一種晾曬一體智能窗戶的設(shè)計及分析

程慧倫 徐中青 張小雪 魏 卓 張會利*

（江漢大學智能制造學院，湖北 武漢 430000）

1 設(shè)計背景

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快以及人民生活水平的提高，人們對高質(zhì)量居家生活的要求越來越高。然而，在高樓林立的城市，小戶型居民受住房區(qū)域限制，晾曬問題也是極為嚴峻的一個問題；另一方面，由于氣候變暖，極端氣候頻發(fā)，高樓通風和應(yīng)對天氣變化的矛盾也愈發(fā)突顯。與此同時，社會進一步老齡化，越來越多老年人居家生活不便的問題也暴露出來。為解決以上問題，在調(diào)研并查閱相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對窗戶進行創(chuàng)新設(shè)計，設(shè)計一種集語音交互、智能檢測、自動控制一體的智能窗戶。

2 市場產(chǎn)品分析與對比

隨著人們生活水平的提高，對物質(zhì)需求越來越高，對居家環(huán)境與條件要求也越來越高，為滿足人類需求，市場應(yīng)運而生許多智能家居產(chǎn)品，其中就包含了很多門窗行業(yè)，其設(shè)計新穎獨特，但也存在不少缺點：例如目前市場上一些智能窗戶，設(shè)計結(jié)構(gòu)復雜，但功能單一，只能滿足開關(guān)窗的功能，缺乏對天氣的智能檢測和晾曬問題的考量；受住房周圍噪音和環(huán)境影響，大部門居民選擇平開窗花，因為其隔音保溫效果較好，但是目前市場此類平開窗花的開關(guān)角度極小，喪失了窗戶開關(guān)的本質(zhì)意義。基于以上市場調(diào)研，本文為解決以上問題，設(shè)計出一種晾曬一體的智能窗戶，以平開窗為例，在傳統(tǒng)平開窗戶的基礎(chǔ)之上設(shè)計了絲杠螺母副實現(xiàn)開關(guān)窗功能，在窗戶外圍安裝一組雨水和風速檢測傳感器，通過傳感器檢測天氣變化，能夠?qū)崿F(xiàn)自動開關(guān)窗，應(yīng)對惡劣天氣變化；在窗框安裝墻體立柱上安裝衣服晾曬機構(gòu)，該機構(gòu)由舵機控制運動，這一設(shè)計，既節(jié)約了晾曬空間，又可通過傳感器配合開關(guān)窗并實現(xiàn)自動收取衣物的功能；此外，在窗戶系統(tǒng)中，單獨設(shè)置語音模塊，窗戶的開閉也可由語音模塊控制，實現(xiàn)人機交互，方便居家老人和其他行動不便的人士使用。

3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 開關(guān)窗傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

晾曬一體智能窗戶在無人監(jiān)督情況下，能提供自主控制窗戶功能。對機械傳動要求較高，尤其是傳動的平穩(wěn)性和效率問題，基于以上考究，采用滾珠絲杠螺母傳動。如圖1所示。采用滾珠絲杠傳動的優(yōu)點，其傳動效率較高，這樣可保證開關(guān)窗的時效性，當惡劣天氣出現(xiàn)時，可立即實現(xiàn)窗戶的關(guān)閉；滾珠絲杠可實現(xiàn)微量移動，因此對開關(guān)窗的角度可實現(xiàn)微量控制，最大限度的利用空間：且滾珠絲杠傳動平穩(wěn)，由于其傳動間隙小，可使開關(guān)窗過程較為平穩(wěn)、順滑，減少卡頓等故障，延長使用壽命。

圖1 滾珠絲杠螺母傳動

3.2 開關(guān)窗角度控制

開關(guān)窗角度的控制如圖2所示，絲杠旋轉(zhuǎn)帶動螺母做直線移動，螺母連接塊將螺母與連桿一端連接，連桿另一端與活動窗框底部連接，具體連接方式如圖3所示，螺母座直線移動帶動活動窗框?qū)崿F(xiàn)一定角度的開關(guān)窗功能。

圖2 開關(guān)窗角度的控制

圖3 開關(guān)窗角度的控制

3.3 晾曬結(jié)構(gòu)的設(shè)計

當刮風下雨惡劣天氣情況下，除實現(xiàn)自動關(guān)窗功能之外，同時要實現(xiàn)衣物的自動收取功能。本設(shè)計考慮到晾曬的空間問題，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單且滿足晾曬的四桿機構(gòu)，輔以舵機控制，實現(xiàn)衣物的晾曬和收取。如圖2所示。連桿1中的U型孔為限制連桿機構(gòu)開合角度限位，連桿1連桿2連桿3采用鉚接的方式連接在一起，連桿2一端裝有直線移動軸承，在連桿1的U型孔中做直線移動。連桿中的孔用來掛放晾衣架。局部示意圖如圖4。

圖4 連桿晾衣架圖

4 傳感器模塊設(shè)計

智能衣物的晾曬與窗戶的開關(guān)，其智能化就在于傳感器模塊的運用，本設(shè)計以單片機為主控芯片，結(jié)合雨滴傳感器、風速傳感器、語言傳感器、人體紅外傳感器、步進電機并設(shè)計相關(guān)主控電路與驅(qū)動電路實現(xiàn)控制，充分體現(xiàn)模塊化設(shè)計思想，主要控制流程如圖5所示。

圖5 控制流程圖

4.1 系統(tǒng)主控及各外設(shè)初始化后，開啟定時器進入主循環(huán)程序。

4.2 雨滴傳感器產(chǎn)生是否有雨信號發(fā)送給主控；風速傳感器產(chǎn)生感應(yīng)電壓，經(jīng)放大電路處理，產(chǎn)生風力信號發(fā)送給主控；人體紅外傳感器通過對人體紅外信號的檢測產(chǎn)生防盜信號標志發(fā)送給主控。

4.3 語言傳感器上的語音核獨立分析并處理語義指令，如采集到普通話“開窗”聲音時，產(chǎn)生語音開窗信號，采集到普通話“關(guān)窗”聲音時，產(chǎn)生語音關(guān)窗信號，采集到普通話“停止”聲音時，產(chǎn)生語音停止開關(guān)窗信號。

4.4 定時器定時監(jiān)控窗戶的各種狀態(tài)，并根據(jù)外設(shè)信號更新、處理各種標志位，實現(xiàn)有效且合理的實時控制。包括窗戶是否開到極限限位處，是否關(guān)到極限限位處，分別產(chǎn)生或清除窗戶已開標志、窗戶已關(guān)標志、窗戶運行至中間標志。當檢測到風、雨信號達到閾值時產(chǎn)生風、雨標志位，當檢測到風、雨信號未達到閾值時清除相應(yīng)標志位。當檢測到風、雨信號達到閾值時產(chǎn)生風、雨標志位，當檢測到風、雨信號未達到閾值時清除相應(yīng)標志位。當檢測到語音開窗、關(guān)窗或停止信號時，分別產(chǎn)生或清除語音開窗、關(guān)窗或停止開關(guān)窗的標志位。

4.5 當有風、雨標志位或語音關(guān)窗標志時產(chǎn)生關(guān)窗指令，執(zhí)行關(guān)窗指令時，驅(qū)動電路控制步進電機運行，進行關(guān)窗動作。當關(guān)窗至極限，窗體動作觸發(fā)限位開關(guān)，停止關(guān)窗動作。

4.6 當關(guān)窗狀態(tài)已持續(xù)一段時間，并天氣晴朗，即關(guān)窗且有晴朗標志位為時，產(chǎn)生開窗指令。當有語音關(guān)窗標志時產(chǎn)生關(guān)窗指令。執(zhí)行開窗指令時，驅(qū)動電路控制步進電機運行，進行開窗動作。當開窗至極限，窗體動作觸發(fā)限位開關(guān)，停止開窗動作。

4.7 當窗戶開窗或關(guān)窗的過程中，有語音停止開關(guān)窗標志位時，停止開關(guān)窗動作。

4.8 語音交互控制功能，不僅可直接對窗戶進行命令，還可以通過手機APP遠程語音控制開關(guān)窗戶、窗戶的開閉程度和舵機控制衣架的旋轉(zhuǎn)運動。

5 創(chuàng)新點與應(yīng)用前景

5.1 創(chuàng)新點

5.1.1 晾曬一體智能窗戶功能豐富，操作便捷。

5.1.2 可根據(jù)天氣情況自動控制窗戶開關(guān)，自動收取衣物。

5.1.3 獨立語音控制功能，實現(xiàn)人機交互。

5.1.4 成本低，安裝方便。

5.2 應(yīng)用前景

本裝置功能豐富且實用，操作簡單且安全，使用與安裝方便，成本低廉。當今，隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，小戶型晾曬問題也日益突出，另一方面，由于氣候變暖，極端氣候頻發(fā)，高樓通風和應(yīng)對天氣變化的矛盾也愈發(fā)突顯。雖然市場上存在多種多樣的晾曬工具與各類型的窗戶，但將兩者同時結(jié)合起來的產(chǎn)品較少，市場空缺較大。本裝置將兩者進行創(chuàng)新性結(jié)合，能很好解決上述難題，具有廣泛應(yīng)用前景。

結(jié)束語

本文設(shè)計了一個基于語音交互功能的晾曬一體智能窗戶,通過智能檢測傳感器控制,實現(xiàn)開窗晾曬和通風功能。同時,還可以結(jié)合APP進行對窗戶的遠程通信和控制功能。該裝置作為未來智能家居的一個重要組成部分,在后期我們還可以開發(fā)更加安全可靠的硬件來給我們提供生活上的便利性和簡化操作，提高使用感受；通過對制作模型，對系統(tǒng)軟件和硬件整體設(shè)計調(diào)試,初步驗證了該設(shè)計方案的可行性,可以實現(xiàn)了基本功能,達到了設(shè)計目的。在未來實際應(yīng)用過程中,該窗戶可能會存在語音控制準確率不高、對環(huán)境監(jiān)測有誤導致窗戶開關(guān)不及時等問題，未來仍須進一步改良。此外可以通過構(gòu)建對晾曬一體智能窗戶的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，爭對在不同地區(qū)的天氣情況進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，提供更加人性化、智能化的服務(wù)。