一种晾晒一体智能窗户的设计及分析

程慧伦 徐中青 张小雪 魏 卓 张会利*

（江汉大学智能制造学院，湖北 武汉 430000）

1 设计背景

随着城镇化进程的加快以及人民生活水平的提高，人们对高质量居家生活的要求越来越高。然而，在高楼林立的城市，小户型居民受住房区域限制，晾晒问题也是极为严峻的一个问题；另一方面，由于气候变暖，极端气候频发，高楼通风和应对天气变化的矛盾也愈发突显。与此同时，社会进一步老龄化，越来越多老年人居家生活不便的问题也暴露出来。为解决以上问题，在调研并查阅相关资料的基础上，对窗户进行创新设计，设计一种集语音交互、智能检测、自动控制一体的智能窗户。

2 市场产品分析与对比

随着人们生活水平的提高，对物质需求越来越高，对居家环境与条件要求也越来越高，为满足人类需求，市场应运而生许多智能家居产品，其中就包含了很多门窗行业，其设计新颖独特，但也存在不少缺点：例如目前市场上一些智能窗户，设计结构复杂，但功能单一，只能满足开关窗的功能，缺乏对天气的智能检测和晾晒问题的考量；受住房周围噪音和环境影响，大部门居民选择平开窗花，因为其隔音保温效果较好，但是目前市场此类平开窗花的开关角度极小，丧失了窗户开关的本质意义。基于以上市场调研，本文为解决以上问题，设计出一种晾晒一体的智能窗户，以平开窗为例，在传统平开窗户的基础之上设计了丝杠螺母副实现开关窗功能，在窗户外围安装一组雨水和风速检测传感器，通过传感器检测天气变化，能够实现自动开关窗，应对恶劣天气变化；在窗框安装墙体立柱上安装衣服晾晒机构，该机构由舵机控制运动，这一设计，既节约了晾晒空间，又可通过传感器配合开关窗并实现自动收取衣物的功能；此外，在窗户系统中，单独设置语音模块，窗户的开闭也可由语音模块控制，实现人机交互，方便居家老人和其他行动不便的人士使用。

3 机械结构设计

3.1 开关窗传动结构设计

晾晒一体智能窗户在无人监督情况下，能提供自主控制窗户功能。对机械传动要求较高，尤其是传动的平稳性和效率问题，基于以上考究，采用滚珠丝杠螺母传动。如图1所示。采用滚珠丝杠传动的优点，其传动效率较高，这样可保证开关窗的时效性，当恶劣天气出现时，可立即实现窗户的关闭；滚珠丝杠可实现微量移动，因此对开关窗的角度可实现微量控制，最大限度的利用空间：且滚珠丝杠传动平稳，由于其传动间隙小，可使开关窗过程较为平稳、顺滑，减少卡顿等故障，延长使用寿命。

图1 滚珠丝杠螺母传动

3.2 开关窗角度控制

开关窗角度的控制如图2所示，丝杠旋转带动螺母做直线移动，螺母连接块将螺母与连杆一端连接，连杆另一端与活动窗框底部连接，具体连接方式如图3所示，螺母座直线移动带动活动窗框实现一定角度的开关窗功能。

图2 开关窗角度的控制

图3 开关窗角度的控制

3.3 晾晒结构的设计

当刮风下雨恶劣天气情况下，除实现自动关窗功能之外，同时要实现衣物的自动收取功能。本设计考虑到晾晒的空间问题，设计一种结构简单且满足晾晒的四杆机构，辅以舵机控制，实现衣物的晾晒和收取。如图2所示。连杆1中的U型孔为限制连杆机构开合角度限位，连杆1连杆2连杆3采用铆接的方式连接在一起，连杆2一端装有直线移动轴承，在连杆1的U型孔中做直线移动。连杆中的孔用来挂放晾衣架。局部示意图如图4。

图4 连杆晾衣架图

4 传感器模块设计

智能衣物的晾晒与窗户的开关，其智能化就在于传感器模块的运用，本设计以单片机为主控芯片，结合雨滴传感器、风速传感器、语言传感器、人体红外传感器、步进电机并设计相关主控电路与驱动电路实现控制，充分体现模块化设计思想，主要控制流程如图5所示。

图5 控制流程图

4.1 系统主控及各外设初始化后，开启定时器进入主循环程序。

4.2 雨滴传感器产生是否有雨信号发送给主控；风速传感器产生感应电压，经放大电路处理，产生风力信号发送给主控；人体红外传感器通过对人体红外信号的检测产生防盗信号标志发送给主控。

4.3 语言传感器上的语音核独立分析并处理语义指令，如采集到普通话“开窗”声音时，产生语音开窗信号，采集到普通话“关窗”声音时，产生语音关窗信号，采集到普通话“停止”声音时，产生语音停止开关窗信号。

4.4 定时器定时监控窗户的各种状态，并根据外设信号更新、处理各种标志位，实现有效且合理的实时控制。包括窗户是否开到极限限位处，是否关到极限限位处，分别产生或清除窗户已开标志、窗户已关标志、窗户运行至中间标志。当检测到风、雨信号达到阈值时产生风、雨标志位，当检测到风、雨信号未达到阈值时清除相应标志位。当检测到风、雨信号达到阈值时产生风、雨标志位，当检测到风、雨信号未达到阈值时清除相应标志位。当检测到语音开窗、关窗或停止信号时，分别产生或清除语音开窗、关窗或停止开关窗的标志位。

4.5 当有风、雨标志位或语音关窗标志时产生关窗指令，执行关窗指令时，驱动电路控制步进电机运行，进行关窗动作。当关窗至极限，窗体动作触发限位开关，停止关窗动作。

4.6 当关窗状态已持续一段时间，并天气晴朗，即关窗且有晴朗标志位为时，产生开窗指令。当有语音关窗标志时产生关窗指令。执行开窗指令时，驱动电路控制步进电机运行，进行开窗动作。当开窗至极限，窗体动作触发限位开关，停止开窗动作。

4.7 当窗户开窗或关窗的过程中，有语音停止开关窗标志位时，停止开关窗动作。

4.8 语音交互控制功能，不仅可直接对窗户进行命令，还可以通过手机APP远程语音控制开关窗户、窗户的开闭程度和舵机控制衣架的旋转运动。

5 创新点与应用前景

5.1 创新点

5.1.1 晾晒一体智能窗户功能丰富，操作便捷。

5.1.2 可根据天气情况自动控制窗户开关，自动收取衣物。

5.1.3 独立语音控制功能，实现人机交互。

5.1.4 成本低，安装方便。

5.2 应用前景

本装置功能丰富且实用，操作简单且安全，使用与安装方便，成本低廉。当今，随着城镇化进程的加快，小户型晾晒问题也日益突出，另一方面，由于气候变暖，极端气候频发，高楼通风和应对天气变化的矛盾也愈发突显。虽然市场上存在多种多样的晾晒工具与各类型的窗户，但将两者同时结合起来的产品较少，市场空缺较大。本装置将两者进行创新性结合，能很好解决上述难题，具有广泛应用前景。

结束语

本文设计了一个基于语音交互功能的晾晒一体智能窗户,通过智能检测传感器控制,实现开窗晾晒和通风功能。同时,还可以结合APP进行对窗户的远程通信和控制功能。该装置作为未来智能家居的一个重要组成部分,在后期我们还可以开发更加安全可靠的硬件来给我们提供生活上的便利性和简化操作，提高使用感受；通过对制作模型，对系统软件和硬件整体设计调试,初步验证了该设计方案的可行性,可以实现了基本功能,达到了设计目的。在未来实际应用过程中,该窗户可能会存在语音控制准确率不高、对环境监测有误导致窗户开关不及时等问题，未来仍须进一步改良。此外可以通过构建对晾晒一体智能窗户的数据分析系统，争对在不同地区的天气情况进行数据统计分析，提供更加人性化、智能化的服务。