具有環(huán)境檢測(cè)的智能窗簾設(shè)計(jì)

盧亞平，宋天麟

(蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215325)

0 引言

隨著社會(huì)節(jié)奏的加快，人們生活中的方方面面都變的更為緊密。生活節(jié)奏逐漸加快的同時(shí)，人們也對(duì)傳統(tǒng)的住宅提出了更高要求。如今，人們?cè)缫巡粏螁我髶碛幸粋€(gè)簡(jiǎn)潔的物理空間，而更為關(guān)注居家環(huán)境的安全、方便、舒適。目前，生活中主要是通過手動(dòng)拉開、關(guān)閉窗簾，采用這種方法必定會(huì)給使用者帶來不便，特別是行動(dòng)不便的人們。室內(nèi)的溫度、濕度也由于窗簾的存在影響著人們的生活。同時(shí)，隨著近幾年大氣層的破壞和污染，一些大城市持續(xù)地陰霾天氣，人們開始關(guān)注PM2.5值，環(huán)境中大量的有毒、有害物質(zhì)在大氣中長(zhǎng)時(shí)間停留，通過窗戶及窗簾進(jìn)入室內(nèi)，嚴(yán)重影響了我們的生活質(zhì)量［1］。

1 研究目的及意義

研究一款具有環(huán)境檢測(cè)功能的自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)。該窗簾可以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)外環(huán)境的檢測(cè)，通過對(duì)環(huán)境的判斷自動(dòng)控制窗簾開合，并通過顯示器件呈現(xiàn)給用戶當(dāng)前室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，使之窗簾更加人性化，智能化。系統(tǒng)配有環(huán)境溫濕度檢測(cè)、環(huán)境空氣質(zhì)量檢測(cè)、室外紫外線、PM2.5等功能，并使用了觸摸屏技術(shù)代替了傳統(tǒng)的按鍵，使得更貼合人們的操作習(xí)慣。自動(dòng)窗簾中加入環(huán)境檢測(cè)傳感器的目的是提醒用戶，特別是敏感人群在室外環(huán)境較差時(shí)應(yīng)盡量避免高強(qiáng)度戶外鍛煉，外出時(shí)做好防護(hù)措施，從而提高用戶居住生活質(zhì)量。

2 涉及環(huán)境參數(shù)

2.1 室內(nèi)溫濕度

據(jù)生理學(xué)家研究，室內(nèi)溫度過高時(shí)，會(huì)影響人的體溫調(diào)節(jié)功能，引起體溫升高、、脈搏加快、心率加速等。冬季，如果室內(nèi)溫度經(jīng)常保持在25℃以上，人就會(huì)神疲力乏、頭暈?zāi)X漲、思維遲鈍、記憶力差。如果室內(nèi)溫度過低，則會(huì)使人體代謝功能下降，脈搏、呼吸減慢，呼吸道粘膜的抵抗力減弱，容易誘發(fā)呼吸道疾病。因此，科學(xué)家們研究認(rèn)為，最佳室溫分別定為11℃和30℃。

在注意室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的同時(shí)，還應(yīng)注意室內(nèi)的濕度。室內(nèi)濕度過低時(shí)，因上呼吸道粘膜的水分大量散失，人會(huì)感到口干、舌燥，甚至咽喉腫痛、聲音嘶啞和鼻出血等，并易患感冒。所以，專家們研究認(rèn)為，室內(nèi)合適得濕度是40%到60%之間。

2.2 室外空氣質(zhì)量

空氣質(zhì)量是依據(jù)空氣中污染物濃度的高低來判斷的，污染物排放是影響空氣質(zhì)量的最主要因素之一，包括車船尾氣、工業(yè)生產(chǎn)排放、垃圾焚燒等。根據(jù)國(guó)家《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095-1996)》定義了空氣污染指數(shù)，我國(guó)當(dāng)前采用的空氣污染指數(shù)(API)分為五級(jí)，API值小于等于50，說明空氣質(zhì)量為優(yōu)，相當(dāng)于達(dá)到國(guó)家空氣質(zhì)量一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，符合自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)的空氣質(zhì)量要求。API值在50～100區(qū)間，表明空氣質(zhì)量良好，相當(dāng)于達(dá)到國(guó)家空氣質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。API值在100～200區(qū)間，表明空氣質(zhì)量為輕度污染，兒童、老人、呼吸系統(tǒng)等疾病患者及一般人群停止或減少戶外運(yùn)動(dòng)。API值大于200，表明空氣質(zhì)量較差，一定時(shí)間接觸后，對(duì)人體危害較大。

2.3 室外光照度(紫外線)

室內(nèi)陽光的充足度非常重要，冬天需要足夠的陽光來照射，進(jìn)行室內(nèi)殺菌取暖，而在夏天又不宜長(zhǎng)時(shí)間暴曬，特別是炎熱的中午。在夏日的陽光下爆曬后，室內(nèi)溫度迅速上升，家具、地板等物品變形退色。夏天外出如果不注意紫外線強(qiáng)度，胳膊、肩膀、后背，還有臉常常有火辣辣的感覺，這些地方皮膚先是發(fā)紅，然后變黑，最后一點(diǎn)點(diǎn)脫皮，幾天以后皮膚難忍的癥狀才慢慢恢復(fù)，人卻變黑了。這些都是陽光中紫外線對(duì)人體的傷害。

2.4 項(xiàng)目研究目標(biāo)及主要內(nèi)容

本控制系統(tǒng)提出可以根據(jù)光照強(qiáng)度、溫濕度大小、空氣質(zhì)量等級(jí)等來控制窗簾，主要完成以下幾大功能［2］:

(1)半自動(dòng)控制:半自動(dòng)手動(dòng)控制是在需要關(guān)閉或打開窗簾的時(shí)候，只需要人工按一下“正轉(zhuǎn)”或“反轉(zhuǎn)”按鍵后，窗簾到位自動(dòng)停止。

(2)早晚開關(guān)自動(dòng)控制:窗簾的關(guān)啟和關(guān)閉，可通過設(shè)置定時(shí)時(shí)間，來控制窗簾的關(guān)閉和打開。一般設(shè)置早上6:30自動(dòng)開啟窗簾，晚上8∶00自動(dòng)關(guān)閉窗簾。當(dāng)然用戶可根據(jù)不同的季節(jié)和不同的生活習(xí)慣設(shè)置定時(shí)時(shí)間。實(shí)現(xiàn)“天黑關(guān)閉，天亮打開”的智能管理，不產(chǎn)生誤動(dòng)作。

(3)遮陽自動(dòng)控制:通過DS1302計(jì)時(shí)芯片判斷春夏秋冬四季，根據(jù)不同的季節(jié)執(zhí)行不同的控制方案，夏天當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉窗簾，冬天則要保證充足地陽光。環(huán)境光照度的采集通過光敏電阻和運(yùn)放電路，由單片機(jī)輸出電平控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

(4)污染檢測(cè)智能控制:當(dāng)檢測(cè)到濕度較大、塵埃較多，空氣質(zhì)量重度污染或陰霾天氣(PM2.5較大)時(shí)，窗簾無條件關(guān)閉，并提醒業(yè)主注意關(guān)閉窗戶，減少外出，若外出要帶好口罩。

3 總體方案設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮耐磨損、噪音低、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、免維護(hù)等方面因素。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。采用交流同步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，它具有運(yùn)行穩(wěn)定，適合低速大型設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。傳動(dòng)箱內(nèi)安裝行星變速機(jī)構(gòu)，降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用兩只微動(dòng)開關(guān)斷開，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與停止，采用雙繞組電容運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，以達(dá)到控制窗簾的效果。電機(jī)與電源之間采用接插件方式，電機(jī)與傳動(dòng)箱采用鎖緊片咬口連接方式，傳動(dòng)箱與窗簾之間采用扣環(huán)連接方式。

3.2 傳動(dòng)箱結(jié)構(gòu)

以現(xiàn)有家庭常用傳動(dòng)箱箱體為研究對(duì)象，考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，以減輕質(zhì)量，提高箱體的剛、強(qiáng)度為目標(biāo)對(duì)傳動(dòng)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。采用同步齒型帶傳動(dòng)，達(dá)到高控制精度和高穩(wěn)定性的要求。在齒型帶上安裝二個(gè)滑車，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)齒型帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，二個(gè)滑車就會(huì)在相反方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)窗簾雙開或雙關(guān)的要求。

圖1 傳動(dòng)箱與電機(jī)連接方式

圖2 傳動(dòng)箱結(jié)構(gòu)

3.3 窗簾整體設(shè)計(jì)

整體設(shè)計(jì)效果圖如圖3所示，電機(jī)由控制盒控制，控制盒一般安裝在窗戶的旁邊，控制盒上安裝顯示界面，以便能給用戶及時(shí)顯示各環(huán)境參數(shù)。同時(shí)溫濕度傳感器安裝在室內(nèi)，光照度和空氣質(zhì)量傳感器安裝在室外。

圖3 整體設(shè)計(jì)效果圖

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)規(guī)劃

該自動(dòng)控制系統(tǒng)具有檢測(cè)環(huán)境功能，并通過顯示設(shè)備呈現(xiàn)給用戶。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到環(huán)境參數(shù)符合窗簾開合參數(shù)時(shí)就向繼電器發(fā)出控制信號(hào)，由繼電器驅(qū)動(dòng)窗簾做出相應(yīng)地開合動(dòng)作。為滿足系統(tǒng)人機(jī)交互性能友好，采用TFT液晶顯示和觸摸屏技術(shù)，同時(shí)系統(tǒng)還配有室外光亮度檢測(cè)、空氣質(zhì)量檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)等功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境空氣的動(dòng)態(tài)測(cè)量。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。同時(shí)采用DS1302外部時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能，為系統(tǒng)提供一個(gè)精確的時(shí)間［3-4］。

圖4 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)規(guī)劃

4.2 顯示輸出電路設(shè)計(jì)

顯示電路是應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，是構(gòu)成人機(jī)對(duì)話的基本方式。系統(tǒng)采用3.5寸LCD TFT彩色液晶屏，TFT全稱為薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該液晶顯示器上的每個(gè)液晶像素點(diǎn)都是由集成在基板上的薄膜晶體管來驅(qū)動(dòng)的。該顯示輸出涉及觸摸技術(shù)和SD卡快速存儲(chǔ)技術(shù)，其中采用屏幕觸摸技術(shù)是為了在系統(tǒng)軟件程序協(xié)調(diào)下實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)窗簾智能化、人性化的控制，滿足用戶的使用習(xí)慣。采用SD卡存儲(chǔ)是為了提供更多的存儲(chǔ)空間，豐富顯示圖象，滿足用戶視覺。主電路如圖5所示［5］。

圖5 TFT液晶顯示電路

4.3 窗簾電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

繼電器控制電路為輸出模塊，單片機(jī)將環(huán)境參數(shù)處理后控制繼電器動(dòng)作，繼電器模塊與電動(dòng)窗簾的外部控制接口連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的控制，其中電動(dòng)窗簾內(nèi)部有自己的控制器?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)圖如圖6所示。

圖6中KM1端與單片機(jī)的I/O口連接，Q1、Q2兩個(gè)三極管組成達(dá)林頓管。將前級(jí)Q1三極管的發(fā)射極與后級(jí)三極管的基極相連，組成達(dá)林頓管是為了提高I/O的驅(qū)動(dòng)能力。單片機(jī)I/O只需提供一個(gè)較小的驅(qū)動(dòng)電流就能使Q2三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)從而使得K1繼電器吸合，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)打開窗簾。同樣，當(dāng)KM2端得電使K2繼電器吸合，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)閉窗簾［6-7］。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)STC12LE5A60S2為控制核心，多傳感器信息融合，組成檢測(cè)單元，提高系統(tǒng)描述環(huán)境的能力。繼電器模塊與電機(jī)組成執(zhí)行單元，根據(jù)獲取的環(huán)境信息，有效、完整、可靠地完成了窗簾開關(guān)動(dòng)作。使用單片機(jī)C語言編程和Keil uVision2編譯器軟件，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，即分模塊設(shè)計(jì)，有利于程序的調(diào)試和后續(xù)的維護(hù)升級(jí)。程序設(shè)計(jì)思路如圖7所示，通過帶觸摸TFT液晶屏設(shè)置窗簾早晚開關(guān)時(shí)間，并顯示環(huán)境參數(shù)，窗簾根據(jù)設(shè)定的時(shí)間定時(shí)開關(guān)窗簾。白天的空氣質(zhì)量、PM2.5值、溫濕度和光照度四個(gè)參數(shù)，只要其中一個(gè)超標(biāo)，都會(huì)導(dǎo)致窗簾無條件關(guān)閉(與關(guān)系)，只有都不超標(biāo)時(shí)才打開窗簾［8-9］。

圖6 電機(jī)控制電路

圖7 程序設(shè)計(jì)思路

6 系統(tǒng)測(cè)試

圖8 部分傳感器和控制盒外殼

采用輕質(zhì)龍骨搭建窗簾的承重架，支撐傳動(dòng)箱和電機(jī)。采用硬質(zhì)鋁合金板材制作觸摸屏外殼和各傳感器支撐架。經(jīng)過焊接完成電路板的調(diào)試，在電路各處電壓處于合理值范圍內(nèi)進(jìn)行軟件的編程調(diào)試，測(cè)試效果如圖8所示［10］。

7 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)研究具有環(huán)境檢測(cè)功能的自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)，以單片機(jī)為核心，通過I/O端口控制繼電器，實(shí)現(xiàn)與電動(dòng)窗簾外部接口的連接，并配以TFT液晶觸摸屏和一系列環(huán)境參數(shù)檢測(cè)裝置以及在系統(tǒng)軟件程序協(xié)調(diào)下實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)窗簾智能化、人性化的控制。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，安全可靠。使得電路具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、高人性化、高智能化和低功耗的優(yōu)點(diǎn)。能夠更好地貼近普通用戶。

本設(shè)計(jì)為省級(jí)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，并申請(qǐng)了國(guó)家實(shí)用新型專利。該項(xiàng)目在一般窗簾的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究，將環(huán)境參數(shù)融入到設(shè)計(jì)理念中，采用了柔性化設(shè)計(jì)思維，用戶可以方便地調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，提高了系統(tǒng)的人性化。同時(shí)本控制器還可與現(xiàn)有市場(chǎng)上的電動(dòng)窗簾外部控制端口連接，使得原本的手動(dòng)電動(dòng)窗簾改變?yōu)樽詣?dòng)控制，比起一整套家居智能化系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)具有成本低、安裝方便、更適合企事業(yè)單位。未來將在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，升級(jí)微處理器處理能力，提高人機(jī)界面的友好度，進(jìn)一步優(yōu)化操作。

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