新型带角度检测控制智能门窗研究与设计
郎洪林 吴菲 郭志鸿
摘 要：随着物联网日新月异的发展，以及人们消费水平的不断提高，传统的门窗已远远无法满足人们高品质的生活追求。针对传统门窗功能单一、操作控制烦琐，以及无法实现开窗角度控制等问题，介绍了一种具有开窗角度检测以及开窗角度控制功能的智能门窗。使用户能够实现实时检测窗户开关状态、开窗位置情况，根据需求控制门窗开合角度，通过接入物联网云平台，用户还可以通过手机实现远程控制，实时查看窗户开合角度。
关键词：开窗器;角度;物联网
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）23-0176-04
Research and Design of New Intelligent Doors and Windows with Angle Detection and Control Function
LANG Honglin， WU Fei， GUO Zhihong
（College of Mechanical Engineering， Chongqing University of Technology， Chongqing 400054， China）
Abstract：
With the rapid development of the Internet of things and the continuous improvement of people’s consumption level， the traditional doors and windows are far from meeting people’s pursuit of high-quality life. Aiming at the problems of single function， cumbersome operation control and unable to realize window opening angle control of traditional doors and windows， an intelligent door and window with the functions of window opening angle detection and window opening angle control is introduced. Users can realize real-time detection of window switch status and window opening position， and control the opening and closing angle of doors and windows according to needs. By accessing the Internet of things cloud platform， users can also realize remote control through mobile phones to view the opening and closing angle of windows in real time.
Keywords：
window opener; angle; Internet of things
0 引 言
近幾年，随着物联网以及物联网带动下智能生活的飞速发展，智能家居逐渐融入大多数人的日常生活，给人们的生活带来极大的便利。与此同时，随着人们消费水平的不断提高，人们对智能家居的需求逐渐增多。新一代年轻人更加注重生活品质[1，2]，跟随市场，推出功能强大、使用便捷、操作有趣，能满足众多用户多样化、个性化需求的智能家居是大势所趋，也是时代使命。为此本文结合物联网技术和角度传感技术，设计了一种基于物联网和STM32单片机的新型带角度检测控制的智能门窗。
1 系统功能
目前，实现门窗的电动开启或关闭已经是非常成熟的技术，门窗逐步实现电气化以后，只要通过APP与互联网实现对接，就能实现远程控制[3]。智能门窗系统主要由智能门窗控制器、角度传感模块、手机客户端三个部分组成，系统总体结构图如图1所示。
智能门窗的控制器安装在家庭窗户附近的墙面上，角度传感器则安装在窗户里面，角度传感器能够随着窗户的开合，跟随着窗户的旋转，进而实时采集窗户的角度方位运行数据。角度传感采集处理系统将传感器所采集的数据处理成直观的角度数据，然后通过串口通信与STM32核心控制系统进行角度数据交换。STM32核心控制系统在得到数据之后，通过Wi-Fi模组将数据上报到手机客户端。用户通过手机可以实时查看窗户的运行状态以及开窗角度等参数。通过手机客户端上面的控制按钮，向STM32核心控制系统发送控制命令，控制系统再通过串口将控制命令发送到角度传感系统，角度传感系统根据命令实现窗户开关以及开合角度控制。
2 硬件系统设计
2.1 电机驱动硬件电路设计
在本文的设计研究中，使用的是由24 V高频电源供电、以YX-2530AM驱动芯片为核心的电机驱动电路（YX-2530AM是一款DC双向马达驱动电路，适用于驱动开窗电机及窗户上锁电机）。通过两个逻辑输入端子来控制电机前进、后退、制动。该电路具有抗干扰性强、待机电流小，输出内阻低等优点，同时，它还具有内置二极管，能释放感性负载的反向冲击电流。通过STM32f103c8t6的两个输出引脚，控制YX-2530AM的前进输入和后退输入引脚，以此控制电机的正反向转动及停止。电机驱动电路图如图2所示。
马达在转动的过程中，其内部的电刷与电机换相片之间会发生火花，产生高频干扰。在电机的两边并上一个104的无极性瓷片电容，能够滤除马达转动过程中所产生的高频干扰。在驱动芯片电路接线两边并接上一个大的电解电容，能够消除由mos管开/关而产生的峰值，起到阻容吸收的作用。
2.2 电流检测硬件电路设计
电机驱动时，过流检测电路的作用是保护整个电路系统，在电路短路时及时关闭总开关，以保护整个电路。在电机与驱动芯片回路中串接一个阻值小功率大的电阻，将电阻两边的压差信号输入到lm324运放中，通过差分放大，比较电阻两边的压差，通过电阻两边的压差即可计算出电机运行中的电流大小。差分放大信号经过处理后将其输入到单片机的ADC引脚。ADC采集程序对采集到的电压信号进行运算，得到电压数值，再将电压值转换成当前流过采样电阻的电流值，电流值超出电流保护阈值，则表明电机的电流值过大，超出正常工作范围，电机保护程序立即对电机做出保护操作，断开电机的驱动输出。电机电流保护电路整体结构如图3所示。
检测电机的电流是实现过流保护的首要任务。通过小阻值无感采样电阻对流过电机的电流进行采样。廉价的方案通常是采用康铜丝或贴片件采样电阻，需要注意采样电阻阻值的选取，满足在功率足够大时不至于因电流流过而损坏采样电阻，同时为了降低感抗在电阻两端引起的电压降，电阻的电感值也要尽可能地小[4]。
根据公式欧姆定律将电流转化为电压差，通过检测采样电阻R1两端的电压差得到流过电机的电流。采样电阻R1和电机串联在电机主电路中，本次设计采用0.1Ω的采样电阻，可以承受1 W的功率，电机预计电流在2 A以内，不会烧毁采样电阻。在采样电阻两端，分别接两个电阻，将采样电阻两边的电压降输入到集成运放U1A中。
（1）
当R4=R3、R2=R6时，放大倍数就是R6/R2。
（2）
集成运放由24 V电源供电，由于直流电机在转动的时候有正反转，采样电阻上就会出现正负压降，需要集成运放有正负电源供电才能正常进行电压差分放大。在节省设计成本的情况下，通过电压抬升，用R5与R4对24 V进行分压，使得12 V为相对0 V的参考电压，0 V相对于参考电压为-12 V，24 V相对于参考电压为+12 V，实现正负12 V的单电源供电，保证了集成运放的正常工作，实现差分放大输出。单电源运放电路如图4所示。差分放大输出的电压不能超过单片机ADC采集的最大电压，经过分压电阻，得到合适的电压，输入到单片机的ADC中，单片机处理过后控制驱动H桥电路，从而发挥过流保护的作用。当出现短路或控制异常时，电流过大，使得采样电阻R1之间的电压增大，通过集成运算放大反馈给单片机，单片机控制电机驱动，即停止电机转动[5]。
2.3 角度传感器硬件设计
角度传感器硬件系统的中央控制器采用STM32F103C8T6芯片，主要用于执行角度传感器的数据采集、角度姿态解算，以及与STM32主控制系统进行通信等任务。角度传感器模块采用MPU9250，具有3轴陀螺仪、3轴加速度计和3轴磁力计以及自带数字运动处理器，其角速度测量范围大，动态响应性好[6]。角度测量是利用陀螺仪的偏航角测量，然后再结合磁力计数据对偏航角进行校准计算。角度传感器模块的核心处理MCU采用STM32F103RCT6，运算角度数据的程序需要更大的flash空间，STM32F103RCT6程序的存储空间为256 KB，满足设计要求。角度传感器系统框图如图5所示。
角度传感模块安装在门窗的活动窗上面，使得在窗户开关的过程中，角度传感器内部的数值也随之改变，通过角度传感模块内部的STM32采集MPU9250的参数变化，通过姿态解算计算出偏航角，得到门窗开关的角度值，通过串口通信将所得到的角度值发送给主控制器。
3 软件系统设计
3.1 角度传感模块程序设计
角度传感器系统用于实时采集MPU9250的变化数据，通过IIC协议与MPU9250通信，获取设备角度参数，通过姿态解算库，運算得到MPU9250的偏航角（即窗户开合的角度变化数据）。完成采集和运算之后，上位机如需获取当前角度，角度传感器系统就会与STM32主控制器进行串口通信，将当前角度变化数据发送到主控制器。主控制器通过Wi-Fi即可将数据发送到手机端，用户打开手机就能实时查看窗户的开合角度状态。程序运行流程图如图6所示。
3.2 门窗防夹保护程序设计
智能门窗防夹控制系统结构框图如图7所示，主要由STM32控制单元、防夹程序、电流检测程序组成。STM32控制单元负责处理采集的电流信号值，通过防夹模块计算，控制电机驱动输出。电流采集电路输出的电压信号作为防夹程序判断是否有用户被夹的重要参考信号。防夹保护程序判断电流是否达到防夹设定阈值。门窗在开合过程中如遇到障碍物，传动设备会减速并增加电机输出转矩，导致电机输出电流急剧上升[7]，窗户所受阻力增大会以电流增大的形式表现出来，只需采集流过直流电机的电流，再经过防夹系统判断控制电机驱动输出，即可达到门窗防夹保护的功能。
通过ADC采集程序检测电机电流数值并进行运算，经过滤波函数处理后，得到最终的电机电流值。与设定的阈值进行比较，如若ADC采集电压值不在最大值与最小值之间，表明流过采样电阻及电机的电流超过设定的值（即窗户遇到障碍物），会立即执行防夹函数，使当前电机的驱动立即停止工作。一方面，可保护用户的人身安全，避免用户在开窗过程中将手、头等伸出窗外而引发被夹伤的危险;另一方面，窗户不会因为扭矩力过大而导致使用寿命缩短甚至产生形变或者损坏的情况。与此同时，防夹系统还确保了电机不会因为电流过大而损坏，保护电源系统不会因为过载而导致电源瘫痪，从而保证系统的安全稳定运行。
3.3 远程检测控制设计
智能门窗监测控制系统以STM32为核心控制器，通过串口协议与Wi-Fi模组通信，实现手机客户端数据检测及远程下发控制指令。角度传感器系统采集处理门窗的开合角度数据，通过串口将数据发送到STM32主控制器，主控制器再与Wi-Fi模组进行通信，以Wi-Fi 模组上报信息的格式发送到云端服务器，手机客户端通过获取云端服务器的数据，实时监测门窗的开合角度。另一方面，手机客户端通过服务器将控制指令发送到Wi-Fi模块，STM32获取Wi-Fi模块信息，解析出数据流中的控制指令[8]，STM32主控制器在获取控制指令后，配合电机驱动、角度传感系统、门窗防夹系统对门窗进行开关控制以及开合角度控制。
4 测试
4.1 窗户远程角度控制功能测试
系统通过手机APP发送数据到服务器，服务器再向Wi-Fi模组发送指令，MCU接收Wi-Fi模组透传的控制指令，通过解析指令驱动电机转动，实现门窗的远程控制功能。测试结果表如表1所示。其中，角度控制精度在-1°～+1°之间即为控制成功。
通过实时检测控制面板的触摸按钮，分析控制指令，驱动电机转动窗户，对窗户实行触摸按钮控制测试，进行本地稳定控制测试，测试结果如表2所示。
通过对比表1与表2对门窗的控制测试可以看出，在网络连接不畅时容易导致控制数据的丢失，以致设备不能及时接收到服务器下发的指令，给设备的成功控制带来一定的影响。系统在网络连接稳定的情况下，基本满足设计要求。
4.2 门窗防夹功能测试
进行门窗控制测试时，给门窗施加阻力模拟防夹，此时电流检测电路在实时采集电机电流，再结合防夹软件系统，在所采集的电流大于设定阈值时（也就是阻力大于设定的防夹值时），窗户电机会立即停止，实现防夹伤功能。测试结果表如表3所示。
防夹监测功能，起到了实时保护电机设备以及防止人或物被夹的作用，其硬件设计和软件设计都符合设计要求。
5 结 论
本文设计了一款新型带角度检测控制的智能门窗，通过对门窗上的角度传感器进行检测，实时获取门窗开合角度位置，通过Wi-Fi上传到手机客户端供用户实时查看，用户也可设定门窗开合角度值，实现远程控制。同时门窗自带防夹系统，保障用户安全，实现了门窗的个性化、智能化功能，给用户带来更便捷、更安全的智能家居体验。
参考文献：
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[8] 闫敏.基于OneNet物联网平台的家用智能断路器系统 [D].新乡：河南科技学院， 2021.
作者简介：郎洪林（1996—），男，汉族，重庆人，硕士研究生在读，主要研究方向：嵌入式系统与智能仪器;吴菲（1995—），男，汉族，重庆人，硕士研究生在读，主要研究方向：软件技术;郭志鸿（1997—）男，汉族，重庆人，硕士研究生在读，主要研究方向：计算机软件。
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