基于嵌入式系統(tǒng)的家居智能門窗設(shè)計 - 全文

引言

　　隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 人民生活水平的提高， 人們對家庭住房的防盜、防劫、防火設(shè)備的重視程度也在不斷提高， 所以現(xiàn)代社會有更多的人需要對偷盜、搶劫、火災(zāi)、煤氣泄漏等事故進(jìn)行監(jiān)測和報警。為了有效的保證居民的生命財產(chǎn)安全， 我們設(shè)計了一款智能家庭防盜報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)是利用無處不在的電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，將AT89S51 單片機(jī)、ISD4000 集成語音芯片、HT1602 液晶顯示驅(qū)動芯片及集成電路組成的雙音多頻撥號電路等有機(jī)地結(jié)合在一起， 構(gòu)成一種功能先進(jìn)、實用、成本低廉的家庭智能防盜報警器。

　　1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

　　智能門窗屬建筑領(lǐng)域的附件，它包括智能控制系統(tǒng)和門窗開關(guān)裝置以及報警系統(tǒng)。該智能門窗實現(xiàn)的主要功能是當(dāng)室內(nèi)燃?xì)庑孤叮珻O和CO2含量過高，甲醛、苯等有毒物質(zhì)超標(biāo)時，能夠控制窗戶自動打開，讓空氣形成對流，并啟動排風(fēng)扇向室外排出有害氣體，當(dāng)室外環(huán)境不允許開窗時由風(fēng)光雨傳感器傳輸信號到主控系統(tǒng)，使其發(fā)出指令關(guān)閉窗戶，同時整個系統(tǒng)將以排風(fēng)扇工作為主。如果狀況仍未緩解，則啟動警報裝置。

　　整個系統(tǒng)由主控芯片、各種傳感器、報警器終端，以及機(jī)械傳動裝置組成，控制芯片和傳感器等直接固定在門窗上，而報警終端則可固定在室內(nèi)墻壁或容易引起主人警覺的地方。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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　　1.1 LPC2136微控制器概述

　　LPC2136是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S CPU微控制器，它帶有256 KB嵌入的高速片內(nèi)FLASH存儲器。片內(nèi)128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘頻率下運行。

　　P0.27～P0.30為LPC2136的A／D轉(zhuǎn)換器輸入端，作為風(fēng)光雨模擬信號、溫度模擬信號和有害氣體檢測信號等的模擬輸入端，分時段掃描查詢這幾個模擬量，并將風(fēng)光雨模擬信號、有害氣體模擬信號等做A／D轉(zhuǎn)換后顯示在LCD顯示單元上。風(fēng)光雨傳感器輸出的信號非線性誤差較大，并對溫度敏感，本文設(shè)計了專用的放大、處理和補(bǔ)償電路對其信號進(jìn)行處理和補(bǔ)償，使其輸出的模擬量基本達(dá)到線性。實測證明可達(dá)到5％的誤差，這對于一般的監(jiān)控已可以滿足要求。

　　1.2 感應(yīng)系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　該部分主要以傳感器為采集信號手段，經(jīng)轉(zhuǎn)換元件將采集到的信號進(jìn)行加工，使采集到的模擬信號能夠被主控制芯片識別，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

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　　1.3 有害氣體檢測模塊

　　由于室內(nèi)引入能釋放有害物質(zhì)的污染源或室內(nèi)環(huán)境通風(fēng)不佳，導(dǎo)致室內(nèi)空氣中有害物質(zhì)無論數(shù)量上還是種類不斷增加，并引起人的一系列不適癥狀的現(xiàn)象，即為室內(nèi)空氣受到了污染。就環(huán)境污染對人體健康的影響而言，由于人們生活、工作在室內(nèi)環(huán)境的時間長，室內(nèi)通風(fēng)狀況不良、不利于污染物稀釋擴(kuò)散自凈等原因，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量比室外環(huán)境質(zhì)量顯得更為重要。室內(nèi)空氣污染物有生物性污染物，如細(xì)菌；化學(xué)性污染物，如甲醛、氨氣、苯、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等；還有放射性污染物氡氣及其子體。室內(nèi)空氣污染與大氣污染由于所處的環(huán)境不同，其污染特征也不同。

　　有害氣體檢測電路，如圖3所示。在該電路中主要用氣敏傳感器實現(xiàn)“氣-電”轉(zhuǎn)換，在正常情況下，氣敏傳感器不接觸有害氣體或有害氣體濃度很低時，氣敏傳感器兩端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，檢測到的信號小，不能驅(qū)動后級電路而使其工作。反之，檢測信號變大，從而驅(qū)動開窗器和排風(fēng)扇工作，及時報警，并盡可能地排除有害氣體。

　　（1）一氧化碳傳感器。選用深圳富安達(dá)公司的CO／MF-500型電化學(xué)傳感器，當(dāng)環(huán)境的CO濃度發(fā)生變化時，電化學(xué)方程的平衡產(chǎn)生移動，輸出的電流發(fā)生相應(yīng)的變化。該傳感器量程為0～500 ppm，分辨率為1 ppm，線性輸出，并且過濾了H2S和SO2氣體，測量精度較高。

　?。?）甲醛傳感器。選用深圳市富安達(dá)公司的S-10電化學(xué)傳感器，測量范圍為0～10 ppm，最大負(fù)載為50 ppm，輸出信號為800 nA／ppm，分辨率為0.05 ppm，響應(yīng)時間小于50 s，可在高濕度等惡劣環(huán)境下工作。

　?。?）煙霧傳感器。選用深圳市商斯達(dá)公司的離子室煙霧傳感器，電源電壓為直流6.0～18.0 V，輸出電壓為（5.6±0.4）V，靈敏度為（0.6±0.1）V，溫度為-10～+60℃。

　　氣體傳感器需要用導(dǎo)線引出，同時控制器需要一組12 V（DC，500 mA）的電源供電。由于氣體傳感器需要電源預(yù)熱，功耗較大，+5 V電源下約需150 mA電流。本文采用一個LM7805三端穩(wěn)壓器供電，同時加上適當(dāng)?shù)纳崞鳎员ＷC長時間可靠穩(wěn)定的工作。實踐證明，它對溫度和濕度測量是準(zhǔn)確和迅速有效的，對氣體的檢測也十分敏感，遇到有危險氣體時能可靠地發(fā)出報警和自動接通風(fēng)扇排風(fēng)，為人員的安全起到高靈敏度的檢測和保護(hù)作用。

　　1.4 風(fēng)光雨感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計

　　風(fēng)光雨傳感器是一種集多種傳感器于一身的多功能傳感器，它可以自動檢測風(fēng)力、光線強(qiáng)度、雨量大小，為窗戶的開啟控制提供依據(jù)，這里選用深圳卓靈公司的ZF-WRR型風(fēng)光雨傳感器，其工作電壓為直流12 V；工作電流為0.1 A；風(fēng)感器可設(shè)定風(fēng)速值為1～4級，范圍為3～20 km／h；雨感器可設(shè)定范圍為1～5 mm／h；采用防水結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，以及風(fēng)感部分雙軸承結(jié)構(gòu)，可確保風(fēng)感靈敏度。當(dāng)室內(nèi)有害氣體濃度過大，除開啟排風(fēng)扇將有害氣體排出室外，還可連接開窗器作為輔助將窗戶打開，但若逢大風(fēng)、大雨或風(fēng)沙天氣，因不適宜開窗，則由MCU發(fā)出關(guān)閉窗戶指令。

　　1.5 門窗防盜模塊設(shè)計

　　該模塊主要用于防止門窗打開時，不法分子趁機(jī)入室或窗戶關(guān)閉時破窗而入，對房屋主人的人身及財產(chǎn)安全造成威脅。該模塊主要由人體靠近傳感器和玻璃破碎傳感器組成，如圖4所示。

　　人體接近傳感器又稱無觸點接近傳感器，是理想的電子開關(guān)量傳感器。當(dāng)金屬檢測體接近傳感器的感應(yīng)區(qū)域，開關(guān)就能無接觸，無壓力、無火花、迅速發(fā)出電氣指令，準(zhǔn)確反應(yīng)出運動機(jī)構(gòu)的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調(diào)整的方便性和對惡劣環(huán)境的適用能力，是一般機(jī)械式行程開關(guān)所不能相比的。延時3 s后檢測到人不離開或有繼續(xù)入侵動作，先以紅燈警告，再延時3 s，如果還未離開，則打開高分貝聲光警報器，以達(dá)到驅(qū)趕入侵者，必要時還可將警情傳輸?shù)叫^(qū)保衛(wèi)處以及房屋主人的手機(jī)上。

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　　玻璃破碎傳感器? 是利用振動傳感器在玻璃破碎時發(fā)出2 kHz特殊頻率，感應(yīng)出報警信號。為了避免室內(nèi)因玻璃器皿破碎、電話鈴聲、鬧鐘以及其他一些聲音引起誤報警信號，目前玻璃破碎傳感器采用了雙探測技術(shù)，即需要同時探測到破碎產(chǎn)生的振蕩和音頻聲響，才能發(fā)出報警信號。

　　門磁開關(guān)? 由一條永久磁鐵和一個常開觸點的干簧管組成，一般把干簧管安裝在被監(jiān)視房門的門框上，把永久磁鐵安裝在門上，關(guān)門后，干簧管在磁場的作用下接通，當(dāng)門被打開時，干簧管觸點斷開，觸發(fā)報警電路。

　　1.6 執(zhí)行系統(tǒng)模塊的設(shè)計

　　智能門窗的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括排風(fēng)扇、開窗器、聲光報警器和電話報警等。排風(fēng)扇部分如圖5所示，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動由PWM來控制轉(zhuǎn)速，安裝在廚房等易出現(xiàn)煤氣泄漏的場所，可有效地排出有害氣體，避免室內(nèi)人員煤氣或CO中毒。

　　開窗器分為螺旋式開窗器和鏈條式開窗器，它采用天津科普瑞特公司的E350型螺旋式開窗器進(jìn)行設(shè)計，工作電壓為直流24 V；工作電流為1 A；推拉力為1 000 N；行程為90～1 000 mm；速度為5 mm／s。該開窗器采用全金屬材質(zhì)、內(nèi)螺桿式電動開窗、鋁合金外殼、開窗時噪音低，開窗推力大，支撐強(qiáng)度高，可調(diào)節(jié)的滑動支架便于安裝，適合于各種窗型。當(dāng)煤氣泄漏或有害氣體濃度在開窗和排風(fēng)扇工作一段時間后仍未減小到無害的程度或有人非法入侵時，就要啟動聲光報警裝置，該警報器適宜裝在房屋主人容易警覺處，如客廳和臥室。警報器啟動時將以高分貝的警報聲和LED燈光發(fā)出警告，同時LCD液晶顯示將告訴房屋主人是何原因警報（煤氣泄漏或有人非法入侵）。

　　2 軟件設(shè)計

　　為了使軟件更安全、簡潔，設(shè)計中使用μC／OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)。在該操作系統(tǒng)下，所有的操作都是對任務(wù)的處理，因此系統(tǒng)的整體框圖應(yīng)該有幾個任務(wù)組成。該系統(tǒng)由以下兩個任務(wù)組成。任務(wù)1：讀取室內(nèi)氣體傳感器的數(shù)據(jù)，對采集到的信號進(jìn)行處理；判斷室內(nèi)空氣污染是否超標(biāo)，若超標(biāo)則進(jìn)行開窗和啟動排風(fēng)扇，使室內(nèi)空氣污染濃度降低，如圖6所示。任務(wù)2：主要任務(wù)為防盜報警和氣體超標(biāo)報警，讀取門窗報警器信號，啟動聲光報警器，并顯示報警原因，如圖7所示。

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　　3 結(jié)語

　　為了使家居生活更加舒適、安全，采用以ARM7為主控制芯片，融合多路傳感器的方法，突破了傳統(tǒng)的防盜門窗模式。綜合考慮了室內(nèi)外環(huán)境的安全因素，設(shè)計了一種基于嵌入式系統(tǒng)的智能門窗，進(jìn)行了以CO、煤氣、甲醛以及風(fēng)光雨傳感器為主要信號獲取單元，以聲光報警器、排風(fēng)扇和電動開窗器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的聯(lián)合調(diào)試實驗設(shè)計，實驗中系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。實驗結(jié)果證明該設(shè)計切實可行。

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