一種智能節(jié)能窗設(shè)計(jì)研究*

張治海，李超逸，胡家寶，高 杰

（河北建筑工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

目前，市場(chǎng)普遍存在的兩種窗戶：一種是以傳統(tǒng)窗戶為代表的人工開關(guān)的窗戶，這種傳統(tǒng)窗戶不僅功能單一，且窗戶的開關(guān)受時(shí)間、人為因素的影響；一種是新興的智能窗戶，新興智能窗戶可以完全彌補(bǔ)這兩大不足。但由于我國(guó)智能窗戶的研究起步較晚，各種功能與技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用并不是十分完善，而且相對(duì)傳統(tǒng)窗戶，智能窗戶造價(jià)較高，因此，完整的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是具有一定難度的?；诖?，課題小組主要就智能窗戶的自動(dòng)控制系統(tǒng)以及窗戶機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，作出簡(jiǎn)要的敘述，為今后進(jìn)一步研究作鋪墊[1-2]。

1 智能窗戶的制動(dòng)控制模塊

本智能窗戶采用較為先進(jìn)節(jié)能的16位單片機(jī)（SPCE061A）系列；選用差動(dòng)半橋式力敏元件（壓力式傳感器），具有較高的牛頓力敏感度，體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率高；并組合溫濕度監(jiān)測(cè)器DHT11、報(bào)警器、差動(dòng)式電機(jī)等設(shè)計(jì)而成。結(jié)合了光、電、熱、濕、力等技術(shù)于一體，自動(dòng)化程度相對(duì)較高，具有防盜、防風(fēng)、防雨等功能[3-4]。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

1.1 單片機(jī)

本設(shè)計(jì)采用的是16位SPCE061A單片機(jī)作為主要的控制芯片，此芯片是繼SPCE500A后推出的又一款微型控制器，綜合考慮了用戶制作者較少的因素，以便更加快捷地調(diào)整、處理數(shù)據(jù)。與之前版本的芯片相比，SPCE061A微型控制器具有語音識(shí)別功能，使系統(tǒng)具有高度的自動(dòng)性。

1.2 敏感元件傳感器

濕敏傳感器DHT11、氣敏傳感器MQ-3、應(yīng)用專門數(shù)字模塊采集技術(shù)的紅外線感應(yīng)系統(tǒng)，以及其他敏感元件，同單片機(jī)共同組成初步的智能窗戶控制系統(tǒng)。濕敏傳感器計(jì)劃采用3 V～5.5 V電壓，進(jìn)行單線雙向的讀取。當(dāng)玻璃外邊的傳感器沒有水滴時(shí)，會(huì)輸出高電平，電機(jī)不工作；當(dāng)輸出低電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)窗戶的關(guān)閉。氣敏傳感器在沒有可燃性氣體或有毒氣體時(shí)，MQ-3傳感器的阻值較高；若有可燃性氣體或有害氣體進(jìn)入傳感器時(shí)，它的阻值會(huì)迅速降低，兩端的電壓也會(huì)隨之減低。紅外線感應(yīng)系統(tǒng)模塊主要運(yùn)用紅外線感應(yīng)技術(shù)，當(dāng)人體靠近窗戶時(shí)，傳感器會(huì)根據(jù)檢測(cè)到的人體紅外光譜的變化，從而對(duì)電路阻值進(jìn)行控制，來實(shí)現(xiàn)窗戶的關(guān)閉或報(bào)警。這些信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)處理，根據(jù)不同的環(huán)境需求分析處理數(shù)據(jù)，隨后會(huì)有各個(gè)模塊進(jìn)行相應(yīng)指令的操作，實(shí)現(xiàn)窗戶的智能化響應(yīng)。如圖2（a）所示。

圖2 程序流程圖

1.3 自動(dòng)百葉窗清洗裝置

本智慧節(jié)能窗的主體結(jié)構(gòu)是百葉窗的形式，本設(shè)計(jì)采用豎立式葉片，主要是為了有效地防止灰塵覆落在其上導(dǎo)致難以清理，其次是為了增大視角。出于節(jié)能考慮，用太陽能電池板和百葉窗進(jìn)行結(jié)合，在百葉窗上安裝太陽能板，使百葉窗在實(shí)現(xiàn)控制室內(nèi)陽光的同時(shí)可以儲(chǔ)存太陽能，來供給自身的智能機(jī)械裝置。同時(shí)，考慮到百葉窗葉片清理問題，采用導(dǎo)軌、毛刷、電機(jī)，將百葉窗進(jìn)行逐一的清理。清洗的裝置上將會(huì)安裝灰塵敏感元件，當(dāng)百葉窗或者玻璃上的灰塵超過規(guī)定的指標(biāo)后，毛刷將會(huì)自動(dòng)地對(duì)其進(jìn)行清理。

2 智能窗戶的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新模塊

窗戶的主體分為玻璃部分與百葉窗部分，玻璃部分位于窗戶的外側(cè)，百葉窗位于室內(nèi)，這兩道屏障結(jié)合形成了智能窗戶的主體系統(tǒng)。外側(cè)的玻璃部分主要用來抵御刮風(fēng)、雨水、沙塵暴等，還兼具報(bào)警系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)。室內(nèi)的百葉窗用來調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗。如圖2（b）所示。

2.1 玻璃部分主要結(jié)構(gòu)

玻璃部分主要由實(shí)體玻璃、溫敏傳感器、濕敏傳感器、力敏傳感器以及各種機(jī)械傳遞結(jié)構(gòu)組成。用以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞以及裝置機(jī)構(gòu)的自動(dòng)關(guān)閉、通風(fēng)、防盜的功能。

玻璃外安裝有濕敏感應(yīng)器、光敏感應(yīng)器、力敏感應(yīng)器，當(dāng)外界自然環(huán)境已經(jīng)影響到室內(nèi)居民的正常休息時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)及時(shí)分辨環(huán)境狀況，并且發(fā)出相應(yīng)的指令，對(duì)窗戶的打開或關(guān)閉進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

同時(shí)，室外的玻璃部分可安裝報(bào)警器與攝像頭，將組合型防盜設(shè)備裝于一體。當(dāng)外界有人試圖通過翻窗進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，報(bào)警器會(huì)及時(shí)與主人聯(lián)系并且報(bào)警，攝像頭記錄下嫌疑人的基本特征，從而最大限度地保障居民的人身以及財(cái)產(chǎn)安全。

2.2 百葉窗的機(jī)械設(shè)計(jì)

現(xiàn)如今，百葉窗的功能早已不僅僅是簡(jiǎn)單的控制采光，更進(jìn)一步的自動(dòng)清理與夜間自動(dòng)關(guān)閉，已經(jīng)成為了時(shí)代的主流。為此，設(shè)計(jì)了一些百葉窗的基本進(jìn)階結(jié)構(gòu)。如圖3所示。

圖3 百葉窗簡(jiǎn)圖

百葉窗的葉條采用的材料是優(yōu)質(zhì)木板，木頭的材質(zhì)較為符合東方人的審美，且對(duì)人的身體無害，邊緣較為平滑，不存在金屬利器割傷人體等問題。而且木質(zhì)的百葉窗片質(zhì)量輕便、遮光性較好，通透性能差，完全符合遮陽的基本條件。

百葉窗卷簾的開合，是依靠電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)皮帶的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)百葉窗的開與閉。如若皮帶發(fā)生老化而斷裂，可以將葉片拆卸下來，進(jìn)行皮帶的更換。在每一階的葉板上都會(huì)設(shè)置清洗葉片的裝置，采用逐層清理的方法，對(duì)每一片葉板進(jìn)行清理，因此清洗灰塵時(shí)更加方便，省去了人工拆卸的麻煩。

整個(gè)窗戶的模型大體可以分為兩層，最外層是真正的實(shí)體玻璃，窗戶上裝有濕敏開關(guān)、溫敏開關(guān)、力敏開關(guān)等，當(dāng)外界的自然環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，窗戶會(huì)根據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別，從而進(jìn)行合理的開啟；內(nèi)層則是由百葉窗裝置構(gòu)成的，百葉窗主要由窗葉、副連接桿、旋轉(zhuǎn)軸、主連接桿構(gòu)成。

初步設(shè)定的主連接桿和副連接桿的參數(shù)與材質(zhì)是一樣的，均有韌性較好的鋁合金作為支撐。副連接軸連接旋轉(zhuǎn)軸，負(fù)責(zé)通過對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的橫向移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主連接軸的橫向移動(dòng)，進(jìn)而控制室內(nèi)的采光；主連接桿連接木質(zhì)百葉窗片和旋轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)百葉窗片的自由旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)連接桿的長(zhǎng)度可根據(jù)不同的窗戶長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)（本模型長(zhǎng)度擬定1 200 mm），每節(jié)長(zhǎng)度為50 mm，此設(shè)計(jì)為24節(jié)，高度固定為15 mm，符合樣板窗戶的設(shè)計(jì)安裝。每節(jié)連接處采用滑移的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，可以較好地減少摩擦。如圖4所示。

圖4 主副連接桿

葉片的長(zhǎng)度、寬度自然也可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行定制，本次設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度為1 200 mm，單根寬度50 mm，采用木質(zhì)材料，具有較好的安全性與避光性，每支木條的上方都挖有相同尺寸的圓孔，用于連接旋轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)180°的遮光旋轉(zhuǎn)。且連接處由螺栓、螺母進(jìn)行連接，方便百葉窗葉片與連接裝置的拆卸。

連接軸的兩頭分較長(zhǎng)、較短兩個(gè)部分。較短的部分連接在副連接軸，用于固定；較長(zhǎng)的部分連接在主連接軸和百葉窗片上，也起固定作用。旋轉(zhuǎn)軸的材質(zhì)采用鋁合金，可以與木片形成較好的吻合，且增加韌性，提高窗戶的使用壽命。如圖5所示。

圖5 連接軸

3 結(jié)束語

智能窗戶以及智能家居的不斷發(fā)展，是當(dāng)今社會(huì)日益進(jìn)步的基石。智能家居的控制系統(tǒng)組合成一套整體，對(duì)于科技智能化的快速發(fā)展有著極其重要的推動(dòng)作用?？梢詫?shí)現(xiàn)多方面的優(yōu)點(diǎn)：自動(dòng)性、安全性、融貫性、創(chuàng)新性等。

本文介紹了智能窗戶的一些基本功能與基本結(jié)構(gòu)，一個(gè)完整的智能窗戶工作系統(tǒng)應(yīng)兼具電氣自動(dòng)控制與巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。人工智能的發(fā)展，是推動(dòng)智能化家居的重要?jiǎng)恿?；未來家居將?huì)被智能家居所取代，為住戶營(yíng)造一個(gè)舒適、安全、方便的生活環(huán)境。