智能窗户的研究与设计*

范振全，侯晓霞

(德州学院机电工程学院，山东 德州 253023)



智能窗户的研究与设计*

范振全，侯晓霞

(德州学院机电工程学院，山东 德州 253023)

摘要：研究设计了智能窗户，其可以根据室外天气的变化，自动控制窗户的开关并且顺便改善了室内的空气状况，保护居民室内东西不受损坏的同时使居民生活更加舒适。

关键词：窗户；GSM短信模块；温湿度传感器；灰尘传感器；风力检测；电机驱动

随着经济的发展，人们的物质生活水平越来越高，日常生活用品的实用性、便捷性显得尤为重要。目前窗户应用最广的还是推拉式的铝合金窗户，外边刮大风、下雨时因为出门在外没有关好窗户弄得家里一团糟，也许在城市内这个问题不是很显著，但是在农村依旧是人们伤脑筋的事情。而且现在环境状况很差，什么时候开窗通风都成为人们需要考虑的事情。综合上述原因，进行了智能窗户的研究与设计，通过在目前通用推拉式铝合金窗户的基础上进行必要的结构改造以及软件程序设计，使窗户集实用、智能、便捷、自动，更好地应用于市场。

1设计方案

智能窗户设计主要包括减速电机驱动部分，温湿度传感器，灰尘传感器，风力检测部分，GSM短信模块及系统整体的Keil程序设计六个方面。

1.1减速电机驱动部分

智能窗户的自动化实现靠窗户两边的两个减速电机来实现推拉，两电机的控制由Risym L298N电机驱动板模块决定，单片机根据处理对比各种传感器传递来的AD信号，提供给驱动高低电平，达到控制驱动的目的[1]。

1.2GSM短信模块

GSM短信模块在智能窗户中起与外界通讯的作用，将模块安装在窗户内侧，通过单片机将其与温湿度传感器、灰尘传感器、风力检测部分三部分联系起来，各模块接收到的信号传送到单片机，由单片机做出判断是否需要发送短信询问主人，设置一定的等待时间，若主人无回复，根据天气状况默认开关。短信模块不受时间，地点，距离的限制，实用快捷[2]。

1.3温湿度传感器

在窗户外部安装温湿度传感器对外界的环境空气进行温度、湿度上的检测，把检测到的数据传到单片机。当外界风雨欲来时，空气中的湿度会明显增大，当检测到的湿度值超过预定单片机内默认值时，会自动地将窗户关闭，与此同时，与其相连的GSM短信模块会将这一信息传输到我们手机上，通知我们“窗户已经关闭，是否进行此操作”，我们可以选择“是”或者“否”来对其进行控制是否关闭窗户。雨停后，温湿传感器检测到数值上的下降，然后再发送信息到手机，询问是否将窗户打开。若用户想趁雨后室外空气清新疏通一下室内的空气这会变得随心所欲。实现了人工智能的要求，从而避免了因为下雨会将窗户旁的物品淋湿的问题。

1.4灰尘传感器

在窗户外部安装灰尘传感器可对外界的空气质量进行监测，灰尘传感器(GP2Y1010AU0F)是专业检测灰尘浓度的传感器，应用广泛。

该装置中，一个红外发光二极管和光电晶体管，对角布置成允许其检测到在空气中的灰尘反射光。该传感器具有极低的电流消耗(最大20 mA，11 mA典型的)，可以搭载高达7VDC的传感器。输出的是一个模拟电压正比于所测得的粉尘浓度，敏感性为0.5 V/0.1 mg/m3。

检测原理如图1，传感器中心有个洞可以让空气自由流过，定向发射LED光，通过检测经过空气中灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量获得测试数据(如图2)，将测试得到的数据与空气质量对比(如图3)，判断出空气质量状况。

图1　检测原理示意图

图2测试数据示意图

图3测试数据与空气质量对照示意图

设置单片机的默认值为300，当传感器检测到的值大于300时，窗户会自动关闭。检测值下降时，短信模块发送短信询问户主“空气质量好，是否要打开窗户”，户主回复是则窗户打开，反之依旧关闭[3]。

1.5风力检测部分

在窗户外部安装小型风力发电机，当外界环境起风时会带动它进行发电，然后会点亮与之相连的密封的LED灯，密封空间内光亮的变化引起光敏电阻的变化，将光敏电阻采集到的AD信号传输到单片机，由单片机判断处理，最后对电机驱动进行控制，关上窗户。

1.6Keil程序设计

我们采用的控制系统是51系列的STC12C5A60S2单片机，使用的电脑编程软件为Keil,程序下载软件为STC，三者相互协作完成程序的运行。

智能窗户的程序设计：首先DHT11温湿度模块传感器、灰尘传感器、风力检测部分，采集到的数值全部通过5110液晶显示屏表现出来，当传感器采集到的温湿度信号，与Keil程序里设定的数值不一样时，STC12C5A60S2单片机就会通

过传递高低电平给电机驱动来控制电机的工作[4]，达到整个智能系统的自动化。

2特点

1) 实用性：现如今市面上的智能窗户都是一套整体的窗户，价格昂贵，大多都需要将原来的窗户拆除后再安装，成本大。我们设计研究的智能窗户只是对现有的窗户进行改装，在达到相同效果的情况下，与其他智能窗户相比有成本低，安装简单，使用方便等特点。

2) 自动性：安装该窗户后，在恶劣天气情况下，即使家中无人也不需要再担心室内的物品会损坏了，从根本上解决了人们担心的问题，实现了人工智能自动的特点。

3) 安全性：安装该窗户后，在恶劣天气情况下，即使家中无人也不需要再担心室内的物品会损坏了，从根本上解决了以上我们提到的问题。安装该系统以后，也使室内的空气状况大大改善，有益家人身体健康。

以上三大特点使目前的铝合金窗户能够更好地满足广大人民群众的需求，更快地引领窗户市场。

参考文献

[1]刘全忠.电子技术[M].第2版.北京:高等教育出版社,2004.

[2]侯亮，唐任仲，徐燕申.产品模块化设计理论、技术与应用研究进展[J].机械工程学报,2004,40(1):56-60.

[3]谢自美.电子电路设计、实验、测试[M].第2版.武汉：华中科技大学出版社，2006.

[4]全国大学生电子设计竞赛组委会.第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京：北京理工大学出版社,2006：94-99.

Research and Design of Smart Window

Fan Zhenquan, Hou Xiaoxia

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,DezhouUniversity,DezhouShandong253023,China)

Abstract:It is necessary to study and design smart windows, for a lot of problems may occur when nobody is at home. According to the outdoor weather changes, the system can automatic control the window switch and by the way to improve the indoor air conditions. The interior things of inhabitants is protected from damage while make the living more comfortable.

Key words:GSM SMS module; temperature and humidity sensor; dust sensor; wind detecting; motor drive

收稿日期：2016-03-29

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目(201410448040)

作者简介：范振全(1995- )，男，山东德州人，本科生，研究方向为机械设计。

文章编号：1674- 4578(2016)03- 0086- 01

中图分类号：TP273

文献标识码：A