一種新型智能窗戶系統(tǒng)的創(chuàng)意設(shè)計(jì)

賴啟平 黃寶娟* 王仕鴻 彭振華

(西安交通大學(xué) 實(shí)踐教學(xué)中心,陜西 西安710049)

隨著社會(huì)的高速發(fā)展,人口大量涌入城市,人們生存空間越來越擁擠,城市建筑不斷向高處發(fā)展,高層建筑是城市發(fā)展的必然產(chǎn)物,隨之而來的是兒童意外墜樓安全事故頻頻發(fā)生,給家庭帶來巨大悲痛,而窗戶是最易釀成墜樓事故的高危地帶[1]。高層住宅多采用框架式結(jié)構(gòu),窗戶玻璃面積較大,使得家庭日常對(duì)窗戶的清潔任務(wù)較為繁重,同時(shí)高層住戶清洗窗戶也具有較高的危險(xiǎn)性,尤其是窗戶外部的清潔給住戶帶來了巨大的挑戰(zhàn)。針對(duì)高層建筑窗戶安全防護(hù)的需求以及便于清潔的需求,本文給出了一種新型智能窗戶的創(chuàng)意設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了窗戶的自動(dòng)清潔、智能開閉、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全防護(hù)等功能,解決了高層住戶窗戶清潔困難和兒童墜樓問題。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

針對(duì)當(dāng)前高層住戶窗戶清潔和兒童安全防護(hù)的需求,智能窗戶系統(tǒng)不僅需要具備智能清潔功能、環(huán)境監(jiān)測(cè)功能,還要能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)與保障家中兒童人身安全。對(duì)此,智能窗戶系統(tǒng)綜合考慮高層住戶需求,從機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)上進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)。系統(tǒng)實(shí)物如圖1所示,主要由智能清潔機(jī)構(gòu)、窗戶自翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、主控板、WIFI模塊和多種傳感器組成。

圖1 智能窗戶系統(tǒng)實(shí)物圖

智能窗戶系統(tǒng)利用多種傳感器對(duì)室內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)采集到的信息進(jìn)行信號(hào)處理與判斷,針對(duì)不同情況完成窗戶的開閉和清潔。系統(tǒng)開始運(yùn)行后,各傳感器采集數(shù)據(jù),由控制器進(jìn)行處理,通過對(duì)溫濕度信息采集、光強(qiáng)信息采集和人體距離信息采集后有針對(duì)性做出不同反應(yīng),驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)發(fā)布模塊后,可通過WIFI模塊同步數(shù)據(jù)至服務(wù)器,用戶可通過WIFI網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)瀏覽系統(tǒng)信息。系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分包括傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)。傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用溫濕度傳感器檢測(cè)室內(nèi)外溫濕度,光強(qiáng)傳感器檢測(cè)室外光強(qiáng),超聲波傳感器檢測(cè)室內(nèi)兒童靠近距離。控制系統(tǒng)采用“探索者”創(chuàng)新組件中的Basra控制板配合BigFish擴(kuò)展板進(jìn)行控制,由外部電源供電,通過ESP8266WIFI模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)布[2-3]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括剪式清潔機(jī)構(gòu)、絲杠螺母?jìng)魉蜋C(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)等。系統(tǒng)的硬件框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

3 系統(tǒng)軟件流程

智能窗戶系統(tǒng)開始運(yùn)行后,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)進(jìn)行初始化,隨后,各傳感器采集數(shù)據(jù),溫濕度傳感器檢測(cè)室外環(huán)境溫濕度,光強(qiáng)傳感器檢測(cè)光線強(qiáng)弱,根據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作調(diào)整窗戶開合角度大小,在執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行前,由超聲波傳感器檢測(cè)結(jié)果判斷是否有兒童靠近,若有兒童靠近將減小窗戶打開角度或自動(dòng)關(guān)閉窗戶,以防止兒童發(fā)生墜樓意外。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過控制器和WIFI模塊與數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。當(dāng)用戶想要查看系統(tǒng)數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)時(shí),系統(tǒng)可向用戶展示當(dāng)前環(huán)境信息。系統(tǒng)主要軟件流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 窗戶內(nèi)外翻轉(zhuǎn)、智能開閉功能

該智能窗戶系統(tǒng)可以通過一個(gè)安裝在窗玻璃框底部的大舵機(jī)控制其繞中軸線轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)窗玻璃內(nèi)外側(cè)的翻轉(zhuǎn),這種窗戶安裝方式便于窗戶的清潔與維修,翻轉(zhuǎn)后也不影響室內(nèi)外空間。該功能的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)如圖5所示,主要包括大舵機(jī)、兩個(gè)固定轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)、窗框、窗玻璃等部件。

除了手動(dòng)開閉外,該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn):設(shè)置開閉時(shí)間自動(dòng)開閉、基于光強(qiáng)和溫濕度檢測(cè)結(jié)果的智能開閉(例如:雨天自動(dòng)關(guān)閉,晴天自動(dòng)打開等)[4]。

窗戶的自動(dòng)開閉由程序設(shè)定控制,通過舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。在關(guān)閉狀態(tài)下,主控板控制舵機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸和窗框向舵機(jī)可旋方向旋轉(zhuǎn)90°,則窗戶開啟；在開啟狀態(tài)下,主控板控制舵機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸和窗框順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°,窗戶均可關(guān)閉。

測(cè)試時(shí),用手電筒照射模擬太陽光照射,當(dāng)手電筒由約1.5米處向光強(qiáng)傳感器逐漸接近照射時(shí),可以得到光強(qiáng)傳感器測(cè)得的光強(qiáng)數(shù)值在0-1024之間；用噴霧模擬空氣濕度增大的情況,噴霧前后溫濕度傳感器測(cè)得的濕度數(shù)值在0-100之間。實(shí)驗(yàn)設(shè)定,在白天,當(dāng)測(cè)得濕度小于60%且光強(qiáng)大于500時(shí)判定為晴天,控制窗戶處于開啟狀態(tài),否則判定為雨天,控制窗戶處于關(guān)閉狀態(tài)；在夜晚,當(dāng)測(cè)得濕度大于80%時(shí)即判定為雨天,控制窗戶處于關(guān)閉狀態(tài)；為保證室內(nèi)溫暖,當(dāng)測(cè)得溫度小于20℃時(shí),控制窗戶關(guān)閉；在未有成人監(jiān)護(hù)時(shí),可設(shè)定當(dāng)檢測(cè)到有小孩靠近時(shí),控制窗戶關(guān)閉。

4.2 窗玻璃自動(dòng)清潔功能

該智能窗戶系統(tǒng)上裝有一種智能化窗玻璃清洗設(shè)備,可由人工操控或全自動(dòng)進(jìn)行清潔,亦可設(shè)置定時(shí)清潔。該功能解決了窗戶外玻璃難以清潔的難題,且可免于人工手持清潔設(shè)備清洗窗戶。該功能的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)如圖6所示,主要包括剪式清潔機(jī)構(gòu)、絲杠螺母?jìng)魉蜋C(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)、觸碰傳感器、清潔頭等。

圖6 智能清潔機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

該清潔機(jī)構(gòu)的各個(gè)功能模塊相互配合,實(shí)現(xiàn)窗玻璃的自動(dòng)清潔。在主控板的控制下,步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而轉(zhuǎn)化為剪式清潔機(jī)構(gòu)平臺(tái)的橫向移動(dòng),與此同時(shí),通過控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)剪式機(jī)構(gòu)的伸縮,實(shí)現(xiàn)清潔頭的豎直移動(dòng),清潔頭在兩個(gè)方向移動(dòng)的結(jié)合便可完成對(duì)整面窗玻璃的清潔。此外,觸碰傳感器起到限位作用,便于設(shè)定清潔起始點(diǎn)和平臺(tái)橫向移動(dòng)范圍。

4.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)功能

該智能窗戶系統(tǒng)裝有“探索者”創(chuàng)新組件的溫濕度傳感器、光強(qiáng)傳感器模塊,如圖7所示。借助這些傳感器,可以對(duì)室內(nèi)外溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè):傳感器將測(cè)得的溫濕度、光強(qiáng)等環(huán)境信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào),傳遞至主控板進(jìn)行處理和判斷,由主控板發(fā)出控制信號(hào)控制窗戶的開閉并將溫濕度和光強(qiáng)等環(huán)境數(shù)據(jù)傳遞至WIFI模塊發(fā)布至預(yù)設(shè)網(wǎng)頁中。

圖7 溫濕度傳感器和光強(qiáng)傳感器

4.4 安全防護(hù)功能

該智能窗戶系統(tǒng)裝有“探索者”創(chuàng)新組件的超聲測(cè)距傳感器模塊,如圖8所示。有小孩靠近時(shí),超聲測(cè)距傳感器檢測(cè)到距離信息,當(dāng)距離小于設(shè)定安全距離時(shí),主控板發(fā)出控制信號(hào)減小窗戶打開角度或關(guān)閉窗戶,且將窗戶鎖定[5]。

圖8 超聲測(cè)距傳感器

所選用的HC-SR04超聲波測(cè)距模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。其工作原理如下:采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距,給最少10us的高電平信呈；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波,自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回,通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平,高電平持續(xù)的時(shí)間就是波從發(fā)射到返回的時(shí)間,則測(cè)試距離=(高電平時(shí)間×聲速(340m/s))/2。當(dāng)測(cè)得小孩距離窗戶小于100cm時(shí),發(fā)送關(guān)閉信號(hào)至主控板,控制窗戶緩緩關(guān)閉。

4.5 WIFI發(fā)布與手機(jī)查看功能

本文使用了“探索者”創(chuàng)新組件的Basra主控板和Bigfish擴(kuò)展板,Basra是一款基于Arduino開源方案設(shè)計(jì)的一款開發(fā)板。Arduino在設(shè)計(jì)之初只有一對(duì)串口,最后分為兩路,一路連接排針,另一路連接atmega芯片,這對(duì)串口稱為硬串口,主要用于Arduino與其他設(shè)備的通信。在燒錄程序的時(shí)候,經(jīng)過主機(jī)編譯的程序會(huì)通過atmega芯片燒錄到Arduino的板載Flash上。而在程序運(yùn)行時(shí),Arduino可以通過該串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī),實(shí)現(xiàn)Arduino與主機(jī)的通信,便于調(diào)試程序。因此通常情況下Arduino板載的硬串口會(huì)被主機(jī)占用,從而阻塞與其他終端的通信。為解決串口占用問題,實(shí)現(xiàn)Arduino與ESP8266-WIFI模塊通信,本文使用了虛擬串口,即軟串口。

該智能窗戶系統(tǒng)通過軟串口通信的方式將檢測(cè)到的周邊環(huán)境參數(shù)傳輸?shù)紼SP8266 WIFI模塊中,進(jìn)一步通過WIFI模塊的AP本地服務(wù)器模式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)上,用戶只需訪問網(wǎng)頁即可獲取當(dāng)前環(huán)境參數(shù)。此外,考慮到系統(tǒng)節(jié)能要求,因此對(duì)用戶行為進(jìn)行監(jiān)聽,僅當(dāng)用戶訪問網(wǎng)頁時(shí)WIFI模塊才會(huì)請(qǐng)求傳感器數(shù)據(jù),從而達(dá)到在不降低功能的前提下減少能耗,顯示網(wǎng)頁如圖9所示。

圖9 網(wǎng)頁信息發(fā)布界面截圖

5 結(jié)論

文中創(chuàng)意設(shè)計(jì)綜合考慮了高層住戶窗戶清潔難和兒童安全防護(hù)等痛點(diǎn)問題,為解決高層住戶需求提供了一種解決方案,實(shí)現(xiàn)了無人操作時(shí)不同環(huán)境條件下的智能化開關(guān)窗；180°內(nèi)外翻轉(zhuǎn)式窗戶設(shè)計(jì),解決了窗戶清潔和維護(hù)不便的問題；融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)信息的掌控。選用“探索者”機(jī)器人創(chuàng)新組件,采用模塊化設(shè)計(jì)理念,完成了機(jī)器人示意樣機(jī)的搭建,樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)意設(shè)計(jì)的具體功能,本創(chuàng)意設(shè)計(jì)獲得了“第三屆中國(guó)高校智能機(jī)器人創(chuàng)意大賽”二等獎(jiǎng)。在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步將設(shè)計(jì)方案完善并實(shí)體化,使其結(jié)合智能家居進(jìn)行拓展,發(fā)揮更多作用。