關(guān)于可調(diào)控室內(nèi)環(huán)境的感應(yīng)關(guān)窗器設(shè)計

趙芳 魏爭 付志宏 康嘉皓 古治文

摘要：感應(yīng)自動關(guān)窗器通過對PIC單片機(jī)功能的應(yīng)用，將驅(qū)動裝置與各感應(yīng)器連接并讓感應(yīng)器控制驅(qū)動裝置以達(dá)到自動智能關(guān)窗，同時感應(yīng)器與室內(nèi)空調(diào)加濕器等家具連接，實現(xiàn)調(diào)控室內(nèi)空氣質(zhì)量與溫濕度，達(dá)到調(diào)控室內(nèi)環(huán)境的目的。

關(guān)鍵詞：關(guān)窗器;傳感器控制;環(huán)境調(diào)控;

引言

近年來，智能家居概念逐漸深入到國民的生活之中，并持續(xù)影響人們的思維。大眾開始嘗試使用智能家居系統(tǒng)，并享受智能化為家居生活帶來的舒適生活。5G網(wǎng)絡(luò)的即將普及更是為智能家居注入活力，使其能實現(xiàn)更多功能。但目前有關(guān)自動關(guān)窗器及窗戶的智能產(chǎn)品在調(diào)控室內(nèi)環(huán)境方面的研究相對較少，因此我們決定設(shè)計一款與門窗有關(guān)的可調(diào)控室內(nèi)環(huán)境的智能產(chǎn)品。我們從影響室內(nèi)環(huán)境的因素為出發(fā)點，設(shè)計一種可調(diào)控室內(nèi)環(huán)境的感應(yīng)自動關(guān)窗器。感應(yīng)自動關(guān)窗器就是以智能家居為應(yīng)用背景研發(fā)的一套控制室內(nèi)環(huán)境的產(chǎn)品，可以實現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程控制，為用戶提供便利。

一、感應(yīng)自動關(guān)窗器產(chǎn)品構(gòu)架

感應(yīng)自動調(diào)節(jié)關(guān)窗器感應(yīng)區(qū)功能框架示意圖

二、系統(tǒng)組成及工作步驟

感應(yīng)自動關(guān)窗器的感應(yīng)區(qū)主控系統(tǒng)包括單片機(jī)、傳感器、云服務(wù)器和APP。系統(tǒng)開始工作后防盜傳感器便開始獨(dú)立運(yùn)行，根據(jù)窗外紅外線感應(yīng)來判斷是否有人闖入，若有則發(fā)出警報，并將數(shù)據(jù)直接傳輸給用戶提示其報警。而其余感應(yīng)器則共同工作，首先是風(fēng)傳感器和雨傳感器將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，根據(jù)室外有無風(fēng)雨決定是否關(guān)窗;其后檢測室內(nèi)溫濕數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶事先設(shè)定的溫濕數(shù)據(jù)控制窗戶開關(guān)并控制空調(diào)和加濕器的運(yùn)行;最后單片機(jī)將數(shù)據(jù)處理完成后通過無線傳感技術(shù)傳輸?shù)皆品?wù)器，云服務(wù)器將處理好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩舻闹悄芤苿釉O(shè)備上。這些數(shù)據(jù)包括室內(nèi)的溫濕度，空調(diào)、加濕器以及窗戶的開關(guān)情況。由用戶調(diào)整各設(shè)備的運(yùn)行情況。此外為保障室內(nèi)空氣流通，主控系統(tǒng)會根據(jù)室內(nèi)各窗戶的當(dāng)前情況來決定窗戶是否開啟。

三、設(shè)計方案

為了能達(dá)到對室內(nèi)外環(huán)境的監(jiān)測調(diào)控， 感應(yīng)自動調(diào)節(jié)關(guān)窗器設(shè)計主體分為兩個部分，即感應(yīng)區(qū)部分和關(guān)窗器部分。

1.感應(yīng)區(qū)

為了避免室外環(huán)境對室內(nèi)環(huán)境的干擾，感應(yīng)區(qū)分為室外監(jiān)測區(qū)和室內(nèi)調(diào)控區(qū)兩部分。室外監(jiān)測區(qū)負(fù)責(zé)監(jiān)測室外環(huán)境變化，并以此控制窗戶開啟和關(guān)閉。室內(nèi)調(diào)控區(qū)負(fù)責(zé)監(jiān)測控制室內(nèi)環(huán)境，使室內(nèi)環(huán)境舒適度得到提高和改善。

（1）室外監(jiān)測區(qū)

室外監(jiān)測區(qū)包括兩部分，即風(fēng)傳感器和雨傳感器。

風(fēng)傳感器通過實時檢測風(fēng)速并將其轉(zhuǎn)換為電信號，傳輸給單片機(jī)。主要裝置有風(fēng)輪、傳感器電路。其主要原理是，將風(fēng)輪對室外風(fēng)速每分鐘的記錄數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，根據(jù)所編程序中設(shè)置的風(fēng)輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)下限值，決定是否需要啟動電機(jī)，以帶動窗戶移動，將其開啟或關(guān)閉。

雨傳感器我們則選用壓電式雨滴傳感器，根據(jù)雨滴落在雨傳感器上時其壓電振子產(chǎn)生壓電效應(yīng)使傳感器內(nèi)部發(fā)生振動，并將其轉(zhuǎn)化為電信號[1];單片機(jī)檢測到電信號后，便改變電機(jī)運(yùn)作方式，從而實現(xiàn)對窗戶的操控。此外單片機(jī)會統(tǒng)計室內(nèi)各窗戶開啟狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)傳輸給用戶，用戶可通過控制窗戶狀態(tài)改變室內(nèi)空氣流通情況，保證空氣清新，減少室內(nèi)病菌和污染物數(shù)量，使室內(nèi)環(huán)境健康舒適。

（2）室內(nèi)調(diào)控區(qū)

室內(nèi)調(diào)控區(qū)以溫濕度傳感器為主。

溫濕度傳感器用于檢測室內(nèi)溫濕度，手動控制器由三個按鍵開關(guān)組成即開、關(guān)和暫停，該控制器能夠讓窗戶選擇在合適的時候打開或關(guān)閉，具體情況為：當(dāng)室內(nèi)溫度在夏季處于20-24℃，冬季處于18-22℃，人體對外界的感覺比較舒適[2]。因此用戶可根據(jù)這個范圍內(nèi)的溫度設(shè)置屬于自己的體感溫濕度舒適區(qū)，之后APP會將用戶設(shè)計好的數(shù)據(jù)傳輸回單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)該數(shù)據(jù)對比溫濕傳感器傳輸回來的數(shù)據(jù)對室內(nèi)電器及窗戶進(jìn)行控制。

具體操作如下：若室內(nèi)溫度低于用戶設(shè)計的溫度舒適區(qū)或高于其設(shè)置區(qū)段2℃時：單片機(jī)會控制電機(jī)關(guān)閉窗戶（關(guān)窗目的是為了降低能耗），并開啟空調(diào)進(jìn)行制熱或制冷;若室內(nèi)溫度保持在用戶設(shè)計的溫度舒適區(qū)一小時以上，或高出設(shè)計區(qū)的溫度在2℃以內(nèi)時：單片機(jī)會根據(jù)室外監(jiān)測區(qū)數(shù)據(jù)情況控制開啟窗戶，保證室內(nèi)空氣流通;當(dāng)濕度低于設(shè)計區(qū)間時則開啟加濕器，增加室內(nèi)濕度。

通過以上各感應(yīng)器的數(shù)據(jù)輸入，單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理和APP的數(shù)據(jù)輸出，用戶能夠方便快捷的了解當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境的各種情況，通過主控系統(tǒng)根據(jù)用戶數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫、濕度以及室內(nèi)氣流情況達(dá)到對室內(nèi)環(huán)境調(diào)控的目的，同時用戶也能主動干預(yù)來提高其室內(nèi)居住的舒適度。

2.關(guān)窗器

（1）關(guān)窗器種類及原理

目前關(guān)窗器基本分為兩種，一種為鏈條式（其主要運(yùn)用于懸窗），包括開窗器、支架螺絲、固定碼、連窗塊、卡銷和螺絲;另一種為平移式（其主要用于推拉窗），包括開窗器電機(jī)導(dǎo)軌，外罩，窗扇連接件和堵頭。其中鏈條式關(guān)窗器工作原理為：單片機(jī)將電信號傳輸給開窗器，適配器將家庭用電電壓轉(zhuǎn)化為額定電壓，之后開窗器的核心部件之一電動正反轉(zhuǎn)馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動，并通過另一核心部件減速器裝置把這一過程產(chǎn)生的力量傳輸給鏈條，最后鏈條伸出、收回實現(xiàn)窗戶的開關(guān)動作;而平移式關(guān)窗器則是在電動正反轉(zhuǎn)馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動后帶動電機(jī)在導(dǎo)軌處運(yùn)作，電機(jī)帶動窗戶左右平動實現(xiàn)窗戶的開關(guān)動作。

（2）功能介紹

兩種關(guān)窗器雖然構(gòu)造有所差異，但功能是相同的。其功能包括強(qiáng)電控制、無線控制、速度調(diào)節(jié)、過流保護(hù)、柔性開合等。

當(dāng)設(shè)備剛啟動或即將停止時，會有一個緩起緩?fù)５娜嵝蚤_合過程，該過程可避免沖擊損壞玻璃，并且強(qiáng)電控制器開始控制電機(jī)工作;在運(yùn)行過程中，若電流超過預(yù)設(shè)安全值，電機(jī)則會自動停止工作該過程避免了電機(jī)損壞，實現(xiàn)了對其過流保護(hù);另外用戶可根據(jù)需要調(diào)節(jié)不同的輸出轉(zhuǎn)速（開關(guān)窗的速度）進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。

若關(guān)窗器運(yùn)行時其堵轉(zhuǎn)力大于設(shè)定值，則電機(jī)可自動停機(jī)，避免了由此造成的設(shè)備或系統(tǒng)損壞。此外如果關(guān)窗器在正常工作中遇到障礙物的阻擋，電機(jī)會進(jìn)行防夾手識別即自動反彈往相反方向運(yùn)行防止用戶夾傷，反彈五次后若不能正常通過則自動停止工作以避免損壞系統(tǒng)，而在關(guān)窗器工作前用戶也可根據(jù)不同環(huán)境設(shè)定反彈力度。當(dāng)設(shè)備遇到斷電（或用戶需要）時，用戶可拉開卡鎖或連接件，使窗戶能夠快速手動開啟或者關(guān)閉。另外用戶可利用手機(jī)控制關(guān)窗器工作從而實現(xiàn)無線控制。另外關(guān)窗器有自鎖功能，在窗戶關(guān)閉后外人無法通過外力在外面開啟窗戶，以此起到防盜作用。

四、總結(jié)

感應(yīng)自動調(diào)節(jié)關(guān)窗器通過傳感器對室內(nèi)環(huán)境的感應(yīng)，以控制屋內(nèi)窗戶的開啟，從而來調(diào)控室內(nèi)環(huán)境并且在風(fēng)力達(dá)到一定程度的情況下實現(xiàn)自動關(guān)窗，避免屋內(nèi)物品的損壞。這種對室內(nèi)的調(diào)控也相對具有缺陷，例如在風(fēng)向多變、風(fēng)雨交加的情況下，產(chǎn)品缺乏相應(yīng)的應(yīng)變能力。但相較于目前市場上存在的關(guān)窗器，便于進(jìn)行產(chǎn)品升級，緊跟市場趨勢。在智能化方面，感應(yīng)自動關(guān)窗器智能程度更高，而正是這種智能化幫助該產(chǎn)品實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控，滿足住戶的對高質(zhì)量生活的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]李建秋，趙六奇，韓曉東.汽車電子學(xué)教程.清華大學(xué)出版社，2011

[2]《環(huán)境科學(xué)大辭典》編輯委員會.環(huán)境科學(xué)大辭典.中國環(huán)境科學(xué)出版社，1991

作者簡介：

1、趙芳，女，1986 年7月生， 山西太原人。文學(xué)碩士，太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院輔導(dǎo)員。

2、魏爭，女，1987年1月生，山西汾陽人，法學(xué)碩士，太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院心理健康教育與咨詢中心負(fù)責(zé)人。

3、付志宏，男，1995年生，太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院土木工程專業(yè)學(xué)生。

4、康嘉皓，男，1997年生，太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院土木工程專業(yè)學(xué)生。

5、古治文，男，1997年生，太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院，土木工程專業(yè)學(xué)生。