摘要：针对当前智能家居价格昂贵和终端操作受到距离限制等问题，本文设计了一种基于51单片机和阿里云IoT平台的智能门窗控制系统，系统主要包括单片机主控模块、ESP8266 WIFI模块、环境信息采集模块以及步进电机驱动模块等，实现了用户从智能手机APP上不受距离限制地实时获取环境信息，并发出指令使相应模块进行相应操作，经测试该系统的各项功能及稳定性均符合设计预期。
关键词：51单片机；ESP8266 WIFI模块；阿里云IoT平台
一、引言
随着物联网时代的到来，作为其重要应用之一的智能门窗越来越得到人们广泛认可，但多数相关产品由于通信方式的缺陷等原因致使其未能得到大面积推广与应用。因此，本文旨在将成熟的单片机技术与新兴物联网平台相结合，将门窗控制系统连接至物联网平台，再经由物联网平台连接用户终端的通信方法，且由于相关技术较成熟，故系统具有相当的可靠性，其价格也远低于目前的智能门窗控制系统解决方案。
二、系统总体方案
此系统采用模块化设计，如图1所示，由主控模块、LCD显示模块、电源模块、时钟模块组成主模块，Wi-Fi通信模块、环境信息采集模块以及步进电机及其驱动模块构成外围模块。主控模块采用STC89C52单片机，环境信息采集模块采集到温湿度、烟雾、有害气体等环境信息后送至STC89C52单片机进行处理，经由LCD显示模块实时显示，同时经由Wi-Fi模块实时上传至阿里云IoT平台，该平台作为中转站进行用户与此门窗控制系统的数据转发，以此使用户通过手机APP实现对家中环境信息实时掌握与门窗控制。
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图1系统总体设计
三、系统硬件设计
系统时钟模块采用由双电源供电的DS1302时钟芯片，可以有效防止由于单片机断电而带来的时间误差；LCD显示模块选用带字库的LCD12864模块，价格低廉且编程方便；电源模块使用5V的USB供电，然后用AMS1117-3.3V完成降压和稳压以满足各模块对不同工作电压的要求。
环境信息采集模块由具有温湿度检测功能的DHT11模块、MQ2普敏气体传感器以及热释电传感器等组成。其中DHT11传感器应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有极高的可靠性与长期稳定性；MQ2普敏气体传感器可及时发现煤气泄漏等危险情况；热释电传感器可以在室内无人时检测是否有人非法入侵。该模块采集环境信息之后送往主控单元等待进一步处理。
步进电机驱动模块为整个系统的执行驱动模块，该模块的精度与可靠性直接影响到整个系统的可靠性，因此驱动模块选用可靠性高且价格低廉的A4988模块，并且方便使用扩展板来增加步进电机的数量，有利于二次开发。
Wi-Fi模块是主控单元与阿里云IoT平台通信的桥梁，并作为用户实时获取信息与发送控制命令的关键环节，因此选用性能稳定、开发方便的ESP8266-01S模块。另外，由于ESP8266需3.3V电压供电，且对电压质量要求较高，因此需要可靠的供电电路。
门窗启闭装置采用同步带来传递动力，动力源为步进电机，为降低对步进电机力矩等性能的要求，增加一组减速齿轮；传动部件通过螺钉紧紧固定在同步带上，通过其与同步带间的摩擦力来传递动力并随同步带一起运动，再将传动部件与门窗连接，即可实现对门窗启闭的控制。
四、软件设计
系统上电后，首先对各个模块进行初始化，并将ESP8266模块连接至阿里云IoT平台，同时传感器模块开始采集环境信息，通过LCD显示模块进行显示，并且将实时信息上传至阿里云IoT平台，用户则可以通过手机APP实时查看环境信息，若用户通过APP发出指令，则指令会通过阿里云IoT平台发送至ESP8266模块，再由STC89C52发出相应的命令以驱动目的模块实现相应操作，操作完成后又会通过ESP8266模块经由阿里云IoT平台反馈给用户。
五、系统测试
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图2门窗启闭结构
门窗启闭结构如图2所示(部件1为主动同步轮、部件2为同步带、部件3为从动同步轮、部件4和部件5为加紧装置、部件6为卡扣，其中各部件均为简化结构)，在模拟的家居环境下进行系统测试，主要检测系统在多因素触发条件（如温度、可燃气体浓度等均达到阈值）下的稳定性和控制逻辑的准确性，以及门窗开闭机构的末端部件的运动速度和其行程精确性。
经测试，家居环境中存在多种触发因素时，由于已经给各个触发因素设定优先级，故系统均可正常运行，若出现意外情况，系统会及时通知用户及时做出人工决策以避免危险情况发生；经测试发现在步进电机驱动精度为半步，减速齿轮减速比为1：4时，末端部件可以以预定速度（4cm/s）在预定行程（20cm）的起止位置准确停止和启动。综合分析测试结果，可以得到如下结论：系统的可用性满足设计要求，用户可实现实时控制，系统也可以根据环境变化自动发出预期指令。系统的可靠性满足设计预期，当系统处于复杂环境时，仍能按照设想执行预定程序。
结语
本文主要介绍了一种基于STC89C52单片机及ESP8266 WIFI模块的智能门窗控制系统，该系统利用目前较为成熟的阿里云IoT平台作为相关数据的中转站，使用户可方便地获取相关信息并实现对门窗的远程控制。此系统满足价格低廉，性能稳定，便于推广的要求，并且易于二次开发，通过后期的不断改进完善，其功能将更加多样化，市场前景也将更加广阔。
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基金项目：郑州大学教育教学改革研究与实践项目（项目编号：2019ZZUJGLX021）