移动式湿感控制关窗装置的研究与设计

黄礼万

（阳江职业技术学院机电系，广东阳江 529500）

0 引言

随着现代科技的发展与智能家居的理念提出，很多样板工程及高档住宅，采用了智能控制系统[1]，雨天自动关窗是其中常见且重要的功能之一，其功能为通过程序的预设，随时监测天气的变化，当下雨时会自动关闭门窗[2]。目前智能家居引入了物联网控制技术，通过计算机或者手机APP可以随时监测、控制与管理家里的事物，这也是未来的发展方向[3]。但是目前该技术还没有得到广泛应用，主要是因为这是一项系统装修工程，在做基础装修的时候，同步开展对各类设备进行智能化管理系统建设，具有工程大、成本高与维护难等特点。因此，普通家庭一般不会采用这种高档次的装修方式。

门窗是家居中重要的一个部分，具有采光通风等作用，也是与外面连接的通道。在生活当中，门窗经常会被打开，让室内保持空气流通，维持好的空气质量。因此，外出时不关门窗也变成了日常当中的常态，随之而来的问题就是常说的“下雨了回家关窗”，给人们外出带来了极大的困扰和不便。窗门最常用的是铝合金框架内嵌玻璃的结构，有较好的透光性能，门窗的开关一般采用轨道式拖拉结构，操作比较简单，安全耐用。对于已经装修好的家居，想要在门窗上增加一个下雨自动关窗装置，一般都是通过对门窗主体进行改造，加装轨道、电机及控制系统，该做法有以下缺点：（1）改造原有的所有门窗，需要每个窗配一个，工程量大，材料成本与人工成本高；（2）常年处于工作状态容易损坏，电能损耗大，存在触电的安全隐患；（3）设备位置安装固定，维护与维修难度大；（4）改造后，推拉门窗的阻力增大，影响日常使用。

1 设计思路

为了解决上述问题，本文提出一种移动式湿感控制关窗装置的研究与设计思路。该设计为独立移动式的控制装置，吸附固定装置采用强力吸盘作为固定连接点，一端吸附在墙壁上，另一端吸附在门窗的玻璃上，吸盘间通过牵引钢丝连接，可以随拆随装且不影响原有门窗结构，当有需要的时候才把该控制装置安装到需要监控的门窗上。控制装置内的电源、电动机、卷扬机构、湿度传感器、行程开关、控制器等器件，选择体积小重量轻的电器元件，外壳与机械结构采用重量轻的塑料件，设计成体积小重量轻的控制装置。该装置安装调试好后，当门窗打开时遇到下雨，湿度传感器输出湿感信息，通过控制器对比识别并发出关窗指令，电动机驱动卷扬机构收紧钢丝，门窗关闭严实后，通过行程开关限位结束关窗驱动，实现下雨自动关窗的功能[4]。整体效果如图1所示。

图1 整体效果图

该装置体积小重量轻，使用时不需要改变原有门窗的结构，可以根据天气情况与生活需要灵活使用，具有方便节能、易维护、成本低等优点，解决了上述改装措施中存在的缺点。

2 设计方案与特点

根据设计思路制定以下设计实施方案，所用电器元件均为小巧轻便型，机械部件与外壳采用轻质塑料件，控制装置的整体尺寸约为10 cm×5 cm×4 cm，质量约为200 g，适用于所有的拖拉式门窗。整体结构如图2所示[5]。

图2 整体结构图

2.1 吸附固定装置

吸附固定装置主要由具有松紧功能的强力真空吸盘a与吸盘b组成。可以吸附在光滑平面物体上起位置固定作用，左边吸盘a上面附加一个扣环，当左边不是玻璃或者光滑瓷砖时，可以通过墙体安装钩钉，用扣环套上固定，适应不同的环境要求，右边吸盘b与控制装置连接在一起，一般吸紧固定在所需关闭的玻璃窗上。该吸附固定装置的设计，达到了在使用时不受环境限制，也不会破坏原有的门窗结构。

2.2 湿度传感装置

湿度传感装置由湿度传感器模块HR202和伸缩杆组成。当控制装置安装完毕后，根据门窗的位置大小，调节伸缩杆的长度，可调节湿度传感器所处的位置，便于检测外面是否下雨。当雨点滴在湿度传感器上时，模块检测输出的湿感信息送入控制器对比识别，控制器发出关窗指令，驱动电机及卷扬机构执行关窗动作[6]。该装置性能稳定，便捷可靠。

2.3 卷扬装置与行程控制装置

卷扬装置由牵引钢丝、卷扬机构、直流电动机3部分组成。电动机采用GA12-N20（3 V）直流减速电动机，牵引钢丝为柔软的钢丝，连接吸盘a与控制装置中的卷扬机构，通过直流电动机与带有变速齿轮的卷扬机构收卷钢丝，产生拉力完成下雨关窗的功能，相比轨道驱动方式更加简易和便捷，且不需要对门窗进行结构改造。

行程控制装置由行程定位装置、定位器、行程开关3部分组成。定位器采用按压式卡线结构，其结构如图3所示，定位器安装于牵引钢丝上，按下按钮时定位器内外环同轴，定位器可以在牵引钢丝上移动，移到合适位置放手，在弹簧弹力作用下，定位器的内外环错位夹紧牵引钢丝，用于设置下雨自动关窗装置的门窗关紧定位。行程开关采用OV-154-1C25微动开关，安装于定位板的下方，并与定位板属联动关系。行程定位装置采用弹压式结构，其结构如图4所示，定位行程装置为安装于卷扬机构前端的行程装置，下雨执行钢丝收紧使门窗关闭严实时，定位器刚好压下定位板，同时也触动行程开关，控制电动机断电停止。该装置结构简单，成本低廉，工作稳定可靠。

图3 定位器内结构意图

图4 行程定位装置内部结构图

2.4 控制器

控制器为移动式湿感控制关窗装置的核心控制单元，控制电路主要使用STC89C51单片机为控制芯片，通过IO端口及外围接口电路，实现与湿度传感器、行程开关、直流电动机的电路连接[7]，并设置有停止复位开关与启动开关，根据使用要求编写好程序后对单片机进行烧录，完成控制器的功能预设与调试。供电电源采用手机通用的锂电池，参数为：电压3.8 V、额定容量5 000 mA·h，并设有兼容的移动电话充电端口，为使用与充电提供便利。在使用时，当雨点滴落在湿度传感器上，检测到的湿度数据送入控制器识别，确认外界下雨后，突出指令给电源驱动电路，输出电能给直流电动机供电，并驱动卷扬收紧机构关闭门窗，门窗关闭严实后，定位器刚好触动行程开关，STC89C51单片机发出断电指令，电动机断电停止。电路原理如图5所示[8]。

图5 电路原理图

3 应用功能

3.1 安装优势

安装步骤：（1）把需要监控的门窗关闭严实；（2）将a、b两个吸盘分别吸附安装于墙壁和门窗上；（3）钢丝处于拉紧状态，把定位器移到控制器的定位点，刚好压下定位行程装置前定位板；（4）推开门窗，钢丝由卷扬机构当中释放拉出，拉出的长度与门窗开启宽度相等；（5）调整湿度传感器伸缩杆，使其处于门窗开启位置，按一下控制器上的启动按钮,即可使该装置处于监控状态。

3.2 监控优势

没有下雨，该装置处于监控状态，电动机不工作，门窗处于打开状态；当下雨时，雨点滴在湿度传感器上，检测到数据送入控制器识别，确认外界下雨后，启动电动机驱动卷扬机构收紧钢丝关闭门窗，门窗关闭严实后，定位器刚好压下定位行程装置前定位板，触动行程开关，电动机断电停止。

3.3 收纳与维修优势

使用完毕，拨动吸盘松紧开关拆卸装置，把定位器移到吸盘a末端，按一下停止复位按钮，钢丝收回卷扬机构中。装置小巧轻便，如发生故障，可以直接送维修点进行维修。

4 结束语

本文提出一种移动式湿感控制关窗装置的设计思路，该设计为独立可移动的设备，不需要改装原来的门窗，也不需要每个门窗配一个，成本低作用大。国内很多地方下雨天气不多，可以按需使用，达到最佳的节能效果。采用了强力真空吸盘为吸附固定工具，在使用时不会破坏原有门窗结构，可安装到需要监控的任意推拉式门窗上，操作灵活方便，适用范围广，当设备损坏时，可以带到外面维修，不用维修人员上门维修，维修成本低。该装置较好地解决了在门窗上增加下雨自动关窗装置遇到的常见难题，有较大的推广价值和较高的经济效益。