基于arduino開發(fā)平臺(tái)和單片機(jī)的智能窗戶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目錄TOC\o"1-2"\h\u26649第1章緒論 5306661.1課題研究背景與意義 5144561.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 533571.2設(shè)計(jì)背景 6228671.3設(shè)計(jì)的目的和意義 6111832相關(guān)技術(shù)介紹 839262.1Arduino發(fā)展歷史 854062.2Arduino硬件 8283492.3Arduino軟件開發(fā)平臺(tái) 8269873系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 9188033.1設(shè)計(jì)要求 9176843.2總體設(shè)計(jì)思路 969654模塊設(shè)計(jì) 11105484.1溫濕度采集模塊 11193884.2煙霧識(shí)別模塊 12177984.4無(wú)線傳輸模塊 1479914.5Arduino開發(fā)板 15152134.6輸出模塊 16121905結(jié)論和展望 1827264參考文獻(xiàn) 19摘要：本文介紹了基于Arduino開發(fā)板設(shè)計(jì)的多功能智能窗戶控制系統(tǒng)。本智能窗戶控制系統(tǒng)由兩部分組成，分別是硬件部分與軟件部分，硬件部分有溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、液晶顯示器等模塊。該系統(tǒng)的功能是：輸入的不同語(yǔ)音信號(hào)控制窗戶的開關(guān)，當(dāng)有煙霧、溫度、濕度信號(hào)輸入時(shí)，通過藍(lán)牙傳輸至手機(jī)，同時(shí)具有在不同的溫度、濕度控制窗戶的開關(guān)功能，液晶顯示器可以顯示當(dāng)前溫度，濕度狀況等。軟件部分應(yīng)用ArduinoIDE實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的控制功能，包括狀態(tài)顯示和開關(guān)系統(tǒng)等。關(guān)鍵詞：arduino；溫度檢測(cè)；濕度檢測(cè)；煙霧檢測(cè)；藍(lán)牙1緒論1.1課題研究背景在過去的幾十年里，我國(guó)社會(huì)經(jīng)歷了飛速演變，科技水平也隨之不斷推進(jìn)，人們的物質(zhì)水平以及生活水準(zhǔn)不斷提高，對(duì)家中舒適的要求、便利的需求也在不斷增加，所以當(dāng)下如果能夠設(shè)計(jì)出一款智能窗戶，大大提高了家庭的安全性能，可靠地用它進(jìn)行智能開關(guān)窗戶操作，在極端溫度、濕度以及有煙霧的情況下，可以智能的識(shí)別并對(duì)窗戶進(jìn)行開關(guān)[[][]ChangyuanLiuetal.Designofmonitoringsystemforintelligentwindowsbasedoncloudplatform[J].JournalofPhysics:ConferenceSeries,2020,1656(1):012021-.智能家居控制為我們的家局生活帶來的改變有很多，在現(xiàn)代化家庭中的應(yīng)用也越來越普及，比如智能語(yǔ)音空調(diào)、智能掃地機(jī)器人、智能電視、智能門禁系統(tǒng)等等，這些設(shè)計(jì)出現(xiàn)之后，很大程度上使人們的雙手得以解放，提高生活滿足感。而智能窗戶的設(shè)計(jì)可以方便住戶對(duì)于窗戶開關(guān)的控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度、濕度與煙霧情況，通過檢測(cè)來控制窗戶的開關(guān)[[][]羅懌.基于單片機(jī)控制的智能窗設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊,2015(01):100-102.1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀智能家居是結(jié)合了眾多不同領(lǐng)域的技術(shù)，應(yīng)用在住所上的、方便生活的一個(gè)理念[[][]甘泉,胡桐逢.藍(lán)牙技術(shù)與無(wú)線供電技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2015(03):214-216.在二十世紀(jì)八十年代初期，電子技術(shù)蓬勃發(fā)展，市面上蹦出了許多的使用了結(jié)合電子技術(shù)的家庭生活及集體生活中使用的各種電氣用品用具，例如黑白電視機(jī)、收音機(jī)等等，這樣一來，電子化的建筑物也隨即出現(xiàn)。到后來一些公司將家用電器，通信以及安全裝備這些相互獨(dú)立的功能進(jìn)行合并，隨之形成了住宅自動(dòng)化這一概念。在二十世紀(jì)八十年代末期，隨著電信和信息技術(shù)的提高，蹦出了用于看管和處理居所建筑物中各種電信、家用電器和安全設(shè)備的商業(yè)系統(tǒng)，并且這些系統(tǒng)受到總線技術(shù)的監(jiān)督[[]吳戈特.淺談智能家居的發(fā)展歷史及未來趨勢(shì)[J].建筑監(jiān)督檢測(cè)與造價(jià),2017,10.]，它就被叫作Smarthome[[]吳戈特.淺談智能家居的發(fā)展歷史及未來趨勢(shì)[J].建筑監(jiān)督檢測(cè)與造價(jià),2017,10.[]ChoiWonyoungetal.Smarthomeandinternetofthings:Abibliometicstudy[J].JournalofCleanerProduction,2021,301.智能家居在美國(guó)、西班牙等歐洲國(guó)家最先興起，比較典型的就是著名的比爾蓋茨的豪宅了，這是一棟智能化覆蓋率高達(dá)百分之百的豪宅，結(jié)合安保系統(tǒng)、聲控系統(tǒng)、感光系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等等，這棟豪宅的電器、家具、燈光、門窗、池塘等相關(guān)的工作，每一個(gè)環(huán)節(jié)均是由計(jì)算機(jī)自主計(jì)算并操作完成的。可以說，比爾蓋茨已經(jīng)比我們提前進(jìn)入了人工智能的時(shí)代。這門技術(shù)在日本，最主要就是結(jié)合了智能家居系統(tǒng)與生物識(shí)別技術(shù)，比如將指紋、聲紋、虹膜等加入門禁系統(tǒng)，在進(jìn)入家門時(shí)，將指紋與數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋進(jìn)行比對(duì)，或者站在門前，直接等待虹膜識(shí)別設(shè)備與數(shù)據(jù)庫(kù)里的虹膜庫(kù)存進(jìn)行比對(duì)，整個(gè)過程只需幾秒鐘，便可解鎖[[][]陶娟.智能家居門鎖技術(shù)綜述[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2020(03):162-164.在當(dāng)前背景下，窗戶大多還是由手動(dòng)控制的，并且由人們自己來完成，諸如雨天人不在家、半夜不想起床等等這樣的麻煩情況發(fā)生時(shí)，都需要人工。如果可以有一款自動(dòng)控制的窗戶開關(guān)系統(tǒng)，這在智能家居中是至關(guān)重要的一門技術(shù)，現(xiàn)在的市場(chǎng)迫切需要這么一門技術(shù)，可以結(jié)合人工智能的良好優(yōu)點(diǎn)與窗戶的傳統(tǒng)性能，作為智能家居中不可或缺的一員。窗戶在中國(guó)幾千年的文明發(fā)展中也隨之不斷發(fā)展，在追求其美觀的同時(shí)，人們對(duì)它的性能要求也在不斷的提高。窗戶從一開始的只有窗格，到后來封建社會(huì)出現(xiàn)了各種各樣的紙糊窗戶，這種窗戶雖然美觀，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了人們對(duì)窗戶安全、保暖等使用性能的要求。到現(xiàn)在現(xiàn)代工業(yè)文明的發(fā)展，出現(xiàn)了玻璃、金屬等現(xiàn)代化材料，窗戶開始裝上窗框、玻璃等，大大滿足了其實(shí)用性的需求。再到后來陸續(xù)出現(xiàn)了推拉式的開關(guān)窗戶，以及更加方便開關(guān)的平開窗，窗戶在為了方便大眾不斷地推進(jìn)演變中。而在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，人工智能開始與人類生活密切相關(guān)。隨著智能家居的提出，其在市場(chǎng)越加普及，可以實(shí)現(xiàn)很多功能，例如實(shí)現(xiàn)對(duì)于燈光、窗簾、空調(diào)等等的控制，可以通過遙控等控制設(shè)備對(duì)燈光顏色、亮度等進(jìn)行調(diào)控，對(duì)會(huì)客、就寢等多功能燈光系統(tǒng)；還可以使用藍(lán)牙、語(yǔ)音控制、時(shí)間控制或者遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)控制及網(wǎng)絡(luò)等手段與方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行多種控制，從而達(dá)到各種目的，以提供人們方便、安逸的更好的生活方式，這些功能都帶給人們?cè)S多的便利。同時(shí)，隨著人們居住環(huán)境的升級(jí)，人們?cè)絹碓街匾曌约旱膫€(gè)人隱私、安全和財(cái)產(chǎn)安全等，稍有不注意，人們?nèi)菀淄浖词龟P(guān)閉窗戶，這樣一來，通過遠(yuǎn)程鍵控，可以實(shí)時(shí)控制窗戶開關(guān)，同時(shí)起到安防報(bào)警的作用，這樣可以加強(qiáng)家內(nèi)財(cái)產(chǎn)安全，提高生活品質(zhì)。一款合適的智能窗戶開關(guān)控制系統(tǒng)，不僅可以帶來便利，同時(shí)可以起到智能檢測(cè)的作用，使人們不必因?yàn)殚_窗、關(guān)窗這一小事物而苦惱，做到就像智能開關(guān)空調(diào)一樣方便，用手機(jī)便可以輕松達(dá)到想要的效果。1.3設(shè)計(jì)的目的和意義我國(guó)經(jīng)歷了改革開放到全面建成小康的飛速發(fā)展，科技水平也隨之不斷推進(jìn)，人們的物質(zhì)水平以及生活水準(zhǔn)不斷提高，對(duì)住宅的舒適度、便利度的要求也不斷提高，智能窗戶的出現(xiàn)可以大大提高家庭的安全性能，可靠地用它進(jìn)行智能開關(guān)窗戶操作，在極端溫度、濕度以及有煙霧的情況下，可以智能的識(shí)別并對(duì)窗戶進(jìn)行開關(guān)，這樣一來既提升了效率，使人們可以安心睡眠，或者是安心工作，還可以確保家庭財(cái)產(chǎn)不會(huì)受損丟失，提高家庭的安全防范強(qiáng)度。智能窗戶系統(tǒng)通常是指配備有警報(bào)、防盜、智能感應(yīng)以及自動(dòng)開關(guān)等的系統(tǒng)，它們廣泛用于公共場(chǎng)所，例如豪華商業(yè)住宅，大型購(gòu)物中心和各種各樣的娛樂場(chǎng)所。而智能窗戶在家居方面同樣是極佳的選擇，當(dāng)前情況下全球變暖、核污染導(dǎo)致生物和環(huán)境問題、惡劣天氣等問題越來越嚴(yán)峻，智能窗戶這樣的智能控制家居系統(tǒng)迅速成為人們關(guān)注研究的熱點(diǎn)?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的智能家居系統(tǒng)很少有涉及到窗戶這一方面的，普通窗戶已經(jīng)不能滿足諸多在安全、性能方面的要求，比如對(duì)火以及盜竊的防范。若單純手動(dòng)藍(lán)牙控制開關(guān)，達(dá)不到智能檢測(cè)的效果，若全靠人工手動(dòng)，做不到面面俱到，偶有不便時(shí)，就可能會(huì)產(chǎn)生許多麻煩后果。采用上文的設(shè)計(jì)思想，可以在現(xiàn)有的智能窗戶基礎(chǔ)上加上溫度、濕度、煙霧等傳感元件，裝入語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，通過語(yǔ)音控制，裝入藍(lán)牙系統(tǒng)，通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制等。這樣一來，一款窗戶可以同時(shí)擁有多種功能，不僅方便家庭住戶，還可以起到保護(hù)財(cái)產(chǎn)安全的作用。同時(shí)，在窗戶上裝上液晶顯示屏，可以顯示收集到的當(dāng)時(shí)溫度、濕度等等，保證了智能窗戶更加的可觀、高效。所以設(shè)計(jì)一款智能窗戶控制系統(tǒng)可以使人們不必經(jīng)常走到窗戶旁邊，不僅可以提高睡眠質(zhì)量，還可以提高家庭安防強(qiáng)度，既促進(jìn)了人們健康睡眠，還提高了每個(gè)家庭生活質(zhì)量，提高了生活幸福感，使家庭住戶控制窗戶更加方便。本文設(shè)計(jì)的多功能窗戶開關(guān)系統(tǒng)是通過由Arduino這一類單片機(jī)控制的，具有許多模塊的系統(tǒng)。溫度與濕度檢測(cè)系統(tǒng)：根據(jù)室內(nèi)最適宜的生活溫度來設(shè)定，當(dāng)室內(nèi)溫度高于一定值時(shí)便打開窗戶以便通風(fēng)，夏季高于一定溫度值時(shí)關(guān)閉窗戶以便住戶打開空調(diào)，若低于一定溫度適當(dāng)調(diào)整窗戶大小，如全開、半開，甚至在溫度過低時(shí)關(guān)閉。而當(dāng)室內(nèi)濕度達(dá)到一定高度時(shí)，調(diào)節(jié)窗戶大小，控制室內(nèi)濕度，也可以設(shè)置合適的濕度范圍，如考慮老人和小孩適合的不同濕度值，選擇合適的濕度范圍進(jìn)而控制窗戶開關(guān)大小。煙霧檢測(cè)系統(tǒng)：通過檢測(cè)空氣中煙霧濃度等，檢測(cè)是否可能有濃煙、火災(zāi)等情況存在，可以通過藍(lán)牙連接到手機(jī)，使戶主實(shí)時(shí)了解住處的具體情況，若有煙霧感應(yīng)，則通過藍(lán)牙系統(tǒng)通知主人，讓住戶通過查看自家安裝的監(jiān)控做出相應(yīng)處理。由于火災(zāi)具有諸多不可控因素，最好由人作出判斷，及時(shí)報(bào)警減少損失，用藍(lán)牙連接APP，以便戶主可以根據(jù)情況作出判斷及時(shí)處理。這樣一來增加的家庭的安全性，減少會(huì)引起的損害。該款多功能窗戶控制系統(tǒng)比同類型的功能更多一些，安全性能更高，作用性也更強(qiáng)。因此該產(chǎn)品在市場(chǎng)上具有良好的發(fā)展前景，具有潛在的市場(chǎng)空間和使用價(jià)值。2相關(guān)技術(shù)介紹2.1Arduino發(fā)展歷史2005年的冬天，意大利一名老師MassimoBanzi與一名西班牙晶片工程師DavidCuartielles本著設(shè)計(jì)出一款便宜又好用的微控制器的原則，耗時(shí)幾天設(shè)計(jì)就出了電路板，并且引用了其學(xué)生設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言[[][]孟萌.基于Arduino的數(shù)據(jù)采集器研究[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016(04):87-88Arduino的編程語(yǔ)言是基于Wiring所設(shè)計(jì)出來的，當(dāng)中的大部分程序語(yǔ)言也是根據(jù)C和C++一部分?jǐn)?shù)據(jù)來完成。因此，基于此平臺(tái)利用合理的編程手段即可設(shè)計(jì)出理想的產(chǎn)品，讓其在機(jī)器人技術(shù)發(fā)展中做出卓越的貢獻(xiàn)。換句話來講，這個(gè)產(chǎn)品就是作者團(tuán)隊(duì)提供一個(gè)開放性的平臺(tái)給大眾，讓任何的富有創(chuàng)造力與想象力的人，均可以依靠自己的創(chuàng)意，利用此平臺(tái)搭建一個(gè)理想的項(xiàng)目，創(chuàng)造出任何想要的東西出來。而且如果可以利用好此平臺(tái)，不需要任何高級(jí)編程知識(shí)與技術(shù)，運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)即可輕松學(xué)會(huì)。2.2Arduino硬件Arduino的硬件開發(fā)平臺(tái)是依靠AVR單片機(jī)進(jìn)行搭建的，它有許多種開發(fā)板，比較常用的硬件版本有ArduinoUNO[[]MSaravanan1,BSelvababu1,AnandhuJayan2AngithAnand2andAswinRaj.ArduinoBasedVoiceControlledRobotVehicle[J].IOPConferenceSeries:MaterialsScienceandEngineering,2020,993(2020)012125.]和Arduinomega，其中ArduinoUNO是比較普普通通的一種，有很多有關(guān)的擴(kuò)展板，它本身有一個(gè)USB轉(zhuǎn)串口，[]MSaravanan1,BSelvababu1,AnandhuJayan2AngithAnand2andAswinRaj.ArduinoBasedVoiceControlledRobotVehicle[J].IOPConferenceSeries:MaterialsScienceandEngineering,2020,993(2020)012125.AdruinoUNO是放置在微芯片ATmega328p微控制器上并由Adruino.cc開發(fā)的開源微控制器板。該開發(fā)板的引腳眾多，其中模擬輸入有六個(gè)，數(shù)字輸入輸出有十四個(gè)（這里面有六個(gè)引腳是可以用作為脈沖寬度調(diào)制輸出），可通過B型USB數(shù)據(jù)線連接或者外部主伏電池供電，并且使用AdruinoIDE進(jìn)行編程，電源自主選擇。Arduinouno開發(fā)板的所有數(shù)字引腳工作電壓均在+5v。每個(gè)引腳都可以提供或者收到高達(dá)40毫安的電流，內(nèi)部的上拉電阻為二十到五十千歐。其中，具有特殊功能的引腳分別有：①RX和TX，它們分別是為0和1的引腳，用于接收RX和發(fā)送TX串行數(shù)據(jù)。②2、3引腳，為外部中斷。3、5、6、9、10、11引腳提供的是脈沖寬度調(diào)制輸出。③13引腳連接著一個(gè)內(nèi)置式的LED，引腳輸出為高時(shí)，LED燈亮，引腳輸出值為低時(shí)，LED燈關(guān)閉。有六個(gè)模擬輸入，分別為A0~A5。[[][]李永華.Arduino開源硬件概論[M].北京：清華大學(xué)出版社,2019:8-122.3Arduino軟件開發(fā)平臺(tái)與一般的單片機(jī)相比，Arduino不僅擁有硬件開源平臺(tái)，同時(shí)還擁有屬于自己的軟件開發(fā)平臺(tái)，即ArduinoIDE。Arduino的軟件平臺(tái)具有許多優(yōu)點(diǎn)，正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，Arduino平臺(tái)才能夠廣泛的被大眾所應(yīng)用。此軟件的開放源代碼都可以免費(fèi)下載，再根據(jù)自己的需要進(jìn)行修改，而且語(yǔ)言豐富，能夠滿足很多設(shè)計(jì)需求。而且這個(gè)軟件開發(fā)平臺(tái)可以與其他編譯軟件比如LINUX、MacOS等等跨平臺(tái)使用，是主要面對(duì)Arduino開發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)的一款軟件[[]趙琨.基于Arduino的云平臺(tái)智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].華中師范大學(xué),2020.]。這款開發(fā)平臺(tái)界面簡(jiǎn)單，操作容易上手，且變成語(yǔ)言與其他語(yǔ)言都是互通的，軟件和庫(kù)文件等均是開源，所以用Arduino進(jìn)行設(shè)計(jì)的人們均會(huì)考慮使用此開源軟件。它的工作過程是使用者通過它進(jìn)行編譯時(shí)先將語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為C++，再通過AVT-GCC將編譯語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為一串二進(jìn)制字符，硬件即可識(shí)別與運(yùn)行。最后這串代碼通過USB接口與Arduino進(jìn)行連接、上傳、存儲(chǔ)[[]趙琨.基于Arduino的云平臺(tái)智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].華中師范大學(xué),2020.[]MarwaF.Areed.AkeylessEntrySystembasedonArduinoboardwithWi-Fitechnology[J].Measurement,2019,139:34-39.在首次使用ArduinoIDE的時(shí)候，需要通過USB數(shù)據(jù)線將Arduino開發(fā)板連接到電腦上，且事先要在PC端下載相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)再對(duì)其進(jìn)行程序編寫，編寫好的程序即可以在開發(fā)板上使用，只需要提前設(shè)置好端口就可以了。Arduino還有自己的圖形化編程軟件，使用圖形就可以設(shè)計(jì)好一個(gè)程序，使用起來簡(jiǎn)單又直觀，不需要使用者擁有很多高級(jí)的編程基礎(chǔ)，就可以很好地利用這一開源產(chǎn)品。3系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)要求利用arduino開發(fā)板、LCD1602液晶顯示屏、溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)，煙霧檢測(cè)模塊、藍(lán)牙模塊等設(shè)計(jì)一個(gè)智能窗戶控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的硬件部分由單片機(jī)最小系統(tǒng)、液晶顯示電路等電路組成。3.2總體設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)采用模塊設(shè)計(jì)的方法，同時(shí)具有軟件和硬件兩個(gè)部分，硬件以Arduino開發(fā)板為核心設(shè)計(jì)一款智能窗戶控制系統(tǒng)，用繼電器和溫、濕度、煙霧傳感器等實(shí)現(xiàn)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、濕度、煙霧來進(jìn)行控制智能窗戶的工作，從而達(dá)到智能調(diào)節(jié)窗戶開關(guān)的目的，同時(shí)還可以通過語(yǔ)音控制窗戶的開關(guān)，并通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)同步信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本設(shè)計(jì)的軟件部分由Arduinoide進(jìn)行編程，并輸入各個(gè)傳感器模塊中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。如果要實(shí)現(xiàn)以上的功能，需要分為四部分進(jìn)行，即輸入部分、處理部分。傳輸部分和輸出部分。本設(shè)計(jì)的輸入部分采用得是溫濕度傳感器DHT11，可以利用此傳感器的功能讀取環(huán)境中的溫濕度值并傳輸至開發(fā)板；傳輸部分使用Arduino開發(fā)板實(shí)現(xiàn)，輸出部分使用LCD1602顯示屏和繼電器開關(guān)[[][]李永華.Arduino項(xiàng)目開發(fā)[M]：智能家居.北京：清華大學(xué)出版社，2020：1-368.舵機(jī)舵機(jī)Arduino開發(fā)Arduino開發(fā)平臺(tái)煙霧傳感器繼電器繼電器LCD1602顯示屏DHT11溫濕度傳感器LCD1602顯示屏DHT11溫濕度傳感器手機(jī)藍(lán)牙模塊手機(jī)藍(lán)牙模塊圖2-1對(duì)于本設(shè)計(jì)的考慮有如下幾條：室內(nèi)溫度在20°C到28°C是比較宜居的溫度，涼爽又不極端，當(dāng)溫度高于28°C可以關(guān)閉窗戶，由住戶自行選擇打開空調(diào)，或者用藍(lán)牙系統(tǒng)再次對(duì)窗戶開關(guān)進(jìn)行操作；由于過熱不通風(fēng)的房間，濕度會(huì)比較低，引起皮膚的干燥，對(duì)皮膚有不良刺激作用，可以打開窗戶進(jìn)行通風(fēng)；夜間屋內(nèi)沒有陽(yáng)光照射，屋外暖的濕氣進(jìn)入房間內(nèi)后，會(huì)導(dǎo)致屋內(nèi)溫度過低，且瓷磚地板等地面會(huì)凝結(jié)水珠，對(duì)其造成小程度的損害。當(dāng)夏季房屋外側(cè)的溫度較高，而室內(nèi)濕度更高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)悶熱，可以打開窗戶利用外面高溫干燥的空氣與室內(nèi)低溫潮濕的空氣交換。且夏季室內(nèi)最適宜的溫度與濕度分別為23°C到28°C、30%到60%；當(dāng)冬季房屋外側(cè)溫度較低，屋內(nèi)濕度較大時(shí)，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)導(dǎo)致屋內(nèi)細(xì)菌滋生，不利于人體的呼吸道，需要打開窗戶進(jìn)行通風(fēng)。且冬季室內(nèi)最適宜的溫度與濕度分別為18°C到25°C、30%到80%；研究表明，氣溫等于10°C時(shí)為一個(gè)臨界值，當(dāng)氣溫大于10°C，由于空氣中的濕度與體感溫度呈正相關(guān)關(guān)系，濕度越高則體感溫度越熱；當(dāng)氣溫等于10°C時(shí)，濕度對(duì)體感溫度無(wú)影響；當(dāng)氣溫小于10°C時(shí)，濕度與體感溫度呈負(fù)相關(guān)，濕度越低，越暖和[[][]劉璟瑜.空氣濕度和風(fēng)對(duì)體感溫度的影響[J].河南氣象461000,2003,1673-7148.六、雨天的濕度如果高于百分之八十是過高的情況，故關(guān)閉窗戶七、當(dāng)屋內(nèi)有煙霧出現(xiàn)，因?yàn)樾枰斯づ懦欠裼苫馂?zāi)造成（因火災(zāi)時(shí)不應(yīng)開窗，會(huì)導(dǎo)致火勢(shì)加大），先將煙霧情況發(fā)送至手機(jī)，由主人感知是何煙霧再用藍(lán)牙操作確認(rèn)是否打開窗戶。綜合以上幾點(diǎn)考慮可以對(duì)開發(fā)板的功能進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：溫度高于28°C且低于20°C：關(guān)閉窗戶；溫度高于28°C且濕度高于60%：打開窗戶；溫度低于18°C且濕度高于60%：打開窗戶；四、濕度高于80%：關(guān)閉窗戶；五、傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸至手機(jī)端，方便實(shí)時(shí)查看；4模塊設(shè)計(jì)4.1溫濕度采集模塊（1）性能特點(diǎn)一般情況下，溫度和濕度對(duì)空氣，對(duì)居家舒適程度的影響占了不少的比例，利用一種溫度和濕度的傳感器對(duì)當(dāng)下空氣中的水分含量、溫度等進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，可以傳達(dá)指令給單片機(jī)，再根據(jù)當(dāng)下數(shù)據(jù)的值進(jìn)行操作，濕度、溫度過高都會(huì)關(guān)閉窗戶[[][]YongchaoYi,YiYongchao,?ShiHenghua.TheCloudPlatformofMaintenanceandSupervisionofIntelligentPottedPlantsBasedonArduino[J].IOPConferenceSeries:MaterialsScienceandEngineering,Volume598,Issue1.2020.PP012109-.溫濕度檢測(cè)主要應(yīng)用于采集周圍環(huán)境的溫度與濕度，以便單片機(jī)處理信息傳達(dá)指令。本設(shè)計(jì)采用的傳感器是DHT11，是一種以數(shù)字形式輸出的傳感器，這個(gè)傳感器即可以對(duì)溫度檢測(cè)，也可以對(duì)濕度進(jìn)行檢測(cè)，這樣可以提高效率，其制作成本較低、反應(yīng)速度較快、性能較好、信號(hào)傳輸?shù)木嚯x也比較長(zhǎng)。[[]侯杰,楊斌,劉澤準(zhǔn),王懿品.基于Arduino的智慧濕地檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2020,10(12).]這是具有校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫度和濕度傳感器，包括專業(yè)的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫度和濕度傳感器模塊。濕度測(cè)量范圍在環(huán)境溫度為零度時(shí)，為百分之三十到百分之九十相對(duì)濕度，環(huán)境溫度為二十五度時(shí)，濕度測(cè)量范圍為百分之二十到百分之九十相對(duì)濕度，而溫度在五十度的時(shí)候時(shí)，測(cè)量范圍是百分之二十到百分之八十相對(duì)濕度。[]侯杰,楊斌,劉澤準(zhǔn),王懿品.基于Arduino的智慧濕地檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2020,10(12).[]張亮.輕松玩轉(zhuǎn)Arduino[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.1:1-244圖4-1溫濕度傳感器溫濕度傳感器DHT11的相關(guān)參數(shù)如下：①其工作電壓在DC3~5.5v②靜態(tài)電流100~150uA③平均電流0.2~1mA④測(cè)量電流0.5~2.5mA⑤采樣周期大于等于1⑥引腳有GND,VCC,DATA等。其通過DATA信號(hào)進(jìn)行與微處理器之間的通信與同步。數(shù)據(jù)輸送過程中的完整過程有：“8比特濕度整數(shù)部分?jǐn)?shù)值+8比特濕度小數(shù)數(shù)值+8比特溫度整數(shù)部分?jǐn)?shù)值+8比特溫度小數(shù)部分?jǐn)?shù)值+8比特檢驗(yàn)和”]。如果它的數(shù)據(jù)傳輸是正確的話，最后結(jié)果即為由上述式子所得到結(jié)果的最后八位數(shù)字。DHT11傳感器與Arduino開發(fā)板之間的控制信號(hào)與輸入信號(hào)的傳輸過程：Arduino先發(fā)出“開始信號(hào)”指令，DHT11接受指令，隨后從低功耗模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚倌Ｊ?，開始采集溫度與濕度信息，直到Arduino“開始信號(hào)”指令結(jié)束時(shí)，DHT11發(fā)出響應(yīng)信號(hào)，并傳輸四十比特的數(shù)據(jù)到開發(fā)板。DHT11發(fā)出的響應(yīng)信號(hào)為0和1[[]戴風(fēng)智.[]戴風(fēng)智.Arduino輕松入門[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.11.圖4-2數(shù)字信號(hào)“0”的表示 圖4-3數(shù)字信號(hào)“1”的表示DHT11傳感器的原理很簡(jiǎn)單，使用起來較為方便且實(shí)用，可以同時(shí)進(jìn)行溫度與濕度的采集，如此一來，便不用分別始用兩個(gè)不同的傳感器來進(jìn)行溫度、濕度的采集，減少線路的復(fù)雜性，提高了工作效率。（2）電路原理DHT11電路原理如圖4-4所示。圖4-4DHT電路原理圖（3）模塊連接DHT11引腳說明以及與ArduinoUNOR3的連接如表4-5所示。產(chǎn)品名稱ArduinoUNOR3引腳DHT11引腳引腳作用DHT11溫濕度傳感器數(shù)字I/O口DATADC3~5v正極，+5VVCC串行數(shù)據(jù)，單腳線接地，電源負(fù)極GND接地，電源負(fù)極懸空NC空腳表4-5DHT11模塊連接4.2煙霧識(shí)別模塊家庭住戶日常活動(dòng)中，如果有做飯油煙過大，或當(dāng)其他什么異常情況引起的煙霧時(shí)，若窗戶沒有打開，會(huì)因?yàn)闊熿F停留過久，不嚴(yán)重的話可能只會(huì)感覺到嗆，若嚴(yán)重了還可能對(duì)皮膚和呼吸道造成傷害，當(dāng)感受到煙霧時(shí)若能加入一個(gè)可以自動(dòng)打開窗戶的控制系統(tǒng)，可以更好地為生活提供方便。本設(shè)計(jì)的煙霧識(shí)別系統(tǒng)采用的是MQ-2煙霧傳感器，它可以用于檢測(cè)房間內(nèi)的煙霧濃度，如果空氣中的煙霧濃度過高，則可以通過arduino系統(tǒng)藍(lán)牙可以傳輸至手機(jī)，以供主人即時(shí)查看，再通過手機(jī)進(jìn)行開關(guān)窗戶的操作。（1）MQ-2煙霧傳感器簡(jiǎn)介MQ-2常用于家庭或者工廠危險(xiǎn)氣體泄漏的檢測(cè)，它可以對(duì)苯、液化的氣體、乙醇液體、氫氣等危險(xiǎn)氣體的檢測(cè)，也可以用于煙霧濃度的檢測(cè)，功能眾多。如圖4-6所示為煙霧傳感器MQ-2的實(shí)物圖。圖4-6煙霧傳感器（2）工作原理MQ-2煙霧傳感器是一種基于二氧化錫半導(dǎo)體的氣體敏感材料。當(dāng)溫度處于200度到300度的時(shí)候，SnO2（二氧化錫）就可以吸附空氣中的氧，并會(huì)吸收負(fù)氧離子，降低了半導(dǎo)體中的電子密度，這樣電阻值就會(huì)因此而增加。當(dāng)MQ-2感受到一些能感受到的有害氣體之后，傳感器表面的導(dǎo)電率就會(huì)變化，利用這一點(diǎn)就可以獲得特殊氣體存在的信號(hào)，即有可能會(huì)有煙霧，如果煙霧的濃度逐漸升高，導(dǎo)電率就會(huì)隨之變高，進(jìn)而輸出電阻變低，則輸出模擬信號(hào)的值就會(huì)越大[[][]沈聰,紀(jì)志堅(jiān).基于STC89C52的倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2018,31(09):152-153.圖4-7MQ-2結(jié)構(gòu)圖（3）模塊連接MQ-2煙霧傳感器與ArduinounoR3引腳連接如表4-8所示。模塊名稱MQ-2引腳引腳作用ArduinounoR3引腳MQ-2煙霧傳感器A0（模擬量輸出管腳）模擬信號(hào)輸出模擬I/O口A0Vcc正極5v正極，+5vGND接地接地，電源負(fù)極表4-8MQ-2引腳連接4.3無(wú)線傳輸模塊藍(lán)牙技術(shù)是一種標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備，移動(dòng)設(shè)備和建筑物個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)之間較為短距離的數(shù)據(jù)之間的交換[[]楊鑫,程雨鑫,石晶,富曉乾,李穎,戎劍忠.基于Arduino與HC-06設(shè)計(jì)安防系統(tǒng)[J].電子世界,2020(20):162-163.[]楊鑫,程雨鑫,石晶,富曉乾,李穎,戎劍忠.基于Arduino與HC-06設(shè)計(jì)安防系統(tǒng)[J].電子世界,2020(20):162-163.這里的無(wú)線模塊使用藍(lán)牙技術(shù)，將Arduino開發(fā)板與手機(jī)之間進(jìn)行通信，在手機(jī)APP上檢測(cè)窗戶打開狀況，溫度、濕度等情況。還可以使用手機(jī)進(jìn)行控制窗戶的開啟與關(guān)閉。（1）HC-06藍(lán)牙模塊藍(lán)牙模塊可以選擇的有HC-05、HC-06等，它們都是主從一體化的藍(lán)牙串口模塊，其中HC-05功能更齊全，指令豐富，而HC-06的指令少于前者，但是使用起來更加簡(jiǎn)單，且HC-06的功能完全可以滿足本設(shè)計(jì)所需，故這里采用HC-06藍(lán)牙模塊來進(jìn)行藍(lán)牙傳輸[[]魏平俊,楊潔,胥浩陽(yáng).基于單片機(jī)的藍(lán)牙加密密碼鎖的設(shè)計(jì)[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào),2018,29(06):66-69+74.]。[]魏平俊,楊潔,胥浩陽(yáng).基于單片機(jī)的藍(lán)牙加密密碼鎖的設(shè)計(jì)[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào),2018,29(06):66-69+74.圖4-9Hc-06Android應(yīng)用程序連接到藍(lán)牙模塊HC-06，HC-06再直接連接到ArduinoUnoR3。當(dāng)我們給智能窗戶控制系統(tǒng)一個(gè)命令，它根據(jù)給定的命令執(zhí)行工作。藍(lán)牙模塊分為主機(jī)和從機(jī)，也就是這里的手機(jī)與Arduino開發(fā)板，主機(jī)可以用來搜索設(shè)備，而從機(jī)不可以主動(dòng)搜索只可以接受搜索請(qǐng)求進(jìn)行連接。其功能特性如下：①無(wú)線傳輸模塊的供電電壓：3.3~3.6v；②默認(rèn)參數(shù)：波特率9600，配對(duì)碼2333，工作模式：從機(jī)；③工作電流：小于等于50mA；④空曠條件下10M，一般情況8M；⑤用于連接藍(lán)牙筆記本電腦或者手機(jī)等。（2）藍(lán)牙串口APP模塊這種藍(lán)牙串口APP是一種可以用來通信的通信工具，它可以與任何能夠進(jìn)行串行端口模式的設(shè)備（例如：手機(jī)、計(jì)算機(jī)、單片機(jī)以及Arduino開發(fā)板等等）進(jìn)行連接，可以搜索到藍(lán)牙設(shè)備，還可以自定義設(shè)置按鍵、功能。使用方法：在手機(jī)上面下載并且安裝這個(gè)藍(lán)牙串口軟件，打開此手機(jī)與之進(jìn)行配對(duì)，通過APP搜索到HC-06并進(jìn)行連接即可。模塊連接HC-06與ArduinounoR3的連接如下表4-10所示。模塊名稱HC-06引腳ArduinounoR3引腳HC-06模塊TX端串行8端RD端串行9端VCC正極，+5vGND接地表4-10HC-06模塊連接4.4Arduino開發(fā)板本實(shí)驗(yàn)是以Arduino開發(fā)板為云平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，Arduino是一種比較成功的開源產(chǎn)品，即研發(fā)、設(shè)計(jì)到投入市場(chǎng)均是開放于公眾所了解的，它的硬件、電路、尺寸、細(xì)節(jié)、軟件、源代碼都是開放給公眾所學(xué)習(xí)的，所以用它進(jìn)行此程序的設(shè)計(jì)更加方便，更加便利，而且很適合做不同類型的控制系統(tǒng)。在這里選用的是Arduino中的ArduinoUNOR3[[][]于洲波,張宇,高天勝,林盛昌.基于Arduino-uno的智能路燈控制系統(tǒng)[J].決策探索（中）.2020,(11).4-11ArduinounoR3下圖4-12所示為ArduinounoR3的原理圖，原理圖也是開源的，個(gè)人或者團(tuán)體均可對(duì)其進(jìn)行完善修改。4-12ArduinounoR3原理圖Arduino的軟件部分即ArduinoIDE，使用的代碼靈活性很強(qiáng)，與我們熟悉的C/C++很是相似，可以靈活變通，用軟件進(jìn)行對(duì)每個(gè)模塊的程序編寫，再通過USB寫入各個(gè)模塊的傳感器等元件內(nèi)，便可以進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。4.5輸出模塊（一）液晶顯示屏當(dāng)下環(huán)境測(cè)出的溫度、濕度、煙霧情況可以通過液晶顯示屏進(jìn)行輸出，以便看見當(dāng)前輸出值，也方便在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的時(shí)候，查看是否按設(shè)定程序執(zhí)行。輸出顯示模塊采用LCD液晶顯示屏中的1602字符液晶顯示，顯示文字是其最常用的一種[[]聶典，張勇，呂秋平.Arduino開發(fā)實(shí)例：基于lowCode5平臺(tái)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.7.[]聶典，張勇，呂秋平.Arduino開發(fā)實(shí)例：基于lowCode5平臺(tái)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.7.（1）性能介紹LCD1602液晶，也叫1602字符型液晶，是一種工業(yè)字符型液晶，可以同時(shí)顯示三十二個(gè)符號(hào)，是一種專門用來顯示字符、數(shù)字、特殊標(biāo)記的點(diǎn)陣型液晶模塊[[]孟凡姿,謝凱,楊宇超,邢仁杰.基于單片機(jī)的智能濕度澆花系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].通訊世界,2018(04):294-295.[]孟凡姿,謝凱,楊宇超,邢仁杰.基于單片機(jī)的智能濕度澆花系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].通訊世界,2018(04):294-295.圖4-13LCD1602液晶顯示屏（2）模塊參數(shù)：①可以顯示32個(gè)字符；②芯片工作電壓在4.5~5.5V；③芯片的工作電流為2.0mA（5.0V）；④最佳工作電壓為5.0V；⑤字符尺寸：2.95*4.35（W*H）mm。LCD1602指令與時(shí)序說明如表4-14所示：表4-14LCD1602指令LCD1602可以與Arduino進(jìn)行連接，當(dāng)與Arduino進(jìn)行鏈接之后，在數(shù)據(jù)線上傳輸數(shù)據(jù)時(shí)一般要延遲一會(huì)，在數(shù)據(jù)線上進(jìn)行一段時(shí)間的傳輸，保證Arduino接收成功，其基本操作時(shí)序如表4-15所示：4-15基本操作時(shí)序表（3）模塊連接如圖4-16所示為L(zhǎng)CD1602與ArduinounoR3的引腳連接。模塊名稱LCD1602引腳ArduinounoR3引腳LCD1602SDASDASCLSCLVCC正極，+5vGND接地圖4-16LCD1602模塊連接（二）繼電器（1）性能介紹繼電器是一種電控制元器件，當(dāng)輸入的量即激勵(lì)量達(dá)到額定設(shè)置的值時(shí)，輸出量（響應(yīng)）便會(huì)發(fā)生一定額度的階躍，即被控量導(dǎo)通或截?cái)?。繼電器的原理是小電流去控制大電流電器，它具有控制系統(tǒng)與被控制系統(tǒng)[[][]范學(xué)東.繼電器、斷路器、交流接觸器在100kW發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用[J].科技與創(chuàng)新,2015(03):90-91.閾值比較器是一種通過比對(duì)輸入電壓與電流值量的大小，控制輸出端以輸出不同電壓結(jié)果的一種電子元器件。本設(shè)計(jì)采用閾值比較器與繼電器的輸出控制窗戶開關(guān)系統(tǒng)控制其打開與關(guān)閉。為了保證室內(nèi)的溫度濕度在預(yù)想的溫度范圍內(nèi)，符合室內(nèi)環(huán)境體感舒適度，將設(shè)定值傳輸給單片機(jī)，并且在單片機(jī)上對(duì)所收集到的溫度與濕度等傳感器信號(hào)進(jìn)行處理[[][]謝艦鋒.物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)溫度智能控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].電子設(shè)計(jì)工程,2018,26(16).溫度與濕度傳感器通過閾值比較器將收集到的溫度與濕度值與提前設(shè)定好的兩個(gè)最高閾值與最低閾值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)濕度或溫度大于最高閾值的時(shí)候，比較器的DO引腳輸出高電平，繼電器工作，使窗戶打開，當(dāng)濕度或溫度低于最低閾值的時(shí)候，比較器的DO引腳輸出低電平，繼電器工作，使窗戶關(guān)閉。（2）電路原理如圖4-17所示為閾值比較器最小單元電路。圖4-17閾值比較器（3）模塊連接如表4-18所示為繼電器與ArduinounoR3的模塊連接。模塊名稱繼電器引腳ArduinounoR3引腳繼電器VCC正極，+5vIN1PWM引腳GND接地，負(fù)極表4-18繼電器模塊連接（三）舵機(jī)本實(shí)驗(yàn)主要用一個(gè)舵機(jī)控制窗戶的開關(guān)。舵機(jī)的組成部分有外殼，印刷電路板，無(wú)芯電動(dòng)機(jī)，齒輪和位置傳感器等。它的運(yùn)行原理是接收器將信號(hào)傳達(dá)到轉(zhuǎn)向器，電路板上的IC確定扭轉(zhuǎn)角度，然后通過操作無(wú)芯電動(dòng)機(jī)，使它轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力通過減速齒輪傳遞到擺臂，再由位置傳感器將信號(hào)傳達(dá)回來，檢查是否到達(dá)位置。舵機(jī)的型號(hào)大小有很多種，在選擇型號(hào)大小的時(shí)候主要需要著手的是扭矩。如何符合規(guī)則地選擇符合需求的舵機(jī)，也是一個(gè)值得仔細(xì)思考的問題。本設(shè)計(jì)選用的是MG996R，最大旋轉(zhuǎn)角度為180°，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)之后，通過規(guī)定設(shè)計(jì)的閾值對(duì)其進(jìn)