智能窗戶的研究與設(shè)計(jì)*

范振全，侯曉霞

(德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

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智能窗戶的研究與設(shè)計(jì)*

范振全，侯曉霞

(德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 德州 253023)

摘要：研究設(shè)計(jì)了智能窗戶，其可以根據(jù)室外天氣的變化，自動(dòng)控制窗戶的開(kāi)關(guān)并且順便改善了室內(nèi)的空氣狀況，保護(hù)居民室內(nèi)東西不受損壞的同時(shí)使居民生活更加舒適。

關(guān)鍵詞：窗戶；GSM短信模塊；溫濕度傳感器；灰塵傳感器；風(fēng)力檢測(cè)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平越來(lái)越高，日常生活用品的實(shí)用性、便捷性顯得尤為重要。目前窗戶應(yīng)用最廣的還是推拉式的鋁合金窗戶，外邊刮大風(fēng)、下雨時(shí)因?yàn)槌鲩T在外沒(méi)有關(guān)好窗戶弄得家里一團(tuán)糟，也許在城市內(nèi)這個(gè)問(wèn)題不是很顯著，但是在農(nóng)村依舊是人們傷腦筋的事情。而且現(xiàn)在環(huán)境狀況很差，什么時(shí)候開(kāi)窗通風(fēng)都成為人們需要考慮的事情。綜合上述原因，進(jìn)行了智能窗戶的研究與設(shè)計(jì)，通過(guò)在目前通用推拉式鋁合金窗戶的基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)改造以及軟件程序設(shè)計(jì)，使窗戶集實(shí)用、智能、便捷、自動(dòng)，更好地應(yīng)用于市場(chǎng)。

1設(shè)計(jì)方案

智能窗戶設(shè)計(jì)主要包括減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，溫濕度傳感器，灰塵傳感器，風(fēng)力檢測(cè)部分，GSM短信模塊及系統(tǒng)整體的Keil程序設(shè)計(jì)六個(gè)方面。

1.1減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分

智能窗戶的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)靠窗戶兩邊的兩個(gè)減速電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)推拉，兩電機(jī)的控制由Risym L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊決定，單片機(jī)根據(jù)處理對(duì)比各種傳感器傳遞來(lái)的AD信號(hào)，提供給驅(qū)動(dòng)高低電平，達(dá)到控制驅(qū)動(dòng)的目的[1]。

1.2GSM短信模塊

GSM短信模塊在智能窗戶中起與外界通訊的作用，將模塊安裝在窗戶內(nèi)側(cè)，通過(guò)單片機(jī)將其與溫濕度傳感器、灰塵傳感器、風(fēng)力檢測(cè)部分三部分聯(lián)系起來(lái)，各模塊接收到的信號(hào)傳送到單片機(jī)，由單片機(jī)做出判斷是否需要發(fā)送短信詢問(wèn)主人，設(shè)置一定的等待時(shí)間，若主人無(wú)回復(fù)，根據(jù)天氣狀況默認(rèn)開(kāi)關(guān)。短信模塊不受時(shí)間，地點(diǎn)，距離的限制，實(shí)用快捷[2]。

1.3溫濕度傳感器

在窗戶外部安裝溫濕度傳感器對(duì)外界的環(huán)境空氣進(jìn)行溫度、濕度上的檢測(cè)，把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳到單片機(jī)。當(dāng)外界風(fēng)雨欲來(lái)時(shí)，空氣中的濕度會(huì)明顯增大，當(dāng)檢測(cè)到的濕度值超過(guò)預(yù)定單片機(jī)內(nèi)默認(rèn)值時(shí)，會(huì)自動(dòng)地將窗戶關(guān)閉，與此同時(shí)，與其相連的GSM短信模塊會(huì)將這一信息傳輸?shù)轿覀兪謾C(jī)上，通知我們“窗戶已經(jīng)關(guān)閉，是否進(jìn)行此操作”，我們可以選擇“是”或者“否”來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制是否關(guān)閉窗戶。雨停后，溫濕傳感器檢測(cè)到數(shù)值上的下降，然后再發(fā)送信息到手機(jī)，詢問(wèn)是否將窗戶打開(kāi)。若用戶想趁雨后室外空氣清新疏通一下室內(nèi)的空氣這會(huì)變得隨心所欲。實(shí)現(xiàn)了人工智能的要求，從而避免了因?yàn)橄掠陼?huì)將窗戶旁的物品淋濕的問(wèn)題。

1.4灰塵傳感器

在窗戶外部安裝灰塵傳感器可對(duì)外界的空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，灰塵傳感器(GP2Y1010AU0F)是專業(yè)檢測(cè)灰塵濃度的傳感器，應(yīng)用廣泛。

該裝置中，一個(gè)紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，對(duì)角布置成允許其檢測(cè)到在空氣中的灰塵反射光。該傳感器具有極低的電流消耗(最大20 mA，11 mA典型的)，可以搭載高達(dá)7VDC的傳感器。輸出的是一個(gè)模擬電壓正比于所測(cè)得的粉塵濃度，敏感性為0.5 V/0.1 mg/m3。

檢測(cè)原理如圖1，傳感器中心有個(gè)洞可以讓空氣自由流過(guò)，定向發(fā)射LED光，通過(guò)檢測(cè)經(jīng)過(guò)空氣中灰塵折射過(guò)后的光線來(lái)判斷灰塵的含量獲得測(cè)試數(shù)據(jù)(如圖2)，將測(cè)試得到的數(shù)據(jù)與空氣質(zhì)量對(duì)比(如圖3)，判斷出空氣質(zhì)量狀況。

圖1　檢測(cè)原理示意圖

圖2測(cè)試數(shù)據(jù)示意圖

圖3測(cè)試數(shù)據(jù)與空氣質(zhì)量對(duì)照示意圖

設(shè)置單片機(jī)的默認(rèn)值為300，當(dāng)傳感器檢測(cè)到的值大于300時(shí)，窗戶會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。檢測(cè)值下降時(shí)，短信模塊發(fā)送短信詢問(wèn)戶主“空氣質(zhì)量好，是否要打開(kāi)窗戶”，戶主回復(fù)是則窗戶打開(kāi)，反之依舊關(guān)閉[3]。

1.5風(fēng)力檢測(cè)部分

在窗戶外部安裝小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，當(dāng)外界環(huán)境起風(fēng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)它進(jìn)行發(fā)電，然后會(huì)點(diǎn)亮與之相連的密封的LED燈，密封空間內(nèi)光亮的變化引起光敏電阻的變化，將光敏電阻采集到的AD信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，由單片機(jī)判斷處理，最后對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制，關(guān)上窗戶。

1.6Keil程序設(shè)計(jì)

我們采用的控制系統(tǒng)是51系列的STC12C5A60S2單片機(jī)，使用的電腦編程軟件為Keil,程序下載軟件為STC，三者相互協(xié)作完成程序的運(yùn)行。

智能窗戶的程序設(shè)計(jì)：首先DHT11溫濕度模塊傳感器、灰塵傳感器、風(fēng)力檢測(cè)部分，采集到的數(shù)值全部通過(guò)5110液晶顯示屏表現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)傳感器采集到的溫濕度信號(hào)，與Keil程序里設(shè)定的數(shù)值不一樣時(shí)，STC12C5A60S2單片機(jī)就會(huì)通

過(guò)傳遞高低電平給電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制電機(jī)的工作[4]，達(dá)到整個(gè)智能系統(tǒng)的自動(dòng)化。

2特點(diǎn)

1) 實(shí)用性：現(xiàn)如今市面上的智能窗戶都是一套整體的窗戶，價(jià)格昂貴，大多都需要將原來(lái)的窗戶拆除后再安裝，成本大。我們?cè)O(shè)計(jì)研究的智能窗戶只是對(duì)現(xiàn)有的窗戶進(jìn)行改裝，在達(dá)到相同效果的情況下，與其他智能窗戶相比有成本低，安裝簡(jiǎn)單，使用方便等特點(diǎn)。

2) 自動(dòng)性：安裝該窗戶后，在惡劣天氣情況下，即使家中無(wú)人也不需要再擔(dān)心室內(nèi)的物品會(huì)損壞了，從根本上解決了人們擔(dān)心的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了人工智能自動(dòng)的特點(diǎn)。

3) 安全性：安裝該窗戶后，在惡劣天氣情況下，即使家中無(wú)人也不需要再擔(dān)心室內(nèi)的物品會(huì)損壞了，從根本上解決了以上我們提到的問(wèn)題。安裝該系統(tǒng)以后，也使室內(nèi)的空氣狀況大大改善，有益家人身體健康。

以上三大特點(diǎn)使目前的鋁合金窗戶能夠更好地滿足廣大人民群眾的需求，更快地引領(lǐng)窗戶市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉全忠.電子技術(shù)[M].第2版.北京:高等教育出版社,2004.

[2]侯亮，唐任仲，徐燕申.產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)理論、技術(shù)與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2004,40(1):56-60.

[3]謝自美.電子電路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試[M].第2版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.

[4]全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).第五屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2006：94-99.

Research and Design of Smart Window

Fan Zhenquan, Hou Xiaoxia

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,DezhouUniversity,DezhouShandong253023,China)

Abstract:It is necessary to study and design smart windows, for a lot of problems may occur when nobody is at home. According to the outdoor weather changes, the system can automatic control the window switch and by the way to improve the indoor air conditions. The interior things of inhabitants is protected from damage while make the living more comfortable.

Key words:GSM SMS module; temperature and humidity sensor; dust sensor; wind detecting; motor drive

收稿日期：2016-03-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410448040)

作者簡(jiǎn)介：范振全(1995- )，男，山東德州人，本科生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)03- 0086- 01

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A