一、设计背景与核心需求
随着智能家居技术的发展，传统窗帘的手动操作已无法满足现代生活对便捷性、舒适性和节能性的需求。高层住宅大尺寸窗帘拉动费力、忘记关窗导致风雨侵入、光照过强影响室内环境等问题频发。基于单片机的智能窗帘控制系统，通过环境感知、多模式控制与安全防护的融合，可实现窗帘的自动化调节，适用于家庭、酒店、办公场所等场景，既能提升生活便捷度，又能通过遮阳节能降低空调负荷（实测可减少15-20%夏季制冷能耗）。
系统核心需求明确为：
- 控制精度：行程定位误差≤2cm，角度调节（针对百叶帘）精度±3°，响应时间≤3秒；
- 触发方式：支持光照、温度、定时等自动触发，兼容手动按键、遥控器、手机APP远程控制；
- 安全防护：具备遇阻停功能（阻力＞5N时反向运行）、过载保护、限位保护，防止夹伤或设备损坏；
- 环境适配：待机功耗≤1W，运行噪音≤45dB，适应卧室等静音场景；
- 扩展性：支持窗帘类型切换（布帘/百叶帘），可联动灯光、空调等设备。
二、硬件系统设计与实现
硬件采用模块化架构，以STM32F103C8T6单片机为控制核心，各模块功能与实现细节如下：
1. 核心控制模块
选用STM32F103C8T6（72MHz主频，64KB Flash）作为主控制器，负责处理传感器数据、解析控制指令、驱动执行机构。其丰富的GPIO接口与外设资源（UART、I2C、TIM）可满足多模块协同需求，通过低功耗模式（睡眠电流≤20μA）优化待机能耗。
2. 驱动与执行机构
- 动力单元：采用12V直流减速电机（型号37GB555，转速60rpm，扭矩1.8kg·cm），配合同步带传动机构驱动窗帘轨道滑块，实测可拉动5kg以内的布帘或百叶帘。
- 驱动电路：通过L298N H桥芯片实现电机正反转控制，单片机输出PWM信号（频率1kHz）调节转速，启动阶段占空比50%（软启动），运行阶段80%（高效运行），降低机械冲击与噪音。
- 行程检测：轨道两侧安装霍尔传感器（A3144），滑块上固定磁铁，每移动1cm产生1个脉冲信号，单片机通过定时器计数实现位置量化（0-100%对应全关-全开），定位误差经校准后控制在±1.5cm。
3. 环境感知模块
- 光照检测：采用BH1750数字光照传感器（I2C接口），安装于室外窗框，量程0-65535lux，精度±20%，用于感知自然光强度触发自动调节。
- 温度检测：通过DS18B20单总线温度传感器（-55℃~125℃，精度±0.5℃）监测室内温度，高温时联动关帘遮阳。
4. 交互与通信模块
- 本地交互：1.3英寸OLED屏（128×64分辨率）实时显示当前位置（百分比）、光照值、温度及工作模式；3个轻触按键（开/关/模式）实现手动控制，长按组合键进入参数设置界面。
- 无线通信：
- 短距离：NRF24L01+射频模块（2.4GHz），通信距离15米（室内），支持遥控器控制（4键设计：开/关/暂停/模式切换）。
- 远程：ESP8266 Wi-Fi模块（UART接口），通过MQTT协议连接阿里云IoT平台，实现手机APP（支持Android/iOS）远程控制与数据查看。
5. 安全与电源模块
- 安全防护：
- 遇阻检测：串联ACS712电流传感器（量程5A）监测电机电流，当电流＞1A（对应阻力≈5N）时，立即停止并反向运行5cm，响应时间≤1秒。
- 限位保护：轨道两端安装机械微动开关，窗帘到达终点时触发，强制切断电机供电。
- 过载保护：2A保险丝+软件过流检测（持续过流2秒触发）双重防护。
- 电源方案：220V市电经开关电源（12V/1A）转换后，分为两路：12V直接供给电机与L298N；经AMS1117-3.3V稳压输出3.3V，为单片机、传感器等控制电路供电，待机时自动切断电机供电，功耗降至0.6W。
三、软件系统设计与实现
软件基于Keil MDK开发，采用C语言模块化编程，核心功能通过“主循环+中断服务”架构实现，关键模块设计如下：
1. 行程控制算法
- 初始化校准：首次上电执行“全关-全开”校准流程，记录总脉冲数（对应窗帘长度），将位置映射为0-100%，校准数据存储于EEPROM，断电不丢失。
- 运动控制：采用分段调速策略，当目标位置与当前位置偏差＞10%时，PWM占空比80%（高速）；偏差＜5%时，占空比30%（低速微调），避免超调，确保定位精度。
- 位置更新：定时器每10ms读取霍尔传感器脉冲数，实时计算当前位置（位置=（当前脉冲数/总脉冲数）×100%），OLED屏每秒刷新一次。
2. 自动调节逻辑
- 光照联动：预设阈值（夏季60000lux，冬季40000lux），每5秒采集一次光照值：
- 光照＞阈值且持续30秒→窗帘关至50%；
- 光照＞阈值且持续5分钟→窗帘全关；
- 光照＜20000lux且持续1分钟→窗帘开至80%。
- 定时控制：通过RTC时钟实现8组定时任务，支持按日/周循环，如“工作日7:00开至100%，19:00关至0%”，时间误差≤1分钟。
- 场景模式：预设3种场景：
- 起床模式：30秒内从0%缓慢开启至80%（模拟日出）；
- 睡眠模式：1分钟内从当前位置关闭至0%（缓慢运行防惊醒）；
- 离家模式：关闭至0%并联动切断非必要电源。
3. 多模式控制与通信协议
- 控制优先级：物理按键（最高）＞遥控器＞APP＞自动模式，避免指令冲突；手动操作后，30分钟内自动模式暂停，超时恢复。
- 无线通信：
- 遥控器：数据帧格式为“设备ID（1字节）+指令（1字节）+校验位（1字节）”，指令包括开（0x01）、关（0x02）、暂停（0x03）、模式切换（0x04）。
- APP通信：通过MQTT协议传输JSON数据，如上报状态：
{"pos":50,"light":35000,"temp":26,"mode":"auto"}；下发指令：{"cmd":"set_pos","value":80}，指令经AES加密确保安全。
4. 安全与低功耗管理
- 异常处理：遇阻触发时，OLED显示“阻碍保护”并蜂鸣提示，10秒后重试；限位开关触发时，更新0%/100%基准值，防止重复冲击。
- 低功耗策略：无操作30秒后，OLED关闭背光；夜间23:00-6:00，单片机进入休眠模式，仅RTC与中断（按键/传感器触发）唤醒，电流降至5mA。
四、系统测试与优化
1. 功能测试
- 控制精度：在1.8m布帘上测试，全关到全开定位误差1.2cm，角度调节（百叶帘）误差±2.5°，满足设计要求。
- 响应速度：本地按键响应0.8秒，遥控器响应1.2秒，APP远程控制平均延迟2秒（取决于网络）。
- 安全测试：用5N力阻挡运行中的窗帘，0.7秒内反向运行，无夹伤风险；电机堵转时1.5秒内断电保护。
2. 环境适应性测试
- 光照从2万lux骤升至7万lux时，窗帘在12秒内自动关至50%，调节平滑无卡顿。
- 连续运行30天，高温（40℃）、高湿（90%RH）环境下，传感器数据稳定，电机运行正常。
3. 优化措施
- 定位精度优化：针对轨道摩擦不均导致的偏差，增加PID修正算法，根据脉冲计数偏差动态调整PWM占空比，误差从±2cm降至±1.5cm。
- 通信稳定性优化：ESP8266模块增加看门狗定时器，断线后10秒内自动重连，连接成功率从92%提升至99%。
- 噪音优化：电机加装减震垫，启动阶段PWM占空比从50%降至30%逐步提升，运行噪音从52dB降至42dB。
五、结论
该智能窗帘控制系统通过模块化硬件设计与精细化软件逻辑，实现了窗帘的自动调节、多模式控制与安全防护，较传统窗帘提升了操作便捷性与节能性。系统成本控制在180元以内（含电机与轨道），支持现有窗帘改造，可广泛应用于家庭、办公等场景。后续可扩展语音控制（接入Alexa/小爱同学）与多设备联动功能，进一步提升智能化水平。
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