新一代智能窗戶*

魏鴻圖，陳 光，史艷文，田文清，馬 彪

（長春工程學(xué)院 機電工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

21世紀(jì)是信息智能化發(fā)展的時代，各種互聯(lián)網(wǎng)新型技術(shù)以及智能化設(shè)備推動了人類文明的巨大進步，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對自己的生活水平有了更高的要求，追求舒適、健康、綠色、安全的生活理念變得更為迫切。近年來，智能家居概念已經(jīng)逐漸深入到百姓的日常生活中。目前，很多經(jīng)濟條件優(yōu)越的用戶已經(jīng)開始安裝并使用了智能家居系統(tǒng)，同時也體驗著智能化家居為日常生活帶來的安全、舒適及便利。據(jù)調(diào)查，目前只有少數(shù)窗戶實現(xiàn)了遠程控制功能，大多都是采用了移動通信GSM模塊，這種傳輸方式不具備實時性，同時傳輸數(shù)據(jù)量較小?，F(xiàn)有智能窗戶大多不具備智能防護功能，同時窗體驅(qū)動模塊設(shè)計不是很完善，存在較大安全隱患。為了克服這些不足，本文設(shè)計并實現(xiàn)了以STC89C52單片機為核心的智能控制系統(tǒng)，通過與機械電子相結(jié)合，實現(xiàn)了開關(guān)窗的智能化，既能手動開關(guān)窗，又能自動開關(guān)窗；結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)窗體相似，采用塑鋼平開窗，使用絲杠和多桿機構(gòu)相配合，自行設(shè)計開窗器，具備智能安全防護和遠程操控功能的新一代智能窗戶。

1 項目背景及研究意義

目前，普通的窗戶是需要用戶到窗邊親手開窗或者關(guān)窗，沒有防火、防賊報警以及防雨和過濾空氣等人性化的功能。在暴風(fēng)雨天氣，一旦忘關(guān)窗，或未及時關(guān)窗，會造成室內(nèi)積水，對室內(nèi)的各種物品，尤其是電器等造成嚴(yán)重的損害。現(xiàn)今的潮流是將人工智能運用到人們的日常生活，使用智能技術(shù)，設(shè)計和開發(fā)新一代住宅用機械和家用機械裝置。而且現(xiàn)如今智能化家居也在逐步走進我們的生活，因此研制和走向智能化也是我們探索創(chuàng)新的生活方式，提升人們的生活品質(zhì)和提高人們的生活質(zhì)量的必經(jīng)之路。

2 總體設(shè)計概念

在房地產(chǎn)發(fā)展依舊呈增長態(tài)勢的今天，窗戶作為輔助，其需求量也在持續(xù)增長。而一般窗戶多是平移式或是斜推式，需人工施力才能實現(xiàn)開啟或關(guān)閉的功能，若忘關(guān)窗戶在暴雨等極端天氣下會對房屋建筑造成一定程度的損害，另外若是使用不當(dāng)甚至?xí)l(fā)某些危險情況。針對這些情況，人們對窗戶的要求更加嚴(yán)苛：智能化、可自動感應(yīng)天氣及周圍狀況且自動開啟關(guān)閉以及可遙控等功能逐漸成為了現(xiàn)代生活對窗戶的需求，見圖1。我們所打造的這款智能窗戶，以智能化家居為目標(biāo)，旨在實現(xiàn)窗戶的智能感應(yīng)及人工遠程操控，見圖2。智能窗戶在搭載各種精密傳感器的基礎(chǔ)上，采用精密復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，再搭配先進的遠程操控物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以此達到智能化家居的目的，適用于小孩、老人、殘障人士、病患等各類人群，可安裝在寫字樓、醫(yī)院、學(xué)校、養(yǎng)老院等各類地方。在未來的積極發(fā)展中，甚至有可能在各類車型上使用。

圖1

圖2

3 各模塊設(shè)計及其功能

3.1 傳感器模塊

此款智能窗戶搭載以STC89C52單片機為核心的控制系統(tǒng)（一款新型CMOS8位微控制系統(tǒng)），包含8kB系統(tǒng)可編程FLASH儲存裝置和8位CPU以及FLASH的可編程系統(tǒng)，大大提高其性能，降低其功耗，使窗戶的使用操控更加靈活、高效，在各種環(huán)境條件下感應(yīng)更加敏銳，見圖3。

圖3

3.1.1 極端溫濕度環(huán)境

此項功能主要針對各類極端天氣，在極端濕度和溫度下，窗戶自動感應(yīng)周圍的溫濕度來控制窗戶的開關(guān)。其核心DHT11感應(yīng)元件，含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，將溫濕度信號及時傳送到單機片上。濕敏電阻檢測空氣濕度，當(dāng)周圍的濕度達到一定閾值時，單片機會向窗戶動力裝置發(fā)出規(guī)定指令，此時窗戶控制系統(tǒng)接收到指令驅(qū)動窗戶關(guān)閉，控制系統(tǒng)在0～100%RH范圍內(nèi)都能及時做出反應(yīng)，防止室內(nèi)進水嚴(yán)重或濕氣過重。此外，DHT11還可以作為溫度感應(yīng)器，在-40℃～80℃的溫度范圍內(nèi)精準(zhǔn)感應(yīng)，當(dāng)溫度過高或者過低，窗戶控制系統(tǒng)都會接收到來自單片機的規(guī)定指令來驅(qū)動窗戶關(guān)閉，以保持室內(nèi)溫度處于舒適范圍。

3.1.2 強風(fēng)環(huán)境

此項功能主要適用于臺風(fēng)、沙塵暴及風(fēng)力強勁的情況。風(fēng)傳感器主要由風(fēng)輪、傳感器電路等裝置組成，能實時檢測風(fēng)速，將風(fēng)速轉(zhuǎn)化為電信號輸出給微處理器。在窗戶打開的情況下，當(dāng)室外風(fēng)力達到一定強度，風(fēng)能夠帶動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動時，計數(shù)器會記錄每分鐘風(fēng)輪所轉(zhuǎn)的圈數(shù)，然后將最終數(shù)據(jù)傳輸給微處理器做判斷。當(dāng)所轉(zhuǎn)圈數(shù)達到某一設(shè)定值時，微處理器將控制電機使窗戶關(guān)閉，達到自動防風(fēng)的目的。當(dāng)所轉(zhuǎn)圈數(shù)小于一定值時，電機將帶動窗戶打開，保證正常的空氣流通。

3.1.3 安全防護警報

此項功能主要針對有中低齡兒童的室內(nèi)。小孩生性貪玩，好奇心重，對于一些不經(jīng)意間的危險動作有很強的模仿力，也正因為如此，高層孩童墜落事件時有發(fā)生。為了防止此類意外發(fā)生，該智能窗戶借助HC-SR602熱釋電人體紅外傳感器，利用紅外探測器檢測窗戶周圍是否有孩童靠近，一旦感應(yīng)到孩童所在位置接近于設(shè)定距離，紅外傳感器便會將高電平信號（H=3.3V）傳送至單片機，再由單片機向窗戶動力裝置發(fā)出指令，窗戶自動關(guān)閉，以此來避免危險的發(fā)生。當(dāng)孩童離開危險距離時，傳感器再將低電平信號（L=0V）傳送至單片機，單片機向窗戶動力裝置發(fā)出指令，窗戶再次開啟，保持室內(nèi)空氣正常流動。除了孩童，該裝置也可以用來保護年齡較大行動遲緩的老人以及精神錯亂、心理扭曲的病患，適用于幼兒園、各類醫(yī)院、療養(yǎng)院。

3.1.4 異常氣體檢測

此項功能主要檢測各類異常氣體，預(yù)防異常氣體的傳入致使危險情況的發(fā)生，對日常生活中常見的危險可燃?xì)怏w如液化氣、丙烷、天然氣的檢測有顯著的效果。MQ-2的探測范圍極其廣泛但具有良好的干擾性，可準(zhǔn)確排除有刺激性非可燃?xì)怏w，且靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅(qū)動電路簡單。借助于靈敏度高，響應(yīng)快的MQ-2氣體傳感器檢測周圍環(huán)境中的氣體濃度，當(dāng)室內(nèi)一側(cè)氣體濃度達到一定值時，氣體傳感器將高電平信號傳輸至單片機，再由單片機向窗戶動力裝置發(fā)出指令，控制窗戶自動打開。由于輸出信號的強度最終是由空氣中可燃?xì)怏w的濃度決定，所以當(dāng)發(fā)生不小心泄漏可燃?xì)怏w但及時制止的情況時，單片機接收不到信號，不必?fù)?dān)心窗戶隨意開啟。若是火災(zāi)發(fā)生，產(chǎn)生的煤煙等氣體漂浮于室外一側(cè)，與前者相反，單片機接收到過高濃度轉(zhuǎn)換成的信號后會向窗戶動力裝置發(fā)出窗戶關(guān)閉的指令，防止室外氣體進入。

3.2 機械結(jié)構(gòu)模塊

傳動任務(wù)是由動力源通過傳動機構(gòu)帶動窗扇在滑移槽內(nèi)來回滑動。齒輪齒條傳動較為準(zhǔn)確可靠，并且機械效率高，因此選定齒輪齒條傳動，如圖4所示。

圖4

3.3 遠程操控物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)起源于傳媒領(lǐng)域，是信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命。物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)管等功能[1]。物聯(lián)網(wǎng)（loT，Internet of things）即“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)，將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來形成一個巨大的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)在任何時間、任何地點，人、機、物的互聯(lián)互通[2]。此款智能窗戶將溫濕度傳感器、風(fēng)傳感器、人體紅外傳感器和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密結(jié)合，采用小程序和應(yīng)用軟件的模式操控窗戶的開關(guān)達到使用智能家居的目的。借助于HC-25物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi串口模塊，將此模塊與單片機相連，從而可以實現(xiàn)將所有傳感器采集的信息傳輸?shù)绞謾C上顯示的功能，在無異常情況下也可操控窗戶的開關(guān)。小程序使用方便，操作簡單，占用空間較小且無需安裝下載，可以滿足絕大多數(shù)用戶的需求。在手機端輕輕點擊屏幕即可了解家里的濕度溫度狀況，氣體流通情況以及窗戶周圍異樣，給用戶帶來安全感，見圖5。

圖5

4 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，住房要求也在不斷提高，高層建筑越來越多。人們的生活現(xiàn)狀也逐漸趨向于個性化、人性化、智能化。根據(jù)中國報告大廳發(fā)布的《2016－2021年中國智能家居行業(yè)發(fā)展分析及投資潛力研究報告》，據(jù)測算，我國智能家居潛在市場規(guī)模約為5.8萬億元，2018年我國智能家居市場總規(guī)模達到225萬億元，發(fā)展空間巨大。其中，家電類智能家居產(chǎn)品市場份額最高。在發(fā)展空間方面，我國智能家居行業(yè)潛在市場規(guī)模巨大。目前，整個家居行業(yè)同中國的房地產(chǎn)市場和股市一樣，是成長壯大的狀態(tài)。任何一個產(chǎn)業(yè)要發(fā)展，要不斷壯大都需要資金和品牌推廣，需要進行改造，外來資本將對整個中國門窗企業(yè)的發(fā)展起到非常大的促進作用。

國外對智能住房的研究也有一些差異，智能家居經(jīng)濟學(xué)的發(fā)展也始于智力上的突破和進步，美國公司側(cè)重于保護功能的測試和應(yīng)用，歐洲公司側(cè)重于使用遠程控制，亞洲三星級公司也非常深入地探索智能家居，以開展相關(guān)的研究產(chǎn)品。近年，歐洲、北美以及亞洲的日本、韓國，其住宅窗體產(chǎn)品啟動方式已開始向自動化方向發(fā)展。如德國的諾托、意大利的圖蘭朵、韓國的LG等，均有自動化窗體生產(chǎn)。他們的窗戶服務(wù)效果更加全面，更加多樣化，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊。在政府的支持和鼓舞下，智能窗戶行業(yè)發(fā)展態(tài)勢越來越好。

5 應(yīng)用與推廣

隨著科技的發(fā)展，尤其是云計算、物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，智能家居的概念頻頻出現(xiàn)在各大媒介上，進入公眾的視線。在我國，智能家居的概念是十年前引進，并推入市場。隨著社會、經(jīng)濟水平的發(fā)展，人們對家居品質(zhì)的追求也越來越高，要求家居舒適化、安全化，家居生活舒適化、智能化，對智能家居系統(tǒng)的需求也越來越強烈。同時居民住宅更多傾向于高層建筑，并且老齡化的問題日益嚴(yán)重，智能化窗戶可以隨時監(jiān)控室內(nèi)情況，具有自動關(guān)閉的功能，同時紅外傳感器裝置可以感應(yīng)到人員接近而及時關(guān)閉，大大提高了安全系數(shù)。同時智能代表的是科技感，再加上我國經(jīng)濟的發(fā)展，人民消費水平提高，所以智能門窗也成為眾多消費者比較感興趣的產(chǎn)品，應(yīng)用前景廣闊。

6 結(jié)束語

科技在不斷發(fā)展，人民生活水平在不斷提高，越來越多的智能化產(chǎn)品逐漸走進我們的生活，這也標(biāo)志著我們的生活日趨智能化。智能窗戶具備實時監(jiān)測、遠程控制的功能，相比于傳統(tǒng)的GSM模塊，本設(shè)計的傳送速度更快，實時監(jiān)控能力更強，安全系數(shù)高，功能多，同時手機端操作控制更為快捷便利。