基于STM32单片机的智能窗户开关系统设计.pdf

2023.21 科学技术创新基于 STM32 单片机的智能窗户开关系统设计王丛丛（山东工程职业技术大学，山东 济南）引言在智能家居中，对窗户的控制正在走向智能化，智能窗户则设立了遥控、警报等元件，更好地改善了人们的生活。目前，智能窗户开关系统仍不完善，CPU占用率相对较高，无法满足窗户同时开/关的需求。针对此类问题，研究人员设计了多种解决方案。基于树莓派和云平台的智能窗户开关系统，主要是利用云平台监测外部环境因素，并做到平移窗间的联合控制，更加便于智能窗户开关操作1。基于物联网技术的智能窗户开关系统，则是利用物联网技术，将系统内各个元件连接成一个网络，实时、远程操控窗户2，以上两种系统均无法满足居住人的使用需求3。STM32 单片机是一种集成芯片，能够更加高速地处理系统数据，减轻系统使用负担4。因此，本文结合了STM32 单片机的优势，设计了智能窗户开关系统。1硬件设计1.1STM32 主控芯片根据系统的实际需求，本文选用了 STM32 主控芯片作为系统的控制核心，主要由 STM32 单片机、时钟电路、复位电路、电源等元件构成5。与系统的DS18B20 传感器搭配使用，能够将传感器采集到的数据转换成系统能够识别与处理的数据，最终实现智能窗户监测、显示、控制的功能。本文结合了 STM32 单片机的优势，基于 ARMCortex-M 内核，功能十分强大的 32bit 微控制器设计了 STM32 主控芯片。该芯片具有 16KB1MB Flash、多种外设控制元件，能够全速加载系统上传的数据，并将处理完成的数据全速回传到系统中，完成系统内部的数据快速处理6。1.2DS18B20 传感器本文选用的 DS18B20 传感器，主要是为 STM32主控芯片提供数据支撑，满足系统的整体需求。因此，在 DS18B20 传感器的结构设计方面，以温度、烟雾、雨量、风速、感光等传感模块为主，提升窗户开关系统的智能性7。DS18B20 传感器的结构设计如图 1 所示。图 1DS18B20 传感器结构设计对于不同类型的智能窗户，采用了两种传感模块适应传感需求。其一，温度湿度传感、烟雾传感、红外作者简介：王丛丛（1986-），女，本科，副教授，研究方向：机械设计制造及自动化。摘要：常规的智能窗户开关系统增加了系统负担，影响系统的使用效果。因此，设计了基于 STM32 单片机的智能窗户开关系统。硬件方面，设计了 STM32 主控芯片与 DS18B20 传感器。软件方面，建立智能窗户开关通信协议，设计智能窗户开关任意停止控制指令，监测室内外环境状态，当室外处于风雨环境时，发出关窗控制指令；解析显示节点反馈信息数据帧，明确室内外的温湿度。采用系统测试，验证了该系统的实用效能更佳，能够应用于实际生活中。关键词：STM32 单片机；智能窗户；开关中图分类号院TU855文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤21-0205-04 电源模块DS18B20传感器传感器温度湿度传感模块烟雾传感模块红外传感模块雨量传感模块风速传感模块感光传感模块OLED显示模块显示模块警报模块继电器开关控制模块窗户控制窗帘控制浇灌控制通信模块独立按键模块205-科学技术创新 2023.21传感、雨量传感、风速传感、感光传感；其二，OLED 显示、警报、控制、通信8。2软件设计2.1建立智能窗户开关通信协议本文在硬件设计完成之后，建立了智能窗户开关系统的通信协议，辅助 DS18B20 传感器的通信模块，完成系统的数据传输。本文设计的通信协议在数据传输的过程中，仅需要很小的数据流量，能够在系统出现异常断开时，通知发送端与接收端，确保系统的服务质量9。本文在通信协议中建立了发布/订阅消息模式，系统能够向多个元件发布通信信息，也能订阅不同元件的主题，确保每个数据的有效传输。通信报文类型如表 1 所示。表 1通信报文类型如表 1 所示，消息发布受到确认的控制报文为QoS1，订阅请求报文确认的控制报文为 QoS2，取消订阅报文确认的控制报文为 QoS3。2.2设计智能窗户开关任意停止控制指令在通信协议开始之后，本文利用传感器监测室内外环境状态，当室外处于风雨环境时，发出关窗控制指令；当室内处于烟雾、煤气等危险环境时，发出开窗控制指令，确保室内人员的舒适感与安全性。在智能窗户关闭的过程中，如果没有接收到烟雾、煤气、风雨等信号时，可以在任意位置停止智能窗户关闭。智能窗户任意停止控制流程如图 2 所示。本文在开启开/关窗停止指令之后，对应的继电线圈通信推杆相应伸长或缩短。此时，设置风速传感数据、雨量传感数据、光感传感数据为联动状态，以上外部数据传感默认联动开启。当自动关窗时，向系统发出警报报文帧，利用通信协议发出警报提示。主控芯片在接收到报文提示之后，判断各个传感监测值是否与设定阈值偏离过大，较大的偏离则停止窗户开关；并未偏离则继续开/关窗10。2.3解析显示节点反馈信息数据帧针对上述的控制指令流程图，要想明确室内外的温湿度，最大程度上平衡空气温湿度，确保室内人员的舒适度，需要进一步进行节点反馈信息数据帧解析，已知节点反馈的不同信息具有不同的数据含义，可以根据该特点获取内外温差，实现室内湿度平衡，本文假设了大气水饱和点，根据线性变化关系计算此时的智能窗户开关饱和水汽动态变化量 BT，如下（1）所示。（1）公式（1）中：Bint代表饱和水汽系数，b 代表相对反馈湿度，若想对上述的动态变化量进行取整，需要应用取整函数 RH，如下（2）所示。（2）公式（2）中：Bt2代表平衡系数，R 代表智能控制参数，当室内外温度发生相对改变时，智能窗户开关系统可以立即进行感应，生成室内外环境平衡指令，此时可以假定节点智能反馈数据帧区间，生成线性变化目标函数 W，如下（3）所示。（3）公式（3）中：A 代表解析线性变化系数，结合上述的线性变化目标函数，可以对任意状态下显示节点反馈的信息数据帧进行解析，进一步进行均值计算，获取最终的信息反馈控制指令，从而提高智能窗户开关系统的控制效果。3系统测试名字 值 报文流动方向 描述 Rer.0 禁止 保留.EC 1 客户端到服务端 客户端请求连接服务器.AC 2 服务端到客户端 连接报文确认 PU.3 两个方向都允许 发布消息.OM 4 两个方向都允许 消息发布受到确认 SU.5 客户端到服务端 客户端订阅请求.CK 6 服务端到客户端 订阅请求报文确认.RI 7 客户端到服务端 客户端断开连接 UN.8 服务端到客户端 取消订阅报文确认 开/关窗指令对应继电线圈通电推杆伸长/缩短按照一定周期获取室内外环境监测值是否达到设定阈值监测值是否偏离过大记录任意停止控制信息对继电线圈断电推杆电机停止结束否否是是图 2任意停止控制指令流程intTBBb2TtBRHRBTRHWRHAB206-2023.21 科学技术创新为了验证本文设计的系统是否具有实用效能，本文对上述系统进行了测试。将硬件安装调试、软件调试完毕之后，使系统处于正常运行状态。此时，对系统的性能进行分析。具体的测试过程以及最终的测试结果如下所示。3.1测试过程在进行系统测试之前，本文将 STM32 主控芯片与DS18B20 传感器等硬件进行安装与调试。按照使用说明将 STM32 主控芯片安装完成之后，测试主控芯片各个电路的电压范围在 3.0 V3.3 V 之内，可以确保STM32 主控芯片的正常运行。DS18B20 传感器的调试较为复杂，在其安装完毕之后通电，黄色指示灯亮起5 s 后熄灭，与其相近的电路电压达到了 10 V，将此电路重新安装之后，红色指示灯亮起，此时传感器的OLED 显示模块未显示，对该模块电路重新安装。电路重新安装完成之后通电，黄色、红色、绿色指示灯同时亮起，1 s 后熄灭，绿色指示灯亮起，1 min 未熄灭，此时可以确保 DS18B20 传感器为正常运行的状态。硬件安装调试完成之后，本文对软件串口进行调试，如图 3所示。图 3串口调试界面如图 3 所示，单条发送：0106000020008C，选择COM4：USB Serial Port 串口，波特率为 9600bit，停止位为 1，数据位为 8，无奇偶校验，以 16 进制显示串口数据。出现图中界面之后，完成软件调试。硬件与软件均调试完成之后，出现系统登录界面。点击系统信息，在信息界面输入正确的用户名称与密码之后，登入到系统信息界面，点击基本信息查看系统信息，点击添加服务进入智能窗户开关服务。由此可见，系统可以正常运行。3.2测试结果在上述测试条件下，本文随机选取出 cnt_1、cnt_2、cnt_3 等三种开窗器类型，并将链条式智能窗户与隐藏式智能天窗的关窗电流进行分析。本次测试主要以最大电流为测试对象，而开窗电流普遍低于关窗电流，因此选择关窗电流作为电流指标，确保测试的有效性。在其他条件均一致的情况下，本文将开窗状态下与关窗状态下的系统 CPU 占用率进行测试。并将文献1基于树莓派和云平台的智能窗户开关系统、文献2基于物联网技术的智能窗户开关系统，以及本文设计的基于 STM32 单片机的智能窗户开关系统的CPU 占用率进行对比，占用率越低，系统的实用效能越佳。测试结果如表 2 所示。表 2测试结果如表 2 所示，使用文献1基于树莓派和云平台的智能窗户开关系统之后，系统在开窗状态下的 CPU 平均占用率为 71.68%；在关窗状态下的 CPU 平均占用率为 81.65%。使用文献2基于物联网技术的智能窗户开关系统之后，系统在开窗状态下的 CPU 平均占用率为 53.38%；在关窗状态下的 CPU 平均占用率为67.50%。而使用本文设计的基于 STM32 单片机的智能窗户开关系统之后，系统在开窗状态下的 CPU 平均占用率为 23.25%；在关窗状态下的 CPU 平均占用率为 33.26%。由此可见，使用该系统之后，CPU 占用率更低，链条式智能窗户与隐藏式智能天窗的关窗电流更低，能够同时满足 4 扇窗户的开启，3 扇窗户的关闭，更符合智能窗户开关需求，确保室内人员的舒适性。3A3031303630303030 30 46 30 30 38 43 OD DA2015-05 21 12:18:44.6753A30313036 30 30 30 30 31 30 30 30 38 43 0D OA 2015-05-21 12:18:50.8063A303130363030 30 30 32 41 31 31 44 44 0D 0A2015-05-21 12:19:00.9303A3031303630303030 32 42 31 31 44 43 0D 0A2015-05-21 12:19:01 5543A3031303630 30 30 30 32 44 31 31 44 41 0D 0A2015-05-21 12:19:02.0543A30313036303030 30 32 43 31 31 44 42 0D 0A2015-05-21 12:19:19.1823A30313036303030 30 32 30 30 30 38 43 0D 0A2015-05-21 12:19:26.7953A303130363030 30 30 33 41 31 31 44 43 0D 0A2015-05-21 12:19:36.545 i3A303130363030 30 30 33 42 31 31 44 42 0D 0A2015-05-21 12:19:37.1693A3031303630 30 30 30 33 44 31 31 44 39 0D 0A2015-05-21 12:19:38.1683A 30 31 30 36 30 30 30 30 32 30 30 30 38 43 OD OA 2015-05-21 12:19:47.2783A303130363030 30 30 33 43 31 31 44 41 0D 0A2015-05-21 12:20:02.582：0106000020008C单条发送多条发送协议传输智能窗户关窗电流/A 开关窗时系统 CPU占用率/%开窗器类型 链条式智能窗户 隐藏式智能天窗 开窗 关窗 文献1基于树莓派和云平台的智能窗户开关系统 cnt_1 2 002.26 2 390.44 76.32 88.43 cnt_2 1 967.32 2 374.58 72.18 80.32 cnt_3 1 434.27 2 386.24 66.54 76.21 文献2基于物联网技术的智能窗户开关系统 cnt_1 1 947.25 2 142.36 54.33 68.64 cnt_2 1 836.21 2 035.67 52.18 66.33 cnt_3 1 545.32 2 136.22 53.62 67.54 本文设计的基于STM32单片机的智能窗户开关系统 cnt_1 1 323.46 1 434.75 23.26 34.32 cnt_2 1 218.97 1 326.44 24.32 33.36 cnt_3 963.21 1 091.58 22.18 32.11 207-科学技术创新 2023.21结束语大多数人群受到繁重的工作影响，无暇顾及家庭环境，家中无人时无法开窗通风，恶劣天气无法回家关窗，影响人们对家庭环境的体验。智能窗户的出现则解决了这一问题，通过远程控制的方式，省去很多麻烦与时间。为了满足智能窗户的开/关窗需求，本文在 STM32 单片机的条件下，设计了智能窗户开关系统。并从通信协议、控制指令、解析数据帧等方面，提升系统的实用性能，为智能窗户的普及提供相应的建议。参考文献1费叶琦,周徐孝,齐加胜,等.基于树莓派和云平台的平移窗智能语音控制系统设计 J.机电工程技术,2021,50(11):171-174+182.2王伟胜,熊蒋芹,谭玉姣,等.基于物联网技术的智能窗户控制系统设计J.湖北理工学院学报,2021,37(6):5-8+20.3龙佳乐,廖妙余,陈健恒,等.基于 STM32 单片机的自动盖章机的设计与制作J.机电工程技术,2023,52(3):199-201+245.4罗国荣,戚金凤.一种基于 STM32F103 的 CAN 总线车联网数据采集终端设计J.武汉交通职业学院学报,2023,25(1):123-132.5沈天盛,陈文莹,朱彬斌,等.基于 AOA 算法的低功耗蓝牙室内定位系统 J.单片机与嵌入式系统应用,2023,23(3):42-45+75.6吴自玉,钟安德,谢宗效,等.STM32 的有害气体云数据库远程检测系统设计J.单片机与嵌入式系统应用,2023,23(2):73-75.7李建杰,杨延宁,孙宇航,等.一种基于 SIM800C 通信模块的远程防盗报警器设计J.电子设计工程,2022,30(23):130-133+138.8万丽娟,林炜,徐源,等.基于 STM32 单片机的三重认证门禁系统设计和实现J.萍乡学院学报,2022,39(6):46-49+61.9曹伟洋,王涛,马宏莉,等.基于 STM32 单片机的便携式室内空气质量检测仪 J.传感器与微系统,2022,41(11):101-104.10宫雨欣,蒿特祺,史清,等.基于单片机和 MAC 地址定位的教室打卡与人流检测微信小程序J.数字通信世界,2022(9):71-73.Design of Intelligent Window Switch SystemBased on STM 32 Single-chip MicrocomputerWang Congcong（Shandong Vocational and Technical University of Engineering,Jinan,China）Abstract:The conventional intelligent window switch system increases the system burden and affects theuse effect of the system.Therefore,the intelligent window switch system based on STM32 MCU is designed.In terms of hardware,STM32 main control chip and DS18B20 sensor are designed.In terms of software,establish the intelligent window switch communication protocol,design the intelligent window switch arbitrarystop control command,monitor the indoor and outdoor environment,and issue the window closing controlcommand when the outdoor environment is in wind and rain;Analyze and display node feedback data frameto clarify indoor and outdoor temperature and humidity.The system test proves that the system has betterpractical performance and can be used in real life.Key words:STM 32 single-chip microcomputer;intelligent window;switch208-