单片机节能窗的自动控制功能的研发

摘 要

　　本论文主要针对湖州旭伟节能门窗有限公司早期产品遇到的问题，如节能保温效果较差、控制方式比较单一，不能实现远程控制及成本过高等，设计一种能实现自动控制、手动遥控和手机短信控制的节能窗控制系统。本文主要完成了如下工作：

　　1. 采用 ATmega8 芯片开发了节能窗主控制器，设计了节能窗主控制电路、温湿度和光照度采集电路、百叶窗卷帘电机驱动电路、百叶窗步进电机控制电路，研究了一种模糊控制方法以调节百叶窗翅片开度，编写了节能窗控制程序，实现了节能窗自动控制功能。

　　2. 采用 STC15W201S 单片机设计了遥控电路，编写了 433MHZ 射频通信和控制程序，实现了节能窗卷帘的手动遥控功能。

　　3. 采用 MiniSTM32 单片机开发板、SIM900A GSM 通讯模块，编写了短信收发程序和人机界面程序，结合节能窗主控制器实现节能窗手机短信控制功能，以及密码设置，模式设置和控制设置等功能。

　　4. 最后对节能窗进行了性能测试，对节能指标和节能性能进行了分析；并对本设计进行了总结和展望。

　　关键词：节能窗，单片机，模糊控制，GSM,射频通信

ABSTRACT

　　This thesis is mainly aimed at the problems encountered in the early products of Huzhou Xuwei Energy-saving Doors and Windows Co., Ltd., such as poor energy saving and heat preservation effect, simple control mode, unrealizable remote control and high cost. In this thesis, it aims to design an energy-saving window control system that can realize automatic control and remote manual control, and meanwhile a control system of energy-saving doors and windows based on GSM remote mobile phone text message control. The main contributions are as follows.

　　1. The main controller of energy-saving window was developed by using ATmega8 chip. The main control circuit of energy-saving window, temperature and humidity acquisition circuit, illumination acquisition circuit, shutter motor drive circuit and shutter motor control circuit were designed for it. A fuzzy control method was proposed to adjust the opening of louvered fin. The control program of energy-saving windows was written to realize the automatic control function.

　　2. The remote control circuit was designed by STC15W201S single-chip microcomputer, and also the 433MHZ radio frequency communication and control program were written to realize the manual remote control function of the energy-saving window roller blind.

　　3. Using MiniSTM32 MCU development board, SIM900A GSM communication module, writing SMS（Short Messaging Service） sending and receiving program and man-machine interface program. It combined with energy-saving window main controller to realize energy-saving window SMS control function, password setting function, mode setting and control setting function, etc.

　　4. Finally, the performance test of energy-saving windows was carried out, and the energy-saving indicators and energy-saving performance were analyzed. And also a conclusion and expectation were made in the last part of this thesis.

　　KEY WORDS: energy saving window, single chip microcomputer,fuzzy control, GSM, radio frequency communication

目 录

　　第一章 绪 论

　　1.1 课题研究的背景

　　随着工业和科技的日益发展，如今日人类社会和环境、能源的矛盾也日益突出。环境污染，能源紧张，都让我们不得不更加地重视节能减排，并且将之视为贯穿社会生活方方面面必须做好的工作任务[1].

　　现阶段，在我国社会的总能耗中，其中有很大一部分能耗是建筑能耗，占了很大比例。根据第十一届科学技术协会公布的数据，这个比例已经高达 27%[2],占了近三分之一，而建筑能耗一半以上是采暖、空调的能耗。根据调查，将建筑的能耗主要分成七类，统计如图 1-1 所示。在建筑的围护结构中，各部件的传热系数数据相比较，窗的热损耗占建筑总热损耗 24%[3],几近总能耗的四分之一。窗既是热量散失的敏感部位，又关系着采光、通风、隔声、立面造型。在目前的建筑物中，追求更好的通风和采光效果，更好地打造建筑的造型和特色，现代建筑运用了大量的玻璃窗设计，以至窗的热损失占建筑的总热损失比重更大[4].因此窗节能是建筑节能的关键，这就对窗的节能提出了更高的要求。

　　窗不仅是建筑物的重要组成部分，承担采光、通风、围护、观景等重要功能，也直接影响着建筑室内的环境，是重要的家居之一。窗融入人们的生活中，时刻关系和影响着人们。再加上快速发展的现代科技，不断提高的生活水平，促使人们追求更高的生活品质，渴望更健康的生活、更舒适安全的环境。现有窗在保证基础功能的同时，也存在很多的不便和不足，比如出门在外，突降大雨，没法及时赶回家关窗等等。随着大数据[5]、物联网、云技术、4G 技术等科技的快速发展，移动终端如智能手机、平板电脑等的应用和广泛普及[6],让人们的工作和生活越来越便捷。人们也迫切希望能解放人力、改善生活品质的节能窗。

　　该课题来源于湖州旭伟节能门窗有限公司，为贯彻国家环保方针政策，实现节能减排目标，满足人们的生活需求。该公司致力于窗户在节能技术上的改进，引领我国的窗户行业加速迈入"节能时代",提高人民的生活质量水平。

　　1.2 国内外关于节能窗研究的现状

　　现在节能环保越来越受重视，人们在节能产品的研发方面也有了很大的突破。

　　Dr.Th.Krass 等研究者通过把氧化钨薄膜沉积在半透明的金属层（Cr,Ag）上，在1953 年发现了稀硫酸溶液中阴极着色现象[7].这是人们在节能窗材料研究方面取得的重大突破，从此人们开始了对节能窗材料的研究。初期的西方建筑，其门窗主要以通风、采光为主，追求美观，大多使用单层玻璃，隔热、保温等热工性能比较差[8].随着能源危机的爆发，人们也越来越关注环保节能问题，门窗的设计也越来越注重热工性能。表1-1是二十世纪国外节能门窗功能性能要求和技术变化[9].

　　西方发达国家对节能窗的研究比较早，我国近几年才开始这方面的研究，很多节能技术相对比较落后，先进的技术需要从国外引进。但是无论是在西方发达国家还是在国内，在节能窗的设计中，都会突出考虑窗的功能性和节能性，以求窗的传热系数、窗墙比、气密性等方面的最佳平衡。就窗的保温性能而言，一般用传热系数（UtValue） K 表示：K 值越小，传热就越小；K 值越大，则传热越大[10].

　　从上世纪九十年代至今，国内外节能窗就传热性能效果的发展进度做了个横向比较，具体如表 1-2 所示[11].

　　通过上表的数据对比，国外从上世纪七十年代开始节能门窗研究，比我国早了十多年，经过三四十年的发展和改进，国外窗的传热系数有了很大的提升。国外发达的物联网技术，可以自动防风和防雨，这也让节能门窗进一步推广到家庭终端成为了可能。虽然目前因为节能门窗价格高昂，家庭的使用量还很小，并未普及。我国的节能门窗发展相对缓慢，虽然较九十年最初时期有了显著进步，但与欧美国家还是有很大差距，就传热系数 K 值而言，只达到欧美的发展中期水平。

　　此外，发达国家节能窗企业对节能窗的检测方法也比较先进，如北美使用监控箱法和标定箱法[12],还研发出了更新型的节能智能玻璃：通过低电压的辅助控制，可以自动调节玻璃颜色的深浅的节能玻璃。利用玻璃不同颜色对光的透过率和吸收率不同，改变室内太阳光的入射量，影响采光和隔热，同时也使得它在不同的季节都能取得更佳的节能效果[13].而且发达国家节能窗企业已生产有兼具防热与保温的多功能节能窗，这在一定程度上解决了采光、通风、防热、保温等功能的兼顾。节能窗作为智能家居的一种，发达国家对它的控制方法也进行了相应的研发并形成一定的控制系统，如美国的 X-10 控制系统，德国的 EIB 控制系统[14]

　　都已经应用到实际中去。

　　我国从事节能窗研究和生产的企业不多，中小企业为主，缺少龙头企业。企业的规模和实力，一定程度上制约了研究和创新的进一步深入。我国现阶段节能窗在功能、技术、安全、寿命等各方面的不足，而且控制方式较单一且没有统一的控制系统。使得其没法普及到家庭市场，仅局限于高档住户、写字楼和宾馆等特定场所。

　　1.3 课题研究的意义

　　随着节能窗等概念的推广和深入，人们对节能窗的认知和需求也越来越深入和迫切，这将是一个非常有前景的市场。

　　节能窗，不仅要兼具窗的基本功能：通风、采光等，还需要实现智能化控制，以及舒适性、灵活性、节能性甚至是个性化等，因此节能窗的设计很重要很复杂，制作成本高，价格昂贵。现有的节能窗功能尚不完善，性能也不稳定，还不能完全做到安全、舒适、节能、便捷。目前节能窗只用于部分高档住户、高级宾馆等少数场所，并未惠及普通家庭。

　　人们不断探索节能窗新的边界，也不断尝试新的设计和更优化的方案，在提高节能窗的性能、增加稳定性、降低成本以及更广的应用性等方面一直在努力。

　　本文希望设计一款基于单片机的节能窗。控制系统可以运用光照、温度、湿度等条件的变化，让窗自动开关闭合，实现窗的自动控制、手工控制以及远程控制。

　　此控制系统成本低廉，结构简单，性能稳定，如果能实现和推行，可以大大提高节能窗的实用性，并可应用于普通家庭，让人们真正享受到节能窗带来的舒适、便捷和安心，既提高生活品质，又高效节能。

　　1.4 论文的主要研究内容

　　本文以公司实际背景展开工作，主要以节能窗为控制对象，综合应用了自动化控制技术的相关专业知识，研究一套基于单片机的节能窗控制系统设计。在本论文中，对具体的章节和内容做以下安排：

　　第一章：概述本课题研究的起始，了解目前国内外在节能窗的发展技术和现状，并对国内外节能的效果进行比较，确定本文研究的必要性和意义。

　　第二章：本章首先对公司现有节能窗存在的问题进行了分析，得出本系统节能窗设计需求，在对窗体结构需求和节能材料的选择进行确定后，设计了节能窗控制系统的方案，并分别对其中硬件系统的主要模块进行分析与选型，对软件系统的主要平台进行介绍。

　　第三章：本章主要对自动模式下百叶窗的模糊控制的基本原理进行了详细的介绍。首先，介绍了节能窗的自动控制策略系统。系统采用的是模糊控制电路，从模糊控制器的输入输出变量设计、模糊化方法的确定、确定模糊规则及去模糊处理，得出光照度与百叶窗开度的关系。其次，介绍了人工模式控制策略，分析了遥控器控制方式的通信技术选择和手机短信 GSM（全球移动通信系统 GlobalSystem for Mobile Communication）通信系统的特点和 ATK-SIM900A 控制协议进行介绍。最后，PWM 工作原理的分析和对百叶窗卷帘位置控制设计。

　　第四章：本章主要是对硬件系统的具体实现，对节能窗系统硬件模块电路进行详细的分析，分别对电机驱动电路的设计、电源模块的设计、温湿度采集模块的设计、光照度采集模块的设计和人机交互通讯模块的设计进行了介绍。

　　第五章：本章主要是设计了节能窗的软件控制系统，分别通过了自动控制、遥控控制和手机短信控制三方面程序的设计，并进行了详细的分析。

　　第六章：本章主要对节能窗系统硬件和软件控制系统进行了性能的测试，主要进行了节能窗的智能性能检测、遥控性能检测、人际交互测试和保温及节能性能测试。经过测试后，有效实现了系统设计方案。最后，还与节能窗知名品牌墅标同类节能窗在性能和技术方面进行了对比，也可得出本设计的节能窗达到预期的效果。

　　第七章：本章对本设计节能窗取得的实践结果进行总结，并提出系统设计中的创新点和不足，以及对未来的展望。

　　第二章 节能窗的设计目标与内容
　　2.1 企业现有节能窗控制系统存在的问题
　　2.2 系统设计要求
　　2.3 节能窗窗体结构设计目标
　　2.3.1 窗户节能因素分析
　　2.3.2 节能窗电机结构需求
　　2.3.3 节能窗窗体结构设计
　　2.3.4 节能材料选择

　　2.4 节能窗总体设计
　　2.4.1 节能窗控制系统硬件设计
　　2.4.2 节能窗控制系统软件设计
　　2.4.3 控制系统硬件主要模块选型
　　2.4.4 控制系统软件主要平台介绍
　　2.5 本章小结

　　第三章 节能窗的控制策略研究
　　3.1 自动模式下百叶窗模糊控制策略
　　3.1.1 百叶窗工作环境设计
　　3.1.2 模糊控制基本原理
　　3.2 自动模式下百叶窗模糊控制器的设计
　　3.2.1 模糊控制器输入输出变量设计
　　3.2.2 模糊化方法的确定

　　3.2.3 确定模糊规则
　　3.2.4 去模糊处理
　　3.3 人工模式下百叶窗卷帘控制策略
　　3.3.1 遥控通信方式选择
　　3.3.2 GSM 手机短信控制
　　3.3.3 百叶窗卷帘电机调速控制
　　3.4 本章小结

　　第四章 节能窗控制系统硬件设计
　　4.1 主控制器硬件设计
　　4.1.1 Atmega8 单片机引脚及功能介绍
　　4.1.2 卷帘电机驱动电路的设计
　　4.1.3 百叶窗步进电机控制电路设计
　　4.1.4 电源模块的设计
　　4.1.5 环境参数采集模块设计

　　4.2 人机交互及短信通讯电路设计
　　4.2.1 触摸屏显示控制设计
　　4.2.2 短信通讯电路设计
　　4.3 遥控电路设计
　　4.4 433MHZ射频通讯模块接口电路设计
　　4.5 本章小结

　　第五章 节能窗软件控制系统设计
　　5.1 软件主程序设计
　　5.2 主控制器自动控制程序设计
　　5.3 节能窗遥控器控制程序设计
　　5.4 节能窗人机交互程序设计
　　5.5 本章小结

　　第六章 节能窗控制系统实验测试
　　6.1 样机的制作
　　6.2 节能窗实物测试
　　6.2.1 智能性能的测试
　　6.2.2 遥控控制测试

　　6.2.3 触摸屏显示测试
　　6.2.4 手机短信测试
　　6.2.5 保温和节能性能测试
　　6.2.6 节能窗性能技术与同类系统比较
　　6.3 本章小结

第七章 结论与展望

　　7.1 结论

　　本次设计了节能窗的控制系统，主要是解决湖州旭伟节能门窗有限公司早期产品遇到的问题，而进行了整个节能窗的方案设计。通过对节能窗的控制策略的研究，论证了控制方案的可行性。最后，通过节能窗的系统的硬件设计制作，以及节能窗控制系统的控制程序设计与编写，对节能窗从窗体的设计到性能进行了测试，初步验证了该系统智能性能的稳定性和可靠性。主要研究成果如下：

　　（1）能实现通过传感器模块对环境温度、湿度和光照度的数据采集，运用了模糊控制方法，驱动百叶窗步进电机控制百叶窗翅片的开度，实现自动化控制。

　　（2）利用 433MHZ射频通信技术，通过无线遥控器来控制百叶窗卷帘整体的上升、下降和模式的切换的功能，实现手动控制。

　　（3）通过手机短信实现远程控制，手机发送指令就可以控制百叶窗卷帘整体的升降状态和模式的切换功能，而且能把执行的结果以短信方式回复到手机上，实现人机交互通讯。

　　7.2 展望

　　本设计具有良好的保温、隔音性能，控制多样化，其技术水平达到国内领先水平，超出国家节能标准，满足人们对于自动控制产品的需求，适用于房地产新开发房产和旧建筑物窗户替换等。本设计产品成本在 200 元/平方米左右，预计市场销售可达 300-400 元/平方米左右，因此具有很好的市场应用前景、经济效益和社会效益。

　　在本设计研究结果的基础上，我们将继续进行研究新型节能窗技术的研究。

　　（1）在技术方面的研究方向如何降低玻璃辐射（比如研发出低辐射的窗玻璃），如何提高中空玻璃的绝缘性（比如发现更适合中空玻璃的惰性气体），如何利用自然条件实现节能（比如暖边技术和阳光控制膜玻璃），窗体的每个部位都是有节能点，整窗考虑是重点。

　　（2）在自动控制方面的研究方向如何自动监控燃气（比如能自动检测煤气等有害气体，一旦检测到，智能控制台中的处理器会对窗户做出指令，让其窗户开窗并开启风扇排气，同时向主人和物业发出警报）；如何自动检控火灾（比如万一发生火灾，传感器能及时检测到烟雾讯号，智能控制器能自动开启门窗，发出警报，及时将险情传报给主人和 119消防系统）；如何防止小孩坠楼（比如传感器自动检测人体信息，如有小孩靠近非安全区，窗户自动关闭，确保孩子的人身安全）。

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致 谢

　　在浙工大这短短的几年学习时间里面，不仅收获了知识，也收获了友情和快乐。回想起研究生理论学习和毕业设计的道路上得到了老师和同事的帮助，我要诚挚地向他们表示感谢。

　　首先感谢我的导师徐建明老师，徐老师为人和蔼，平易近人，在论文选题、系统设计、论文写作方面给与了我很多帮助。在书写论文期间，有问题向徐老师提问，徐老师都会及时且详尽的向我解释和帮助，倾注了大量的心血和汗水。他严谨研究的研究态度和一丝不苟的精神使我终身受益，而他广博的知识和深厚的学术素养则是我接下去学习的目标。在这里，让我再一次对徐老师表示感谢！

　　其次要感谢浙江信息工程学校的领导和同事，特别是姚志恩老师，姚老师在系统设计和论文思路上给与了我很大帮助，及时解决了论文写作上的难题。还有在系统软件设计时，司杰老师给了很大的支持和帮助。衷心的感谢你们的帮助！

　　还要感谢我的家人为我的付出，感谢你们这段时间对我的包容和支持，让我能专心学习和研究，并最终完成系统。

　　最后向论文评审的专家和老师们致敬，感谢你们的指导与批评！

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