基于WiFi的手機(jī)監(jiān)控智能窗戶開窗器設(shè)計(jì)

宋濤++管建峰++李善俊++范鵬++劉達(dá)

摘 要：隨著互聯(lián)網(wǎng)和我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，智能家居慢慢進(jìn)入了人們的生活。設(shè)計(jì)了一套基于WiFi的手機(jī)監(jiān)控智能窗戶開窗器。整體設(shè)計(jì)方案需要解決的技術(shù)問題是機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和加工，用于控制機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的電路和電動(dòng)機(jī)、控制元器件的選型等問題。設(shè)計(jì)整套設(shè)備的最終目的是實(shí)現(xiàn)使用手機(jī)APP即可對(duì)窗戶進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作控制。

關(guān)鍵詞：開窗器；遠(yuǎn)程監(jiān)視；自動(dòng)化技術(shù)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TU855 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.073

在未來的幾年中，智能窗市將進(jìn)入新的產(chǎn)業(yè)整合階段，可能會(huì)出現(xiàn)部分規(guī)模較大、口碑較好的廠家。從生產(chǎn)的角度上看，窗戶會(huì)不斷智能化、模塊化，用戶可依據(jù)自身的需求任意選擇產(chǎn)品，從而滿足不同層次用戶的需求。目前，很多智能窗戶采用一體化設(shè)計(jì)，更換窗框的概率較低。部分高端智能窗的價(jià)格昂貴、控制算法復(fù)雜，需要頻繁地修改設(shè)計(jì)，且功耗較大；部分智能窗的功能簡(jiǎn)單，無法進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，難以推廣和應(yīng)用。因此，本文提出了將自動(dòng)化技術(shù)與WiFi技術(shù)有效結(jié)合的手機(jī)監(jiān)控智能窗戶開窗器。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該開窗器主要由機(jī)械和電氣兩大部分組成。

1.1 開窗器機(jī)械部分的整體設(shè)計(jì)方案

開窗器的機(jī)械部分主要由窗戶、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、減速器、電動(dòng)機(jī)等部件組成。

1.2 開窗器電氣部分的整體設(shè)計(jì)方案

開窗器的電氣部分主要由智能插座和控制電路部分所組成?？刂齐娐分饕扇蹟嗥?、接觸器、熱繼電器、行程開關(guān)和傳感器等電器元件組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

智能開窗器的工作步驟分為以下6步：①使用手機(jī)上的APP，并連接WiFi向智能插座發(fā)出指令；②智能插座接收指令后由插座引入電源（控制電源的接通或斷開）傳送至控制電路部分，從而實(shí)現(xiàn)控制；③控制電路部分，即通過控制電路中的各種元器件來實(shí)現(xiàn)電路的控制功能，使電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)，從而使得滑塊做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；④由于滑塊是固定在窗戶上的，因此，滑塊也會(huì)帶動(dòng)窗戶做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)窗戶的打開和關(guān)閉；⑤窗戶上的玻璃使用了變色系統(tǒng)，通過光線的強(qiáng)弱可自動(dòng)變色，

從而起到保護(hù)家居產(chǎn)品的作用；⑥監(jiān)控設(shè)備具有攝像功能和環(huán)境檢測(cè)功能，可通過攝像頭監(jiān)控外界環(huán)境，并將得到的數(shù)據(jù)反饋至手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)人工實(shí)時(shí)控制。開窗器如圖2所示。

圖4為智能插座的手機(jī)APP界面。設(shè)計(jì)步驟完成后，需要進(jìn)行選型工作。對(duì)于電機(jī)的選型而言，需考慮電機(jī)的類型、功率、電壓、轉(zhuǎn)速、外形結(jié)構(gòu)和安裝方式等；減速器的選型需要考慮其所適用的速度、載荷以及傳動(dòng)比等；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇需要考慮傳動(dòng)方式、扭矩大小、傳動(dòng)精度、傳動(dòng)的平穩(wěn)性、載荷的大小和剛性強(qiáng)度等。此外，考慮到產(chǎn)品可行性的同時(shí)，也要考慮到產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。

2 智能開窗器可解決的問題及應(yīng)用

通過本項(xiàng)目的研究，可以使人們的生活進(jìn)一步走向智能化，解決窗戶與智能插座相互獨(dú)立無法相連的問題。同時(shí)，本項(xiàng)目的成功研發(fā)也是對(duì)人們家庭財(cái)產(chǎn)安全的進(jìn)一步保障。此外，由于玻璃的變色功能可對(duì)家具和地板進(jìn)行有效的保護(hù)，避免了陽(yáng)光的直接照射，從而延長(zhǎng)其壽命，且對(duì)于上班族而言，可更加靈活地控制窗戶的打開和關(guān)閉，使室內(nèi)的通風(fēng)問題得到更好的解決。

21世紀(jì)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的總體目標(biāo)就是在各個(gè)國(guó)家，進(jìn)而在全球建立完善的信息基礎(chǔ)設(shè)施。信息基礎(chǔ)設(shè)施將改變?nèi)藗兊纳睢W(xué)習(xí)、工作等，減輕人們的工作負(fù)擔(dān)，提高人們的生活水平，最終推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步。

在WiFi技術(shù)概論中，無線局域網(wǎng)以射頻無線電波代替有線局域網(wǎng)中的部分和全部傳輸介質(zhì)，并使用了相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。當(dāng)WiFi發(fā)出載波信號(hào)時(shí)，接收端通過信號(hào)處理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、放大、轉(zhuǎn)換等，進(jìn)而控制產(chǎn)品作出相應(yīng)的動(dòng)作。決定局域網(wǎng)特性的主要技術(shù)由3個(gè)，即用以傳輸數(shù)據(jù)的傳輸介質(zhì)、連接各種設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和共享資源的介質(zhì)訪問控制方法。局域網(wǎng)的特點(diǎn)包括覆蓋范圍比較小、信息傳輸速率比較高等。由此可見，無線局域網(wǎng)是很有應(yīng)用前景的一種局域網(wǎng)。

一般WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

發(fā)送信號(hào)時(shí)，收發(fā)器本身會(huì)直接輸出小功率的微弱的射頻信號(hào)至功率放大器進(jìn)行功率放大，然后通過收發(fā)轉(zhuǎn)換器，并經(jīng)由天線輻射至空間；接收信號(hào)時(shí)，天線會(huì)感應(yīng)到空間的電磁信號(hào)，信號(hào)通過轉(zhuǎn)換器后，會(huì)送至噪聲放大器放大，放大后的信號(hào)可直接送至收發(fā)器解調(diào)。

在整個(gè)電路中，無線收發(fā)器起到了核心作用——進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，即數(shù)模與模數(shù)的轉(zhuǎn)換。數(shù)模轉(zhuǎn)換的原理為：數(shù)字系統(tǒng)中的數(shù)字量大多采用二進(jìn)制數(shù)碼，因此，DAC輸入的是數(shù)字量，輸出的是模擬量。輸出電壓模擬量的大小與輸入數(shù)字量成正比。

由于模擬信號(hào)在時(shí)間上和量值上是連續(xù)的，而數(shù)字信號(hào)在時(shí)間上和量值上都是離散的。因此，在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，需要先按一定的時(shí)間間隔對(duì)模擬電壓值取樣，從而使其變成時(shí)間上的離散信號(hào)。此外，還需要保持取樣電壓值，并在這段時(shí)間內(nèi)對(duì)取樣值進(jìn)行量化，使取樣值變成離散的量值，最后通過編碼將量化后的離散量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。在此情況下，經(jīng)過量化、編碼后的信號(hào)會(huì)變?yōu)闀r(shí)間和量值都離散的數(shù)字信號(hào)。本項(xiàng)目適用的對(duì)象包括以下11個(gè)：①窗戶的安裝位置較高或過遠(yuǎn)，僅依靠人力觸及不到的窗戶；②樓層有消防聯(lián)動(dòng)通風(fēng)要求的消防排煙窗；③有氣象開/關(guān)窗要求的，比如下雨時(shí)需自動(dòng)關(guān)閉的窗戶；④對(duì)室內(nèi)有恒溫要求的，比如蔬菜或花卉溫室的窗戶；⑤對(duì)室內(nèi)溫度有要求的，溫度過高自動(dòng)打開的窗戶；⑥對(duì)空氣指數(shù)要求較為嚴(yán)格的，需及時(shí)定時(shí)通風(fēng)換氣的窗戶；⑦室內(nèi)需要一定的亮度，并且需要調(diào)節(jié)百葉窗的角度；⑧需要密封的窗戶，比如防雨天窗；⑨其他場(chǎng)合，比如化工、粉塵等工廠車間；⑩綠色、智能、節(jié)能現(xiàn)代高層建筑，比如幕墻、窗戶等；?樓宇自動(dòng)控制、智能家居控制等。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

目前，市場(chǎng)上的門窗開關(guān)基本上都是利用人工進(jìn)行開和關(guān)的，而本項(xiàng)目的目的是利用現(xiàn)階段成熟的WiFi技術(shù)，并結(jié)合機(jī)械電子和自動(dòng)化技術(shù)對(duì)門窗進(jìn)行智能控制。市場(chǎng)上的WiFi智能插座與門窗是互相獨(dú)立，缺乏將智能控制開關(guān)與門窗相連接的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，且智能化程度較低。WiFi是在近年來發(fā)展起來的，雖然利用WiFi對(duì)家居產(chǎn)品的智能化控制已經(jīng)出現(xiàn)，但其產(chǎn)品覆蓋范圍較小，因此，對(duì)于利用WiFi控制門窗的相關(guān)研究較少。本項(xiàng)目主要對(duì)智能家居進(jìn)行了研究，并結(jié)合WiFi技術(shù)更好地對(duì)開窗器進(jìn)行了無線控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于WiFi的手機(jī)監(jiān)控智能窗戶開窗器是一種集機(jī)械、電氣與WiFi技術(shù)于一體的現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化智能產(chǎn)品。該產(chǎn)品可滿足人們對(duì)智能化產(chǎn)品的期待，提升人們的生活水平。目前，該技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及人們的日常工作、生活中被廣泛應(yīng)用。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們的生活水平不斷提高，人們對(duì)智能化產(chǎn)品的需求不斷加大，該技術(shù)將得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

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〔編輯：張思楠〕