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[摘 要]文章提出了一种基于Arduino控制的智能一体化窗户开关装置设计方案，它通过蓝牙模块与烟尘、温湿度、雨水等传感器相连接，对环境变化实时监测实现对窗户的自动控制，并实现数据共享。
[关键词]Arduino;智能;蓝牙;传感器
[中图分类号]TQ051.85 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–02
Intelligent Window Switch Device for Automatic Environmental
Monitoring Based on Arduino
Zhang Yue，Hu long
[Abstract]This paper presents a design scheme of intelligent integrated window based on Arduino control， which is connected with smoke， temperature， humidity， rain and other sensors through Bluetooth module to monitor the environmental changes in real time， realize the automatic control of doors and windows， and realize data sharing.
[Keywords]tarduino; intelligence; bluetooth; sensor
随着社会的快速发展，环境问题已经日趋严峻，人們的生命健康容易受到室外粉尘、PM2.5、雾霾等空气污染物的威胁。
然而，目前绝大多数门窗是通过人体的感知能力，并作出相应的判断，然后控制手臂来实现对窗户的开关动作。人工控制窗户一方面无法对室外环境做出实时的准确的判断，造成与期望值有较大的偏差，另一方面对安装在高处的窗户的高空操作难以保证人身安全。现代社会讲究高质量生活，健康养生问题越来越受到重视，因此自动监测环境质量的自动控制窗户开关系统有着广阔的应用前景。
为此，提出了基于Arduino利用烟尘传感器、驱动电机控制的自动窗户开关装置，另外还增加了温度湿度传感器、雨水传感器及蓝牙模块，实现对雨水烟尘温湿度的有效监测并对窗户进行有效控制。
1 装置整体方案
整个装置所需要的技术和设备包括：窗户框架、蓝牙控制模块、主控板、电机、烟尘传感器、雨水传感器、温度湿度传感器，需要使用的技术包括无线控制技术、组态设计技术。该装置的系统结构如图1所示[1]。
2 主要结构
2.1 机械结构
该装置机械结构由智能窗及智能窗下方的用于控制智能窗自动开关的控制系统组成。智能窗包括固定在墙体上的框架、设置在框架外部的与框架铰接的窗体、设置在框架下端的用于驱动窗体开关的多个伸缩气缸，如图2所示。
该窗体结构特征：①框架用于安装窗体的一侧面为内凹面，且其内设置有铁柱，铁柱的数量与伸缩气缸的数量一致。②窗体朝向框架的上侧设置有第一铰接座，铰接座上铰接有用于推拉窗架的活动杆。③伸缩气缸的顶端设置有用于铰接活动杆的第二铰接座，所述铰接座套在铁柱上，且与铁柱间隙配合。④控制系统包括用于感应风雨的雨水模块、与雨水模块连接的用于处理雨水感应信号的信号处理器，与信号处理器连接的用于转换雨水感应信号的信号转换器[2]，与信号转换器连接的用于做出最终指令的智能家居系统，及与信号转换器连接的用于控制伸缩气缸开关智能窗的Arduino控制模块等。
2.2 烟尘传感器
空气进入了烟尘传感器留有的开口中，在这个时候发光二极管会产生间歇性的红外光用来监测有无烟尘。在空气中存在烟雾的情况下，红外光照射到光敏元件上，烟雾浓度感应器判定烟雾存在电路随即开始工作[3];空气中没有烟雾的情况下，红外光照射不到光敏元件，电机无法转动。
2.3 温度湿度传感器
温度湿度传感器就是模拟量加数字化的集成，将环境中的各种相对温度和相对湿度转换成为了与之相对应的模拟信号，采用数字集成传感器做探头，比如0～5 V、0～10 V，或者4～20 mA。而温度湿度一体化的传感器将两种不同传感器集合，同时转化两种信号，做到两种信号的接收与传递。是直接把各种标准化的模拟信号和仪器连接[4]。在工业生产过程当中，模拟量有多种传输方式，0～5 V、0～10 V或者4～20 mA是最典型的几种，比如4～20 mA的信号转换：量程为-80 ～+80 ℃，4～20 mA输出，当输出的信号为15 mA的时候，计算此时的温度值。因为当前仪器的量程跨度为160 ℃用15 mA电流信号来输出，10.67 ℃/mA，
即电流1 mA温度变化10.67 ℃;测量值15 mA-4 mA=11 mA，11 mA×10.67 ℃=117.37 ℃，117.37 ℃+（-80 ℃）=37.37 ℃，即当前环境温度为37.37 ℃。
2.4 雨水传感器
雨水传感器主要是用来检测是否下雨，传感器包含感应垫与模块两个组件，见图3。
（1）感应垫包含外露铜迹线，通常放在屋顶等露天处。当空气的雨水降落到感应垫上时，感应垫随即产生电子介质，在环境中发生反向电流，因此传感器的电阻与下雨量成反比，雨水越多则电阻越低，相反，雨水越少，其电阻值越高。传感器通过输出电阻的大小控制电压，然后产生电信号，实现对雨量的感应;
（2）模块与Arduino相连接，并且根据感应垫所给出的电阻产生输出电压，并在模拟输出端（AO）用引脚输出。相同的信号被馈送到LM393高精度比较器以对其进行数字化，并在数字输出（DO）引脚处可用。
3 蓝牙控制接线
连接方法如图4所示：VCC：接Arduino的5 V。GND：接Arduino的GND。TXD：接Arduino的RX。RXD：接Arduino的TX[5]。
4 手机蓝牙连接设置
智能手机与蓝牙模块连接后，通过智能手机上键盘输入数字，这里设置的是“0”和“1”来控制窗户的关闭和开启，实物硬件会根据输入的指令做出相应的变化，以达到智能开关的效果，如图5、图6所示。
5 总结
智能窗户以其系统可靠的特点为人们提高生活品质的同时，也优化了人们的生活方式，帮助人们有效地安排时间，增强了家居生活的便利性。但也只能在有限的距离中控制，后续该设计会进一步利用wifi控制，增加自由度以便更好地完成控制工作。
参考文献
[1] 姜衍等.一种智能开关窗户[P].CN108457554A，2018.
[2] 刘意，杨金林，时启兵，等.一种基于Arduino控制的智能越障小车[P].CN211123759U，2020.
[3] 聂茹.基于Android手机蓝牙控制的智能小车设计与实现[J].微型电脑应用，2015，31（9）：68-69.
[4] 陈希阳.互联网+智慧用能综合能源服务平台的构建[J].科技资讯，2018，16（14）：31，33.
[5] 金军，严飘萍.嘉兴综合能源服务平台的研究与设计[J].中国高新区，2019（13）：265-266.
[关键词]Arduino;智能;蓝牙;传感器
[中图分类号]TQ051.85 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–02
Intelligent Window Switch Device for Automatic Environmental
Monitoring Based on Arduino
Zhang Yue，Hu long
[Abstract]This paper presents a design scheme of intelligent integrated window based on Arduino control， which is connected with smoke， temperature， humidity， rain and other sensors through Bluetooth module to monitor the environmental changes in real time， realize the automatic control of doors and windows， and realize data sharing.
[Keywords]tarduino; intelligence; bluetooth; sensor
随着社会的快速发展，环境问题已经日趋严峻，人們的生命健康容易受到室外粉尘、PM2.5、雾霾等空气污染物的威胁。
然而，目前绝大多数门窗是通过人体的感知能力，并作出相应的判断，然后控制手臂来实现对窗户的开关动作。人工控制窗户一方面无法对室外环境做出实时的准确的判断，造成与期望值有较大的偏差，另一方面对安装在高处的窗户的高空操作难以保证人身安全。现代社会讲究高质量生活，健康养生问题越来越受到重视，因此自动监测环境质量的自动控制窗户开关系统有着广阔的应用前景。
为此，提出了基于Arduino利用烟尘传感器、驱动电机控制的自动窗户开关装置，另外还增加了温度湿度传感器、雨水传感器及蓝牙模块，实现对雨水烟尘温湿度的有效监测并对窗户进行有效控制。
1 装置整体方案
整个装置所需要的技术和设备包括：窗户框架、蓝牙控制模块、主控板、电机、烟尘传感器、雨水传感器、温度湿度传感器，需要使用的技术包括无线控制技术、组态设计技术。该装置的系统结构如图1所示[1]。
2 主要结构
2.1 机械结构
该装置机械结构由智能窗及智能窗下方的用于控制智能窗自动开关的控制系统组成。智能窗包括固定在墙体上的框架、设置在框架外部的与框架铰接的窗体、设置在框架下端的用于驱动窗体开关的多个伸缩气缸，如图2所示。
该窗体结构特征：①框架用于安装窗体的一侧面为内凹面，且其内设置有铁柱，铁柱的数量与伸缩气缸的数量一致。②窗体朝向框架的上侧设置有第一铰接座，铰接座上铰接有用于推拉窗架的活动杆。③伸缩气缸的顶端设置有用于铰接活动杆的第二铰接座，所述铰接座套在铁柱上，且与铁柱间隙配合。④控制系统包括用于感应风雨的雨水模块、与雨水模块连接的用于处理雨水感应信号的信号处理器，与信号处理器连接的用于转换雨水感应信号的信号转换器[2]，与信号转换器连接的用于做出最终指令的智能家居系统，及与信号转换器连接的用于控制伸缩气缸开关智能窗的Arduino控制模块等。
2.2 烟尘传感器
空气进入了烟尘传感器留有的开口中，在这个时候发光二极管会产生间歇性的红外光用来监测有无烟尘。在空气中存在烟雾的情况下，红外光照射到光敏元件上，烟雾浓度感应器判定烟雾存在电路随即开始工作[3];空气中没有烟雾的情况下，红外光照射不到光敏元件，电机无法转动。
2.3 温度湿度传感器
温度湿度传感器就是模拟量加数字化的集成，将环境中的各种相对温度和相对湿度转换成为了与之相对应的模拟信号，采用数字集成传感器做探头，比如0～5 V、0～10 V，或者4～20 mA。而温度湿度一体化的传感器将两种不同传感器集合，同时转化两种信号，做到两种信号的接收与传递。是直接把各种标准化的模拟信号和仪器连接[4]。在工业生产过程当中，模拟量有多种传输方式，0～5 V、0～10 V或者4～20 mA是最典型的几种，比如4～20 mA的信号转换：量程为-80 ～+80 ℃，4～20 mA输出，当输出的信号为15 mA的时候，计算此时的温度值。因为当前仪器的量程跨度为160 ℃用15 mA电流信号来输出，10.67 ℃/mA，
即电流1 mA温度变化10.67 ℃;测量值15 mA-4 mA=11 mA，11 mA×10.67 ℃=117.37 ℃，117.37 ℃+（-80 ℃）=37.37 ℃，即当前环境温度为37.37 ℃。
2.4 雨水传感器
雨水传感器主要是用来检测是否下雨，传感器包含感应垫与模块两个组件，见图3。
（1）感应垫包含外露铜迹线，通常放在屋顶等露天处。当空气的雨水降落到感应垫上时，感应垫随即产生电子介质，在环境中发生反向电流，因此传感器的电阻与下雨量成反比，雨水越多则电阻越低，相反，雨水越少，其电阻值越高。传感器通过输出电阻的大小控制电压，然后产生电信号，实现对雨量的感应;
（2）模块与Arduino相连接，并且根据感应垫所给出的电阻产生输出电压，并在模拟输出端（AO）用引脚输出。相同的信号被馈送到LM393高精度比较器以对其进行数字化，并在数字输出（DO）引脚处可用。
3 蓝牙控制接线
连接方法如图4所示：VCC：接Arduino的5 V。GND：接Arduino的GND。TXD：接Arduino的RX。RXD：接Arduino的TX[5]。
4 手机蓝牙连接设置
智能手机与蓝牙模块连接后，通过智能手机上键盘输入数字，这里设置的是“0”和“1”来控制窗户的关闭和开启，实物硬件会根据输入的指令做出相应的变化，以达到智能开关的效果，如图5、图6所示。
5 总结
智能窗户以其系统可靠的特点为人们提高生活品质的同时，也优化了人们的生活方式，帮助人们有效地安排时间，增强了家居生活的便利性。但也只能在有限的距离中控制，后续该设计会进一步利用wifi控制，增加自由度以便更好地完成控制工作。
参考文献
[1] 姜衍等.一种智能开关窗户[P].CN108457554A，2018.
[2] 刘意，杨金林，时启兵，等.一种基于Arduino控制的智能越障小车[P].CN211123759U，2020.
[3] 聂茹.基于Android手机蓝牙控制的智能小车设计与实现[J].微型电脑应用，2015，31（9）：68-69.
[4] 陈希阳.互联网+智慧用能综合能源服务平台的构建[J].科技资讯，2018，16（14）：31，33.
[5] 金军，严飘萍.嘉兴综合能源服务平台的研究与设计[J].中国高新区，2019（13）：265-266.