摘要：

傳統(tǒng)的手動開關窗戶已經(jīng)無法滿足人們的日常需求，為了給人們的生活提供便利性、舒適性，設計了使用手機APP遠程開關控制建筑用窗的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由手機終端、主控制器和電動開窗器組成。手機終端發(fā)出的控制指令經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)傳送到主控制器上，主控制器依據(jù)指令控制電動開窗器實現(xiàn)窗戶的開啟、暫停和關閉。系統(tǒng)的設計實現(xiàn)了在手機界面上實時顯示窗戶運動狀態(tài)及位置，方便直觀，同時也提供了一種通過手機方便地遠程控制窗戶開關的實用技術方案。

0 引言

隨著中國社會的快速繁榮發(fā)展，人們的住房水平要求隨著生活水平的不斷提高也在不斷上升?？茖W技術和互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展又極大促進了我國建筑業(yè)朝著智能化方向的發(fā)展[1]。窗戶是建筑必不可缺少的構(gòu)成部分，與人們?nèi)粘Ｉ罨顒酉⑾⑾嚓P[2]。目前，大多數(shù)建筑的窗戶還是以手動方式控制開關，這種傳統(tǒng)的手動開關窗戶日漸無法滿足現(xiàn)代人們的日常需求[3]，如突遇雷雨大風天氣，而家中又恰好沒人，無法及時關閉門窗[4]；早晨匆匆上班忘記開窗更新室內(nèi)空氣等。因此人們迫切需要一種可以遠程控制的窗戶來滿足生活中的需求。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

系統(tǒng)主要由3部分組成：手機終端、主控制器和電動開窗器。手機終端用于遠程控制窗戶和顯示窗戶實時運動狀態(tài)，提供直觀的人機交互界面；主控制器用來接收來自手機的指令信息、控制電動開窗器開關窗戶及把窗戶運動狀態(tài)信息反饋到手機上，因此是整個系統(tǒng)的核心；電動開窗器直接與窗戶連接，控制著窗戶的開關。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。手機終端首先把指令消息發(fā)送到服務器上，服務器再把指令消息經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到家里路由器，由路由器傳遞給主控制器，主控制器根據(jù)指令消息完成相應控制動作。

1.2 主控制器設計方案

窗戶要實現(xiàn)遠程控制需要一個用于控制窗戶開關的控制器。該控制器起著控制窗戶和遠程連接的作用，為系統(tǒng)的核心。3種常用于控制窗戶的控制器如下。

（1）單片機控制：單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域廣泛應用。其優(yōu)點：經(jīng)濟實惠，成本相對較低；缺點：不易擴展，對環(huán)境依賴性強，開發(fā)周期長。用單片機制作的主控板，由于受制板工藝、布局結(jié)構(gòu)、器件質(zhì)量等因素的影響導致抗干擾能力差，故障率高。

（2）PLC控制：PLC（可編程邏輯控制器）是專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產(chǎn)過程[5]。其優(yōu)點：抗干擾能力強，故障率低，易于設備的擴展，便于維護，開發(fā)周期短；缺點：成本相對單片機高。

（3）Arduino控制：Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，由一個歐洲開發(fā)團隊于2005年冬季開發(fā)。Arduino在開發(fā)之初就明確了其應用環(huán)境，設計了開源開放的平臺[6]。其擁有豐富的接口、簡便的編程環(huán)境、極大的自由度、標準化的接口模式、極高的可擴展性，是目前較為流行的電子互動平臺[7]。由于該板為開源硬件，因此市面上出現(xiàn)了許多與之功能匹配的擴展板和兼容板方便選擇使用。本系統(tǒng)選用了一種Arduino兼容板——ESPDuino板。該板既與Arduino相兼容而又在其基礎上增加了連接網(wǎng)絡功能，具有使用更方便、價格便宜的特點。

2 系統(tǒng)硬件設計與選用

系統(tǒng)的硬件采用模塊化設計，本系統(tǒng)的硬件主要由手機終端、主控制器、電動開窗器和窗戶組成。

2.1 手機終端選用

手機終端選用Android系統(tǒng)。Android手機現(xiàn)在已經(jīng)成為市場占有率最高的移動操作系統(tǒng)，具有高度的開源性，拓展性非常高，這點使得其他手機系統(tǒng)不能與其相比[8]。相比于其他系統(tǒng)，Android系統(tǒng)開發(fā)更容易，幾乎沒有什么門檻，因此，可以很快地開發(fā)出自己的程序。

2.2 主控制器

主控制器是整個硬件系統(tǒng)的核心，一方面負責接收來自手機終端指令消息并控制開窗器來控制窗戶的開關；另一方面把窗戶的運動狀態(tài)反饋給手機。主控制器電路圖如圖2所示。主控制器主要由主控板、紅外對射式傳感器和無線發(fā)射模塊組成。

2.2.1 主控板

主控板選用的是四博智聯(lián)科技有限公司生產(chǎn)的ESPDuino板。該板是該公司基于ESP8266-13而開發(fā)的，與Arduino UNO相兼容。該板采用ESP-WROOM-02貼片式WiFi模塊，相對于傳統(tǒng)的Arduino板，不僅省去了外接WiFi模塊布線的麻煩和費用，而且還使得系統(tǒng)運行更加可靠、體積更小，在與網(wǎng)絡連接使用中具有廣泛的應用。

2.2.2 紅外傳感器的選用

本系統(tǒng)選用分離式紅外對射式計數(shù)傳感器。該傳感器為NPN常閉型，即有遮擋時輸出低電平信號，無遮擋時輸出高電平信號。發(fā)射管工作電壓為5 V，工作電流為40 mA，接收管工作電壓為3～5.5 V，工作電流為100 mA，可方便與開發(fā)板連接。其2～20 cm的有效檢測距離、2 ms的快速反應時間，使其在系統(tǒng)中具有良好的應用。

2.2.3 無線發(fā)射模塊的選用

無線模塊具有體積小、傳輸距離遠等優(yōu)點，廣泛應用在生活中各個領域。本系統(tǒng)選用的無線模塊工作頻率為433 MHz。433 MHz無線收發(fā)模塊為短距離無線通信模塊，由于該模塊的成本低、睡眠模式約為1 μA的電流消耗、小尺寸封裝和較少的外接引腳，使得其在物聯(lián)網(wǎng)無線通信中被廣泛使用。該模塊還具有靈敏度高、繞射性能好、功耗低、穿透力強等特點。

2.3 電動開窗器的選用

電動開窗器選用的是上海鍇蔻電子科技有限公司的KK-LT-300電動鏈條開窗器。其工作電壓為直流24 V，工作電流為1 A，推拉力為400 N，行程距離為400 mm，速度為7 mm/s。其具有超負荷過載保護設計；開關窗時噪音低，雙層金屬鏈片設計，運行時更穩(wěn)定、順暢。開窗器直接與窗戶連接，通過鏈條的伸縮來控制窗戶的開關。

3 系統(tǒng)程序設計

從手機終端發(fā)出控制指令到窗戶執(zhí)行指令，是依靠系統(tǒng)程序來完成的。系統(tǒng)程序是整個系統(tǒng)的核心，其程序流程圖如圖3所示。手機APP采用消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）傳輸協(xié)議發(fā)送指令消息到服務器上，服務器打包消息通過互聯(lián)網(wǎng)訪問到家里路由器，路由器經(jīng)WiFi方式把消息傳遞給主控制器，主控制器解析指令消息后經(jīng)無線發(fā)射模塊發(fā)送到電動開窗器的接收模塊，控制電動開窗器的運行進而控制窗戶的開關。同時紅外計數(shù)傳感器不斷對電動開窗器鏈條節(jié)數(shù)計數(shù)采集并依次發(fā)送到服務器上，服務器收到數(shù)據(jù)再一一推送給手機終端作為反饋信息。該系統(tǒng)程序主要包括兩部分：手機APP軟件程序設計和控制器的程序設計。

3.1 手機APP軟件程序設計

手機APP的設計采用的是Java編程語言，開發(fā)環(huán)境為Android Studio。Android Studio是谷歌推出的新的Android手機集成開發(fā)工具，用于Android手機應用程序的開發(fā)和調(diào)試。手機APP的設計一方面用于發(fā)送指令消息；另一方面用來接收反饋信息并更新。手機APP程序發(fā)送指令消息和接收反饋消息采用的是MQTT傳輸協(xié)議，其工作過程如下。當點擊“打開”按鈕時，指令消息以MQTT協(xié)議的方式先發(fā)送到服務器上，服務器把指令消息經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到家里路由器，指令消息經(jīng)路由器推送到主控制器上，主控制器依據(jù)指令消息控制電動開窗器運行、鏈條伸出，進而打開窗戶。同時，紅外傳感器不斷采集數(shù)據(jù)，并經(jīng)原鏈路反饋給手機終端，手機終端數(shù)據(jù)以1%的速度遞增，直到100%或收到“暫?！敝噶钕⑼Ｖ构ぷ?。反之，當點擊“關閉”按鈕時，手機終端數(shù)據(jù)以1%的速度遞減，直到0%或收到“暫停”指令消息停止工作。因此，該手機終端控制程序的設計使得人們對開關窗運行狀態(tài)更加清楚、直觀，而且也使得人們更加方便地根據(jù)實際情況控制開窗的大小。

3.2 主控制器程序設計

主控制器的核心是ESPDuino板，程序編程采用的是Arduino IDE開發(fā)環(huán)境，編程語言為C/C++。主控制器的程序功能是：一方面用于接收來自手機終端指令消息并控制著電動開窗器執(zhí)行相應動作；另一方面把紅外傳感器對電動開窗器采集的數(shù)據(jù)反饋給手機。主控制器流程圖如圖4所示。主控制器收到手機終端發(fā)送的指令消息后進行解析，根據(jù)解析的指令消息控制電動開窗器鏈條的伸縮，進而控制窗戶的打開、關閉動作。同時紅外計數(shù)傳感器對電動開窗器鏈條節(jié)數(shù)計數(shù)采集，并把采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為開窗大小反饋到手機終端實時顯示。

4 運行結(jié)果

打開手機網(wǎng)絡連接，使手機連接到網(wǎng)絡。運行手機終端控制應用程序，當點擊“打開”按鈕后，電動開窗器鏈條伸出打開窗戶，同時手機終端開始接收紅外傳感器對電動開窗器采集的數(shù)據(jù)，并在手機終端控制界面上顯示數(shù)值的累加變化。當點擊“暫?！卑粹o后，電動開窗器停止運行工作，手機終端控制界面上的數(shù)值也停止累加，保持不變。當點擊“關閉”按鈕后，電動開窗器鏈條收回關閉窗戶，手機終端控制界面上的數(shù)值不斷減少，直到電動開窗器運行結(jié)束，關閉窗戶，手機界面值為0%。該程序在運行中穩(wěn)定、可靠和反應迅速，并且還可直觀地顯示出窗戶的開關狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文設計的建筑用窗遠程開關控制系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)開窗模式，實現(xiàn)了用手機遠程控制建筑用窗的開關，解決了人們生活中無法遠程開關窗戶的問題。該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了窗戶的遠程控制，而且能在手機終端實時顯示窗戶的運動狀態(tài)及開窗大小，使人們對窗戶的控制更清楚、直觀。