基于信息融合技术的智能窗户

2018-02-05侯熙楠赵志敏石家庄二中实验学校

数码世界 2018年1期

侯熙楠赵志敏石家庄二中实验学校

1 目的和意义

保持室内空气清新，经常通风换气是良好的生活习惯，保持健康的有效方式，但如果家中无人的时候，遇到严重的雾霾天气空气中的气体污染物进入室内影响人民的身体健康，瓢泼大雨会淋湿室内的地板电器造成财产损失，室内煤气的泄露会会危及公众的生命安全。因此设计一种具有自动开关的智能窗户很有需求，目前国内外已有具备自动开关功能的智能窗户。但是这些智能窗户的研究存在一些问题，首先，不同人的生活习惯不同，自身适应调节能力也不同，在同样的天气条件下，有人会选择开窗，而有些人会选择关窗，比如下小雨的天气，空气质量优良，有人就喜欢开窗呼吸新鲜空气，而风湿病人对潮湿比较敏感，则会选择关闭窗户，其实这就是说开闭窗的阈值需要个性化的设置，采用什么方式来实现？其次，传感器受制于成本问题，每种传感器只安装一个，当传感器出现故障的时候，可能会出现反复开窗和误开闭窗的情况，因此基于上述两点考虑，我希望对智能窗户进行改进，实现个性化设置和消除误操作。

2 设计思路

在手机上设计一个APP，在APP上可以修改每个对应传感器的阈值，手机和智能窗户通过蓝牙进行通信，使用者可以根据自己的习惯修改成适合自己的参数，从而实现个性化设置；由于多传感器数据信息冗余可以增加系统的可靠性，可以采用数据层加权表决方法增加系统的稳定性，我使用了三个PM2.5传感器来增加信息的冗余度，大大降低因传感器故障造成的反复开窗和误开闭窗的概率，，我选用了二个精度高的PM2.5传感器和一个精度较低的传感器，精度最高的传感器对应权值为0.4，精度低的传感器对应权值为0.2，可以看出某一个PM2.5发生故障的情况不会出现反复开窗和误开窗的情况。

3 研究过程

先根据项目要实现的功能，制作一个智能窗户模型，其具体功能如下：(1)检测空气质量；(2)室内安全隐患检测；(3)检测温度、湿度；(4)检测雨水；(5)工作时间控制；(6)检测四季;(7)自动+手动人性化设置。其次，结合自己所学的知识以及平时动手时间的经验，对整个的设计框图有一个构想，并且明确各部分的主要功能以及系统的工作流程。由于智能窗户是一个涉及机械、电子、通讯和软件技术等方面的控制系统，并要将其有机的结合在一起，工作流程如下描述：智能窗户处于工作过程中时，单片机对PM2.5、烟雾检测模块，温度、湿度、雨水传感模块以及红外感应模块等多传感器进行实时数据采集，然后在单片机内部通过信息融合技术进行分析（软件实现），通过开关继电器控制电机来完成以完成相应太阳能窗户的控制功能（开关），系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

多传感器信息融合的具体工作模式如表1所示，表中煤气检测、雨水检测、雾霾检测、湿度检测栏对应数字“1”表示超过预设阈值，“0”表示低于预设阈值，温度检测栏对应数字“0”表示超过预设最高温度或低于最低预设温度，下面举例说明工作过程等，当单片机检测到煤气传感器超过阈值时，并且通过检查霍尔传感器判断窗户当前状态为关时，无论其他传感器是否超出阈值，均驱动电机打开窗户，无论外面是否是雾霾天气还是下大雨的情况；在没有发生煤气泄露的情况下，此时只要检测到有雨或者空气质量不佳都会关闭窗户；在无雨并且空气质量不错的天气，如果检测到外面温度不在阈值范围或者湿度过高，也会关闭窗户，这主要是考虑到家里有风湿病人的时候，当室外湿度过高时给病人带来痛苦。

表1 多传感器信息融合工作模式

智能窗户的基本功能实现之后，着手进行第二步的工作，就是解决两个问题，个性化设置问题和误操作问题，通过查阅资料，发现可以利用手机APP通过蓝牙修改传感器的阈值很方便而且更加灵活，因为如果不采用这种方式，当单片机的程序固化以后，如果要更改阈值就必须通过重新编写程序烧录，非常麻烦。误操作问题通过将窗户的控制模式设置为手动和自动两种模式来克服，自动模式运行过程中窗户的开关完全有单片机软件和硬件协同工作，手动操作模式运行过程中，窗户的开关完全由使用者来操作，使用者通过手机APP上的功能键通过蓝牙实现对窗户的操控开关。同时手机APP还具备设定各传感器阈值，比如不同使用者在同样的下雨天感受不同，也许有人会开窗，有人会关窗，通过手机APP，使用者可以根据自己的情况更改雨水传感器的阈值达到自己的需求，从来达到个性化的目的。