呼吸式遠(yuǎn)程智能窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樊夏炎 賈曉娣 張帥 羅瑩 苗華明

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。窗戶作為室內(nèi)與外界交流的通道，與人們的生活息息相關(guān)。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能窗戶越來(lái)越多的被應(yīng)用與現(xiàn)代智能化的建筑中，為人們提供了安全、便捷的生活環(huán)境。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，智能家居是未來(lái)發(fā)展的方向，智能窗戶會(huì)逐漸被越來(lái)越多的家庭多應(yīng)用。本文介紹了遠(yuǎn)程智能窗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以供參考。

關(guān)鍵詞：呼吸式 智能窗 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）11（a）-0-02

近年來(lái)，電子信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，推動(dòng)了智能化的發(fā)展。智能家居系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)等，結(jié)合與家居生活相關(guān)的各種子系統(tǒng)，為人們提供舒適、安全的智能化生活空間。作為智能家居中的智能窗戶，具有自動(dòng)檢測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量、防盜報(bào)警、自動(dòng)關(guān)窗等功能。在刮風(fēng)或者下雨的情況下，會(huì)自動(dòng)識(shí)別天氣，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)窗動(dòng)作，提高人們的生活質(zhì)量，增強(qiáng)家居生活的安全、舒適性。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

智能窗產(chǎn)品最早起源于20世紀(jì)70年代的美國(guó)，后來(lái)逐漸應(yīng)用于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。截止到2003年，北美節(jié)能門窗的規(guī)模達(dá)到1.2億m2，歐洲國(guó)家的節(jié)能門窗規(guī)模為1.6億m2。從發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑能耗構(gòu)成來(lái)看，窗戶的建筑面積占到總建筑面積的25%以上，因此，節(jié)能窗戶的推廣具有廣闊的發(fā)展前景。節(jié)能窗戶標(biāo)識(shí)體系的建立是為了讓消費(fèi)者和設(shè)計(jì)人員選擇合適的節(jié)能產(chǎn)品，如英國(guó)門窗等級(jí)認(rèn)定委員會(huì)規(guī)定節(jié)能窗標(biāo)識(shí)體系包括窗質(zhì)材料、窗框設(shè)計(jì)、玻璃類型和窗戶的其他構(gòu)件。美國(guó)1991年啟用產(chǎn)品認(rèn)證冊(cè)，采用U值傳熱系數(shù)評(píng)定門窗，1993年，正式啟用NFRC標(biāo)識(shí)，使用太陽(yáng)得熱因子和可見(jiàn)光滲透率，1995年，NFRC使用空氣滲透率的測(cè)定及標(biāo)識(shí)。

2 智能窗戶的功能特點(diǎn)

智能窗戶可以完成人工思考后才能完成的事情，智能控制窗戶的開(kāi)啟或者關(guān)閉，根據(jù)用戶的具體要求，對(duì)室內(nèi)空氣、室外環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以提高用戶的居住質(zhì)量，智能窗戶的功能主要有以下幾個(gè)方面。（1）自動(dòng)檢控火災(zāi)和燃?xì)?。?dāng)室內(nèi)有煤氣泄漏或者有害氣體時(shí)，智能控制器中的微電腦會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，并自行把窗戶打開(kāi)，避免造成更大的損失。（2）凈化室內(nèi)空氣。智能門窗傳感器可以檢測(cè)到室內(nèi)空氣中的苯、香煙粒子、乙胺等有害物質(zhì)，當(dāng)有害物質(zhì)超標(biāo)時(shí)，就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)窗戶，及時(shí)通風(fēng)，降低室內(nèi)有害物質(zhì)的濃度。當(dāng)室外的PM2.5含量超出設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，窗戶會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，降低對(duì)人體的傷害。（3）智能窗戶的安全性能高。智能窗戶能夠根據(jù)人體的身高來(lái)判定靠近窗戶的是否是小孩，當(dāng)小孩靠近窗戶時(shí)，窗戶會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，保護(hù)小孩的安全。（4）自動(dòng)防風(fēng)防雨功能。很多家庭出現(xiàn)過(guò)忘記關(guān)窗戶的情況，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)天氣狀況時(shí)，沒(méi)有防備，導(dǎo)致雨水進(jìn)入室內(nèi)，打濕衣物或者家居。智能窗戶的傳感器可以感知空氣中的雨滴或者風(fēng)力，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到3級(jí)時(shí)，窗戶就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，避免雨滴吹進(jìn)家里的情況。

3 遠(yuǎn)程智能窗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能窗戶控制系統(tǒng)主要有硬件和軟件兩部分組成。硬件部分由單片機(jī)擴(kuò)展的外圍電路以及各種實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)控制功能的接口電路組成。軟件部分主要由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其特定控制功能的各種程序組成。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制元件，來(lái)控制窗戶的開(kāi)閉動(dòng)作；溫濕度傳感器來(lái)感知外界環(huán)境的變化，為單片機(jī)提供數(shù)據(jù)支持，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行通過(guò)主控制芯片來(lái)完成。智能窗供電來(lái)源為太陽(yáng)能電池板，以保證能源的清潔性和可持續(xù)性。通過(guò)內(nèi)部的傳感器來(lái)對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果反饋給單片機(jī)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)APP，手機(jī)APP再根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶鞖忸A(yù)報(bào)信息及時(shí)的和采集到的信息進(jìn)行比對(duì)，智能地對(duì)窗戶進(jìn)行開(kāi)閉。

3.1 氣體檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

室內(nèi)氣體的濃度需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)。本設(shè)計(jì)采用MQ-135傳感器作為氣體檢測(cè)模塊的核心部件，對(duì)于空氣質(zhì)量檢測(cè)有較好的靈敏度，該傳感器采用的是雙面板設(shè)計(jì)，具有電源指示和TTL模擬信號(hào)輸出；TTL輸出有效信號(hào)為低電平；模擬量輸出的電壓，濃度越高電壓越高；相應(yīng)恢復(fù)快速；使用壽命長(zhǎng)和可靠的穩(wěn)定性。工作原理：通過(guò)將氣體檢測(cè)傳感器TTL輸出端與單片機(jī)的IO口連接，來(lái)檢測(cè)室內(nèi)煙霧濃度，當(dāng)對(duì)應(yīng)的IO口味低電平時(shí)，說(shuō)明室內(nèi)的煙霧濃度過(guò)高，相應(yīng)的MCU像電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸出控制窗戶打開(kāi)的PWM波，及時(shí)打開(kāi)窗戶，進(jìn)行通風(fēng)，降低室內(nèi)煙霧濃度，提高用戶的居住安全性。

3.2 人體感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中引入人體紅外檢測(cè)模塊，防止室外人員進(jìn)入或者室內(nèi)人員掉落的情況。本系統(tǒng)選用的是HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊，具有延時(shí)時(shí)間可調(diào)，觸發(fā)方式可調(diào)，輸出TTL電平與單片機(jī)可以直接相連的優(yōu)點(diǎn)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)過(guò)程選用的是可重復(fù)觸發(fā)的方式，當(dāng)感應(yīng)器輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果有人在感應(yīng)范圍內(nèi)（2m左右）活動(dòng)，輸出將一直保持高電平，直到人離開(kāi)后延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖?。每檢測(cè)到一次人體活動(dòng)就會(huì)自動(dòng)順延一個(gè)延時(shí)時(shí)間段，并且以最后一次活動(dòng)的時(shí)間為延時(shí)時(shí)間的起始點(diǎn)。工作原理：通過(guò)將人體紅外感應(yīng)模塊與單片機(jī)的I/O口相連，來(lái)實(shí)現(xiàn)人體的紅外檢測(cè)，當(dāng)對(duì)應(yīng)I/O口為高電平時(shí)，窗戶就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，防止室外人員進(jìn)入或者室內(nèi)人員掉落的情況。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要兩個(gè)模塊，需要在室外窗臺(tái)及室內(nèi)窗臺(tái)上安裝，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是AM2321B濕敏電容數(shù)字溫濕度模塊，這是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度符合傳感器，采用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有可靠的穩(wěn)定性能。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和高精度測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連。該模塊體積小，能耗低，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，應(yīng)用范圍廣泛。工作原理：每個(gè)傳感器進(jìn)行了精確的溫度校驗(yàn)，將校驗(yàn)后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)中，為檢測(cè)信號(hào)的處理提供數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的比對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)窗戶的開(kāi)閉。

3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

窗戶的開(kāi)閉需要電機(jī)來(lái)控制，本系統(tǒng)采用的是L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片作為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的核心部件，電源選擇12V，2A的開(kāi)關(guān)電源，將步進(jìn)電機(jī)確定為17HS5604作為控制電機(jī)。將步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)模塊連接，用單向四拍的方式來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，將L298N驅(qū)動(dòng)芯片的輸入IN1-IN4與單片機(jī)的I/O口相連，通過(guò)輸出的正向與反向的PWM波來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)窗戶的開(kāi)啟或者關(guān)閉。

4 結(jié)語(yǔ)

呼吸式智能窗戶的設(shè)計(jì)在前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)智能控制，實(shí)現(xiàn)窗戶的自動(dòng)開(kāi)啟或者關(guān)閉，滿足用戶的實(shí)際要求，提高用戶的居住質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不斷完善智能窗戶系統(tǒng)，為用戶提供更高質(zhì)量的體驗(yàn)。

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