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[摘 要]随着人工智能在家居生活中的普及，智能窗户越来越被人们所认可，但传统智能窗户只具备单一的温湿度控制开关功能，且用户无法随时随地对窗户进行控制。基于这一问题，本文提出采用树莓派系统为控制核心的物联网平台智能窗户。通过各传感器采集到的信息向驱动器发出信号，控制电机转动，从而推动窗户的开关。该控制系统有效利用树莓派结合物联网技术实现数据与用户的实时交换，能够实现远程移动平台或客户端控制操作。
[关键词]智能窗户；树莓派；物联网；移动终端
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）08-0330-01
引言
最近几年，人居环境问题日益引起人们的重视。同时，由于室内甲醛等有害气体含量超标引起的病症也成为社会焦点问题之一。为了拥有一个健康良好的居住环境，许多用户在家中安置了智能窗户。
鉴于目前市场上的绝大多数智能窗户的功能相对单一，不具备完善的远程移动控制的能力。本文正是基于这一思路，把物联网技术应用到智能窗户领域，通过无线通信，智能控制等技术，提出一款具有功能强大，效率高等特点的多功能智能系统。同时开发移动终端平台，与手机连接，通过手机APP控制窗户的工作。
1 智能窗戶的系统原理
本文采用嵌入式平台树莓派作为上位机，连接多种传感器对室内空气中温湿度、光照强度、户外大风及声音、室内甲醛含量等进行数据采集并测试，将结果输出显示并将详细信息记录并保存在数据库内方便用户后期查询需要，然后上位机利用无线通信模块将结果实时发送至互联网监控平台网页端或手机APP上。在满足上述功能的同时，配合上位机利用控制模块对智能窗户进行控制，当室内空气质量不佳或户外天气晴朗无风时自动开启强力工作模式推动窗户打开，而当空气质量优良或空气质量好转或户外有风雨、噪声污染时自行关闭或者转入低功耗模式。用户也可以通过监控平台或者手机APP实时查看智能窗户的工作状态，并且进行远程控制以及定时控制，其系统设计如图所示
2 硬件系统基本组成与电路设计
智能控制系统工作后，树莓派主控板会自动判断使用者进入的是自动模式还是手动模式，如果是手动模式，则会判断开关是否按下，如果按下，则打开窗户，如果没有，则关闭窗户；如果进入的是自动模式，则是传感器检测模块开始工作，根据温湿度、风以及声音的大小、室内有害气体浓度的变化，来判断窗户的开关，如果各传感器输出的数据达到使用者所设定的参数值，则窗帘会根据相应的指令进行打开或关闭。
2.1 控制模块
本智能窗户控制系统主要是由以树莓派为控制核心的遥控设备和控制设备两部分组成，其中遥控设备包括树莓派主控板、移动控制模块、LED显示模块等。控制设备包括树莓派主控板、传感器、驱动器以及步进电机等。
2.2 电机驱动模块
电机驱动模块由一块42步进电机和一块驱动器组成，所谓步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机。由于步进电机没有累积误差，且具有精度高、快速起停、正反转控制等优点，被广泛运用在微机实验中。采用15V直流电源供电，系统通过树莓派主控板对驱动器输出不同的高低电平来控制电机的高、中、低3个不同档位的正反转，完成窗帘的开、关动作。本设计中电机驱动编程采用Python语言，因为它具有丰富和强大的库。部分电机控制程序如下：
……
While true
Count=ser.inwaiting（）
If count>（-32）；
……
2.3 光线感应模块
为了提高光线的灵敏度，本文所使用的是新型测光芯片BH1750。BH1750是为了能够满足以手机等移动设备为首的便携式机器的要求而开发的具有优秀光感灵敏度性的单片数字传感器。与传统的光感模块相比，它较好地解决了传统测光器灵敏度低且易受到非可见光干扰的弊端，通过采集光线变化的信息送入主控芯片，从而完成系统的光线感应输入模式。
3 嵌入式系统平台的搭建
本文中采用的上位机是树莓派，其工作环境是基于Linux的定制系统。通过配置系统内部环境和外部多种传感器相连接方便后期数据采集。此设计是通过编程技术实现的，将树莓派强大的数据处理功能加以利用，对下位机上传数据进行分类记录，一方面可以实时作为监测数据通过LED显示屏输出显示，同时也奠定了智能控制的数据基础。利用树莓派配合外部控制器，以采集的数据作为基础，通过一套高效率的控制流程来实现窗户的智能自动控制。
4 Android手机程序开发
本文运用Python语言开发Android手机端程序与智能窗户进行交互。通过手机APP实现对窗户以及移动的控制，动态监测控制系统中的传感器、电机驱动器以及控制网关等设备的运行状态，数据库服务器用来存储天气判断知识和智能窗户的控制策略，并对智能窗户传递回来的数据进行处理。在手机APP的首页中有系统设计、数据信息和窗户控制三个功能键，用户根据窗内外的温湿度、有害气体浓度等参数的测试可在APP主体动态显示和预报提示信息。
5 智能窗户测试结果
通过对本智能系统试运行的过程进行分析，用户可以根据实际情况选择通过Web网页和手机移动终端进行实时控制。实验结果表明：（1）用户可以在任意连接网络了解设备的工作状态以及参数反馈的信息，并通过电脑或移动手机控制设备的开启或关闭；（2）通过树莓派主控板接收数据较多时，系统会及时对数据进行处理，因此监控终端发送控制信息时，依然可以控制各设备的开关；（3）移动终端的页面设计简单，方便使用者的操作。
6 结论
综上所述，本文中设计的智能窗户充分将物联网技术应用到设计中，集成了无线通信协议、智能手机终端进行开发。将各种控制功能集成到移动客户端，可随时随地对窗户进行开关，完成对整个室内空气的通风以及下雨天的关闭。与手机对接，把相关参数发送到使用者的手机上，使人机交互更加灵活、方便。
参考文献
[1]范文良，李兵尚.基于物联网信息平台的智能窗户设计，人工智能，2015.
[2]王茵，李明.基于物联网信息平台的智能窗户设计，数字技术与应用，2017.
[3]蔡康.P2P对等网络原理与应用，科学出版社，2011.
[4]刘蔚柯，吕燕敏，张昆伦.基于物联网的小区天气反馈调节智能窗户系统设计，智能处理与应用，2016.
[关键词]智能窗户；树莓派；物联网；移动终端
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）08-0330-01
引言
最近几年，人居环境问题日益引起人们的重视。同时，由于室内甲醛等有害气体含量超标引起的病症也成为社会焦点问题之一。为了拥有一个健康良好的居住环境，许多用户在家中安置了智能窗户。
鉴于目前市场上的绝大多数智能窗户的功能相对单一，不具备完善的远程移动控制的能力。本文正是基于这一思路，把物联网技术应用到智能窗户领域，通过无线通信，智能控制等技术，提出一款具有功能强大，效率高等特点的多功能智能系统。同时开发移动终端平台，与手机连接，通过手机APP控制窗户的工作。
1 智能窗戶的系统原理
本文采用嵌入式平台树莓派作为上位机，连接多种传感器对室内空气中温湿度、光照强度、户外大风及声音、室内甲醛含量等进行数据采集并测试，将结果输出显示并将详细信息记录并保存在数据库内方便用户后期查询需要，然后上位机利用无线通信模块将结果实时发送至互联网监控平台网页端或手机APP上。在满足上述功能的同时，配合上位机利用控制模块对智能窗户进行控制，当室内空气质量不佳或户外天气晴朗无风时自动开启强力工作模式推动窗户打开，而当空气质量优良或空气质量好转或户外有风雨、噪声污染时自行关闭或者转入低功耗模式。用户也可以通过监控平台或者手机APP实时查看智能窗户的工作状态，并且进行远程控制以及定时控制，其系统设计如图所示
2 硬件系统基本组成与电路设计
智能控制系统工作后，树莓派主控板会自动判断使用者进入的是自动模式还是手动模式，如果是手动模式，则会判断开关是否按下，如果按下，则打开窗户，如果没有，则关闭窗户；如果进入的是自动模式，则是传感器检测模块开始工作，根据温湿度、风以及声音的大小、室内有害气体浓度的变化，来判断窗户的开关，如果各传感器输出的数据达到使用者所设定的参数值，则窗帘会根据相应的指令进行打开或关闭。
2.1 控制模块
本智能窗户控制系统主要是由以树莓派为控制核心的遥控设备和控制设备两部分组成，其中遥控设备包括树莓派主控板、移动控制模块、LED显示模块等。控制设备包括树莓派主控板、传感器、驱动器以及步进电机等。
2.2 电机驱动模块
电机驱动模块由一块42步进电机和一块驱动器组成，所谓步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机。由于步进电机没有累积误差，且具有精度高、快速起停、正反转控制等优点，被广泛运用在微机实验中。采用15V直流电源供电，系统通过树莓派主控板对驱动器输出不同的高低电平来控制电机的高、中、低3个不同档位的正反转，完成窗帘的开、关动作。本设计中电机驱动编程采用Python语言，因为它具有丰富和强大的库。部分电机控制程序如下：
……
While true
Count=ser.inwaiting（）
If count>（-32）；
……
2.3 光线感应模块
为了提高光线的灵敏度，本文所使用的是新型测光芯片BH1750。BH1750是为了能够满足以手机等移动设备为首的便携式机器的要求而开发的具有优秀光感灵敏度性的单片数字传感器。与传统的光感模块相比，它较好地解决了传统测光器灵敏度低且易受到非可见光干扰的弊端，通过采集光线变化的信息送入主控芯片，从而完成系统的光线感应输入模式。
3 嵌入式系统平台的搭建
本文中采用的上位机是树莓派，其工作环境是基于Linux的定制系统。通过配置系统内部环境和外部多种传感器相连接方便后期数据采集。此设计是通过编程技术实现的，将树莓派强大的数据处理功能加以利用，对下位机上传数据进行分类记录，一方面可以实时作为监测数据通过LED显示屏输出显示，同时也奠定了智能控制的数据基础。利用树莓派配合外部控制器，以采集的数据作为基础，通过一套高效率的控制流程来实现窗户的智能自动控制。
4 Android手机程序开发
本文运用Python语言开发Android手机端程序与智能窗户进行交互。通过手机APP实现对窗户以及移动的控制，动态监测控制系统中的传感器、电机驱动器以及控制网关等设备的运行状态，数据库服务器用来存储天气判断知识和智能窗户的控制策略，并对智能窗户传递回来的数据进行处理。在手机APP的首页中有系统设计、数据信息和窗户控制三个功能键，用户根据窗内外的温湿度、有害气体浓度等参数的测试可在APP主体动态显示和预报提示信息。
5 智能窗户测试结果
通过对本智能系统试运行的过程进行分析，用户可以根据实际情况选择通过Web网页和手机移动终端进行实时控制。实验结果表明：（1）用户可以在任意连接网络了解设备的工作状态以及参数反馈的信息，并通过电脑或移动手机控制设备的开启或关闭；（2）通过树莓派主控板接收数据较多时，系统会及时对数据进行处理，因此监控终端发送控制信息时，依然可以控制各设备的开关；（3）移动终端的页面设计简单，方便使用者的操作。
6 结论
综上所述，本文中设计的智能窗户充分将物联网技术应用到设计中，集成了无线通信协议、智能手机终端进行开发。将各种控制功能集成到移动客户端，可随时随地对窗户进行开关，完成对整个室内空气的通风以及下雨天的关闭。与手机对接，把相关参数发送到使用者的手机上，使人机交互更加灵活、方便。
参考文献
[1]范文良，李兵尚.基于物联网信息平台的智能窗户设计，人工智能，2015.
[2]王茵，李明.基于物联网信息平台的智能窗户设计，数字技术与应用，2017.
[3]蔡康.P2P对等网络原理与应用，科学出版社，2011.
[4]刘蔚柯，吕燕敏，张昆伦.基于物联网的小区天气反馈调节智能窗户系统设计，智能处理与应用，2016.