智能窗戶控制系統(tǒng)

黨 倩，蔡譽(yù)涵，郝雨苗

（西北大學(xué)，陜西 西安 710127）

0 引 言

現(xiàn)階段使用的窗戶功能較為單一，在家用窗戶市場(chǎng)上，窗戶的功能多為遮擋和保溫，在安全防護(hù)和舒適度方面并未實(shí)現(xiàn)較大突破。在安全防護(hù)方面，較多廠家選擇安裝防護(hù)網(wǎng)，而現(xiàn)在許多小區(qū)的物業(yè)出于多方面考慮，不允許安裝防護(hù)網(wǎng)。但是隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，樓層越來(lái)越高，缺少防護(hù)網(wǎng)的保護(hù)，高空墜物是很大的安全隱患。與此同時(shí)，為了便利居民生活，天然氣進(jìn)入每家每戶，如果出現(xiàn)忘記關(guān)閉天然氣的情況，將嚴(yán)重威脅人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全，而最好的防護(hù)方法就是空氣流通。當(dāng)前家中安裝的報(bào)警器只具備報(bào)警功能，而在舒適度方面，由于天氣千變?nèi)f化，傳統(tǒng)窗戶無(wú)法滿足實(shí)時(shí)、便捷開(kāi)關(guān)的需求。

在信息化時(shí)代，家居市場(chǎng)也受到了信息化的巨大影響，智能家居進(jìn)入人們的視野，并且不斷發(fā)展進(jìn)步；而窗戶作為室內(nèi)與室外連通的重要工具，對(duì)其進(jìn)行智能化改造尤為重要。隨著房地產(chǎn)的不斷發(fā)展，消費(fèi)者消費(fèi)水平的不斷提高，家用窗戶市場(chǎng)和智能家居市場(chǎng)也在不斷發(fā)展。因此，文中設(shè)計(jì)了智能窗戶控制系統(tǒng)，以期有所突破。

1 智能窗戶控制系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

防高空墜物：當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到物體有超過(guò)40%的比例暴露于室外時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置，并采取應(yīng)急保護(hù)措施，防止高空墜物，保障安全。

遠(yuǎn)程控制：通過(guò)手動(dòng)、遙控、手機(jī)客戶端遠(yuǎn)程操作等模式，使窗戶自動(dòng)開(kāi)合。

智能采光：當(dāng)天氣變化時(shí)，窗戶會(huì)根據(jù)光線強(qiáng)弱自動(dòng)開(kāi)合，保持室內(nèi)環(huán)境舒適。

防風(fēng)防雨：當(dāng)遇到突發(fā)暴風(fēng)、暴雨天氣，窗戶會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，防止風(fēng)雨進(jìn)入室內(nèi)，避免風(fēng)雨損壞室內(nèi)物品。

保持室內(nèi)空氣流通：當(dāng)室內(nèi)的溫度、濕度、空氣質(zhì)量達(dá)到用戶設(shè)定數(shù)值時(shí)，窗戶可自動(dòng)開(kāi)合實(shí)現(xiàn)通風(fēng)換氣。

2 智能窗戶控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

系統(tǒng)主要模塊包括：中央控制模塊、傳感器檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換模塊、警報(bào)器模塊等，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)外環(huán)境變化的快速檢測(cè)、迅速處理及有效監(jiān)控，在周?chē)h(huán)境發(fā)生變化時(shí)能及時(shí)采取相應(yīng)措施，實(shí)現(xiàn)智能控制。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前大多數(shù)窗戶需要手動(dòng)開(kāi)合，難免會(huì)出現(xiàn)在惡劣天氣情況下忘記關(guān)窗戶或者日常高空墜物的問(wèn)題。為此，將動(dòng)力系統(tǒng)安裝于窗戶中，通過(guò)實(shí)時(shí)采集信號(hào)或用戶指令控制窗戶的開(kāi)合；在窗戶附近的墻壁上安裝小型開(kāi)窗機(jī)，采用滑輪導(dǎo)軌裝置和光電開(kāi)關(guān)，利用無(wú)線信號(hào)模塊接收遙控信號(hào)或手機(jī)遠(yuǎn)程程序信號(hào)，再傳遞給中央控制器，由中央控制器控制所述傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)窗戶的開(kāi)合；在窗戶外側(cè)窗框上安裝由聚乙烯、尼龍等合成纖維制成的網(wǎng)兜狀結(jié)構(gòu)設(shè)施，當(dāng)滿足設(shè)定條件時(shí)，觸發(fā)報(bào)警裝置，并迅速?gòu)棾霰Ｗo(hù)網(wǎng)兜，避免物體墜落。

2.2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

STC89C52單片機(jī)：STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有可編程FLASH存儲(chǔ)器。STC89C52可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件，可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)模式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。單片機(jī)最高運(yùn)行頻率為35 MHz。

控制系統(tǒng)：該控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)窗戶的自動(dòng)控制，可以智能檢測(cè)物體處于窗戶外的比例，實(shí)現(xiàn)高空防墜，也可根據(jù)用戶提前設(shè)定的環(huán)境參數(shù)及工作模式實(shí)現(xiàn)窗戶的開(kāi)合控制。該系統(tǒng)以STC89C52作為主控制器，用于采集傳感器的模擬信號(hào)，并通過(guò)串口與其他智能設(shè)備互通。系統(tǒng)由電源、數(shù)碼顯示模塊、控制鍵盤(pán)、窗狀態(tài)檢測(cè)電路、窗驅(qū)動(dòng)控制接口、數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感電路（濕度傳感電路、溫度傳感電路、光照強(qiáng)度傳感電路、空氣質(zhì)量傳感器、風(fēng)力傳感器、紅外防墜傳感器、分貝傳感器）等組成。

電路模塊設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)將1個(gè)溫濕度傳感器、1個(gè)空氣質(zhì)量傳感器、1個(gè)光照強(qiáng)度傳感器、1個(gè)分貝傳感器安裝于室內(nèi)某個(gè)地方；將1個(gè)風(fēng)力傳感器、1個(gè)紅外防墜傳感器安裝于窗戶玻璃上，警報(bào)器采用普通蜂鳴器即可，用于實(shí)現(xiàn)緊急情況下（即檢測(cè)到物體有掉落趨勢(shì)時(shí)）的報(bào)警。傳感器在檢測(cè)到信號(hào)時(shí)將其傳送給主控單元。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用C語(yǔ)言編寫(xiě)控制模塊程序，主要包括傳感器程序和電機(jī)判斷驅(qū)動(dòng)程序。C語(yǔ)言具有簡(jiǎn)潔緊湊、靈活方便、運(yùn)算符和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富、生成代碼質(zhì)量高、程序執(zhí)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，且C語(yǔ)言是結(jié)構(gòu)式語(yǔ)言，層次清晰， 便于使用、維護(hù)以及調(diào)試，允許直接訪問(wèn)物理地址，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，其易移植的優(yōu)點(diǎn)能夠滿足開(kāi)發(fā)者的需要。

該系統(tǒng)可通過(guò)基于云端的實(shí)時(shí)交互能力與用戶智能手機(jī)終端APP連接，云端服務(wù)器經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理分析，用戶可通過(guò)手機(jī)對(duì)家庭環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控和管理，提高室內(nèi)的舒適度和安全性。

3 智能窗戶控制系統(tǒng)的工作原理

智能窗戶的主要功能為防止高空墜物、檢測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量、智能遙控開(kāi)關(guān)、智能傳遞信息以及感應(yīng)天氣變化并自動(dòng)調(diào)節(jié)。故本設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)時(shí)需用到紅外線感應(yīng)器、氣體傳感器、遙控器、溫度傳感器、雨水探測(cè)裝置等一系列機(jī)械傳動(dòng)裝置，以優(yōu)化室內(nèi)舒適度，提高居家生活質(zhì)量。

3.1 紅外線感應(yīng)器

智能窗戶中的紅外線感應(yīng)器利用紅外輻射、紅外線反射等原理實(shí)現(xiàn)。紅外線感應(yīng)器可以探測(cè)物體紅外光譜變化，檢測(cè)物體暴露出窗戶的比例，而當(dāng)物體的40%超出窗戶時(shí)，感應(yīng)器便會(huì)將數(shù)據(jù)上傳至主機(jī)，同時(shí)智能窗戶會(huì)及時(shí)彈出一個(gè)強(qiáng)度大、耐沖擊性好、耐磨性強(qiáng)、網(wǎng)目尺寸穩(wěn)定柔軟的網(wǎng)兜，及時(shí)保護(hù)人或物體以防止墜落，加強(qiáng)安全防護(hù)。

3.2 氣體傳感器

智能窗戶通過(guò)氣體傳感器的探頭對(duì)空氣中的甲烷、液化氣、酒精、煙霧等氣體進(jìn)行采樣、分析，從而檢測(cè)室內(nèi)是否有煤氣泄漏或發(fā)生火災(zāi)等情況。智能窗戶一旦發(fā)現(xiàn)某種危害氣體的濃度超過(guò)一定比例，便會(huì)及時(shí)自動(dòng)開(kāi)窗，并發(fā)出警報(bào)提醒用戶。

3.3 遙控器

無(wú)線遙控器的原理是利用發(fā)射機(jī)將控制的電信號(hào)編碼，再通過(guò)調(diào)制、調(diào)幅等過(guò)程，將其轉(zhuǎn)化為無(wú)線信號(hào)發(fā)送出去；在接收端，當(dāng)收到載有信息的無(wú)線信號(hào)后，經(jīng)歷放大、解碼等過(guò)程，將其恢復(fù)為最初的電信號(hào)，再將該電信號(hào)進(jìn)行功率放大從而驅(qū)動(dòng)相關(guān)電氣元件，實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控。在智能窗戶系統(tǒng)中，利用無(wú)線遙控器可遠(yuǎn)程控制窗戶的開(kāi)合。

3.4 溫度傳感器

溫度傳感器利用金屬膨脹、電阻傳感、熱電偶傳感等原理測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速等對(duì)象的表面溫度。在智能窗戶系統(tǒng)中，可以利用溫度傳感器比較室內(nèi)與室外的溫度，從而采取相應(yīng)的措施控制窗戶的開(kāi)合。

3.5 雨水探測(cè)裝置

雨水傳感器通過(guò)光強(qiáng)傳感器和發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)其功能。原理：利用發(fā)光二極管通過(guò)窗戶的玻璃發(fā)出一道光束，并檢測(cè)反射回來(lái)的光束是否存在散射現(xiàn)象，從而判斷是否有雨水出現(xiàn)；同時(shí)發(fā)光二極管配合測(cè)量玻璃上的雨水密度，當(dāng)玻璃上雨滴較多時(shí)，反射光束增強(qiáng)，當(dāng)玻璃上無(wú)雨滴時(shí)，反射光線較少。通過(guò)此原理，智能窗戶可以根據(jù)天氣變化自動(dòng)開(kāi)合。

4 智能窗戶控制系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）本設(shè)計(jì)采用紅外線感應(yīng)器、氣體傳感器、溫濕度傳感器、雨水探測(cè)器等裝置，凈化室內(nèi)空氣，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度，防止高空墜物，為人們提供了一個(gè)舒適、安全、個(gè)性化的居住空間。

（2）本設(shè)計(jì)具有云端實(shí)時(shí)交互功能，可與智能手機(jī)終端APP連接。

（3）本設(shè)計(jì)將防護(hù)網(wǎng)嵌入窗戶，既可以滿足物業(yè)的要求，又具備防護(hù)功能。

5 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)窗戶的智能化和信息化改造，成功實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能。該智能窗戶控制系統(tǒng)在安全防護(hù)、舒適度與信息化方面都有突破，實(shí)現(xiàn)了在風(fēng)雨天氣、煤氣泄漏、高空墜物、遙控等條件下智能窗戶的智能控制，使其更加智能化、人性化。但該智能窗戶控制系統(tǒng)仍然有較大提升空間，希望通過(guò)后期的改進(jìn)，能夠?yàn)橛脩舻纳钐峁└啾Ｕ稀?/p>