基于嵌入式系统的智能门窗设计

引言
    随着21世纪信息化时代的到来，社会信息化和家居智能化也呈现出了蓬勃发展的趋势，越来越多的家庭开始追求高质量、高科技舒适安全的家居生活，充分享受由信息时代带来的生活上的便利。作为智能家居系统的子系统——智能门窗，是在传统住宅的基础上，综合利用传感器技术、计算机技术、现代通讯技术和自动控制技术等，实现了门窗各种信息的采集、传输、处理和控制。安全舒适的家居环境是实现家居智能化的基础和前提，而门窗作为家庭与外界互通的门户，起着尤为关键的作用，实现门窗的智能化是智能家居的第一步，也是非常重要的一步。

1 系统的总体设计
    智能门窗属建筑领域的附件，它包括智能控制系统和门窗开关装置以及报警系统。该智能门窗实现的主要功能是当室内燃气泄露，CO和CO2含量过高，甲醛、苯等有毒物质超标时，能够控制窗户自动打开，让空气形成对流，并启动排风扇向室外排出有害气体，当室外环境不允许开窗时(比如风雨和沙尘天气)由风光雨传感器传输信号到主控系统，使其发出指令关闭窗户，同时整个系统将以排风扇工作为主。如果状况仍未缓解，则启动警报装置。
    整个系统由主控芯片、各种传感器、报警器终端，以及机械传动装置组成，控制芯片和传感器等直接固定在门窗上，而报警终端则可固定在室内墙壁或容易引起主人警觉的地方。系统结构如图1所示。

1．1 LPC2136微控制器概述
    LPC2136是基于一个支持实时仿真和跟踪的16／32位ARM7TDMI-S CPU微控制器，它带有256 KB嵌入的高速片内FLASH存储器。片内128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟频率下运行。
    P0．27～P0．30为LPC2136的A／D转换器输入端，作为风光雨模拟信号、温度模拟信号和有害气体检测信号等的模拟输入端，分时段扫描查询这几个模拟量，并将风光雨模拟信号、有害气体模拟信号等做A／D转换后显示在LCD显示单元上。风光雨传感器输出的信号非线性误差较大，并对温度敏感，本文设计了专用的放大、处理和补偿电路对其信号进行处理和补偿，使其输出的模拟量基本达到线性。实测证明可达到5％的误差，这对于一般的监控已可以满足要求。
1．2 感应系统硬件设计
    该部分主要以传感器为采集信号手段，经转换元件将采集到的信号进行加工，使采集到的模拟信号能够被主控制芯片识别，结构框图如图2所示。

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1．3 有害气体检测模块
    居室里的空气是由多种气体混合而成的，对人体有害的物质主要是CO2、CO、煤气、有害化学物质(如甲醛、苯类等)以及可吸入颗粒及附着在其上的病菌等，这些有害物质的浓度过高时会对人体造成危害。
    有害气体检测电路，如图3所示。在该电路中主要用气敏传感器实现“气-电”转换，在正常情况下，气敏传感器不接触有害气体或有害气体浓度很低时，气敏传感器两端呈现高阻状态，检测到的信号小，不能驱动后级电路而使其工作。反之，检测信号变大，从而驱动开窗器
和排风扇工作，及时报警，并尽可能地排除有害气体。
    (1)一氧化碳传感器。选用深圳富安达公司的CO／MF-500型电化学传感器，当环境的CO浓度发生变化时，电化学方程的平衡产生移动，输出的电流发生相应的变化。该传感器量程为0～500 ppm，分辨率为1 ppm，线性输出，并且过滤了H2S和SO2气体，测量精度较高。
    (2)甲醛传感器。选用深圳市富安达公司的S-10电化学传感器，测量范围为0～10 ppm，最大负载为50 ppm，输出信号为800 nA／ppm，分辨率为0．05 ppm，响应时间小于50 s，可在高湿度等恶劣环境下工作。
    (3)烟雾传感器。选用深圳市商斯达公司的离子室烟雾传感器，电源电压为直流6．0～18．0 V，输出电压为(5．6±0．4)V，灵敏度为(0．6±0．1)V，温度为-10～+60℃。
    气体传感器需要用导线引出，同时控制器需要一组12 V(DC，500 mA)的电源供电。由于气体传感器需要电源预热，功耗较大，+5 V电源下约需150 mA电流。本文采用一个LM7805三端稳压器供电，同时加上适当的散热器，以保证长时间可靠稳定的工作。实践证明，它对温度和湿度测量是准确和迅速有效的，对气体的检测也十分敏感，遇到有危险气体时能可靠地发出报警和自动接通风扇排风，为人员的安全起到高灵敏度的检测和保护作用。
1．4 风光雨感应系统设计
    风光雨传感器是一种集多种传感器于一身的多功能传感器，它可以自动检测风力、光线强度、雨量大小，为窗户的开启控制提供依据，这里选用深圳卓灵公司的ZF-WRR型风光雨传感器，其工作电压为直流12 V；工作电流为0．1 A；风感器可设定风速值为1～4级，范围为3～20 km／h；雨感器可设定范围为1～5 mm／h；采用防水结构设计方案，以及风感部分双轴承结构，可确保风感灵敏度。当室内有害气体浓度过大，除开启排风扇将有害气体排出室外，还可连接开窗器作为辅助将窗户打开，但若逢大风、大雨或风沙天气，因不适宜开窗，则由MCU发出关闭窗户指令。
1．5 门窗防盗模块设计
    该模块主要用于防止门窗打开时，不法分子趁机入室或窗户关闭时破窗而入，对房屋主人的人身及财产安全造成威胁。该模块主要由人体靠近传感器和玻璃破碎传感器组成，如图4所示。
    人体靠近传感器  是基于红外线技术的产品，当有人进入开关感应范围时，传感器探测到人体红外光谱的变化，开关自动接通负载，延时3 s后检测到人不离开或有继续入侵动作，先以红灯警告，再延时3 s，如果还未离开，则打开高分贝声光警报器，以达到驱赶入侵者，必要时还可将警情传输到小区保卫处以及房屋主人的手机上。

    玻璃破碎传感器  是利用振动传感器在玻璃破碎时发出2 kHz特殊频率，感应出报警信号。为了避免室内因玻璃器皿破碎、电话铃声、闹钟以及其他一些声音引起误报警信号，目前玻璃破碎传感器采用了双探测技术，即需要同时探测到破碎产生的振荡和音频声响，才能发出报警信号。
    门磁开关  由一条永久磁铁和一个常开触点的干簧管组成，一般把干簧管安装在被监视房门的门框上，把永久磁铁安装在门上，关门后，干簧管在磁场的作用下接通，当门被打开时，干簧管触点断开，触发报警电路。
1．6 执行系统模块的设计
    智能门窗的执行机构包括排风扇、开窗器、声光报警器和电话报警等。排风扇部分如图5所示，风扇的转动由PWM来控制转速，安装在厨房等易出现煤气泄漏的场所，可有效地排出有害气体，避免室内人员煤气或CO中毒。
    开窗器分为螺旋式开窗器和链条式开窗器，它采用天津科普瑞特公司的E350型螺旋式开窗器进行设计，工作电压为直流24 V；工作电流为1 A；推拉力为1 000 N；行程为90～1 000 mm；速度为5 mm／s。该开窗器采用全金属材质、内螺杆式电动开窗、铝合金外壳、开窗时噪音低，开窗推力大，支撑强度高，可调节的滑动支架便于安装，适合于各种窗型。当煤气泄漏或有害气体浓度在开窗和排风扇工作一段时间后仍未减小到无害的程度或有人非法入侵时，就要启动声光报警装置，该警报器适宜装在房屋主人容易警觉处，如客厅和卧室。警报器启动时将以高分贝的警报声和LED灯光发出警告，同时LCD液晶显示将告诉房屋主人是何原因警报(煤气泄漏或有人非法入侵)。
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2 软件设计
    为了使软件更安全、简洁，设计中使用μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系统。在该操作系统下，所有的操作都是对任务的处理，因此系统的整体框图应该有几个任务组成。该系统由以下两个任务组成。任务1：读取室内气体传感器的数据，对采集到的信号进行处理；判断室内空气污染是否超标，若超标则进行开窗和启动排风扇，使室内空气污染浓度降低，如图6所示。任务2：主要任务为防盗报警和气体超标报警，读取门窗报警器信号，启动声光报警器，并显示报警原因，如图7所示。

3 结语
    本文主要研究了一种基于ARM7处理器的嵌入式智能门窗设计。其中该设计综合了传感器技术、通信技术和自动控制技术，使整个系统本着安全、高效、低功耗、小体积和实用性强思想来设计，设计中采用LPC2136微控制器作为设计的主控芯片，实现了有害气体的检测，门窗的智能化，防盗报警，燃气泄露报警等功能。经使用，基本达到设计要求，使家居生活更加安全舒适。