0采用低电平触发，所以只要有人在窗户附近，程序就会不停地检测第二级探测，当第二级检测到信号时，通过循环多次的方式监测第三级，另外，程序中设定第一级监控探测到信号后，第二级信号才有效，第二级探测检测到信号后第三级信号才有效。所以当只有安装在室内的第三级PIR探测到信号时，控制器并不会作出响应。

当存在烟雾煤气触发中断时，立即启动远程报警，并开启窗户，煤气泄漏时还开启排气扇，亮度中断处理中，先多次对电压采样，只有电压有一定变化趋势时，才作出控制。当几个状态同时都存在时，决定窗户窗帘开关状态的优先级顺序为主人发出的指令、烟雾煤气、防盗、风雨、亮度。

串口与主机通讯，设为最高中断优先级，中断和查询结合，M为接受地址和接受数据的标志位，起始值初始化中设置为0，从机串口中断服务程序流程图如图11所示。         

主程序主要进行室内温湿度采集，数据分析、控制及给主机发送报警和返还信号。从机主程序流程图如图12所示。

如图13所示为温湿度隶属度函数曲线图，由于温湿度变化范围大，且不便于建立精确地控制模型，所以本实用新型中采用智能控制中的模糊控制。

先对采集到的室内外温湿度模糊化，如图13所示，以最适宜的温湿度为起点，向两边模糊化为7个等级，最适宜的温湿度及各等级隶属度可根据用户及房间的用途进行设置，室外室内温湿度各有49种状态，然后以人的控制经验为指导，得出模糊控制规则，例如：当室内T=稍高、RH=稍低，而室外T=适宜、RH=适宜，则应打开窗户。同时如果室内外湿度都很低，则应该开启加湿器，室内外温度很都低时开启暖气，加湿器、暖气开启的时间根据传感器采集到的数据模糊推理得到。所有控制规则预先设好，控制时查表即可。

如图14所示为步进电机运行速度曲线图，由于步进电机在简单的开环控制下就能达到足够的位置精度，运行中通过对绝对位置和步数两个参数的判断来进行位置控制，绝对位置即步进机带动的执行机构当前的位置，电机正转一步加1，反之减1。步数由起始位置到目的位置间的距离折算而成，电机每走一步，步数加1，当到达目的位置时，步数应正好为0。同时还在窗户上安装电气触点，用来进一步判断窗户的位置信息。

为保证位置的精确控制，就必须避免失步和过冲现象的发生，同时执行机构要有一定的工作效率，所以电机速度采用加速、恒速、减速的运行过程，速度调节通过控制输入驱动芯片的脉冲频率决定，从机通过改变定时器0定时常数来改变脉冲频率，又根据电机输出转矩和转速的指数关系，采取S型加减曲线，如图14所示。实际编程中，用阶梯型速度去逼近指数曲线，如图14所示，事先将定时常数和在每一级速度电机需走的步数算好，电机运行时，按顺序读取即可。 

Claims (4)

1.一种多状态监控自动窗系统，其特征在于，包括主机、从机、GSM模块和用户手机，所述的主机控制器通过第一串口与GSM模块相连，GSM模块通过GSM网络与用户手机连接，主机控制器的I/O口还连有第一温度传感器、第一湿度传感器、第一液晶显示器和用于手动控制的第一键盘；所述的从机控制器与用来扩展I/O口的8255芯片连接，从机控制器的I/O口分别连接第二温度传感器、第二湿度传感器、第二键盘、红外对射探测器、PIR探测器、烟雾传感器、煤气传感器、风压探测器、雨水传感器和亮度传感器，所述的微波探测器连接从机控制器的外部中断0，烟雾传感器和煤气传感器通过一或非门与从机控制器的外部中断1相连，风压探测器和雨水传感器经过或非门后与从机控制器的第一路PCA0连接，亮度传感器与从机控制器的第二路PCA1连接；所述的8255芯片连接有第二液晶显示器、蜂鸣器、语音报警器、光电隔离芯片、驱动芯片1和驱动芯片2，光电隔离芯片与报警灯、排气扇、加湿器相连,驱动芯片1和驱动芯片2分别与步进电机1和步进电机2相连。

2.根据权利要求1所述的多状态监控自动窗系统，其特征在于，所述的主机和从机控制器分别为微处理器STC12C5A60S2和STC12C5A60AD，所述的GSM模块为TC35系列的TC35i。

3.根据权利要求1所述的多状态监控自动窗系统，其特征在于，所述的烟雾传感器为MQ-2，煤气传感器为MQ-7。

4.根据权利要求1所述的多状态监控自动窗系统，其特征在于，所述的雨水传感器为YG-002型传感器，风压探测器为电阻应变片式压力传感器。

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