新一代智能窗户*

2021-09-08魏鸿图史艳文田文清

科技创新与应用 2021年24期

魏鸿图，陈光，史艳文，田文清，马彪

（长春工程学院机电工程学院，吉林长春 130012）

21世纪是信息智能化发展的时代，各种互联网新型技术以及智能化设备推动了人类文明的巨大进步，随着经济的快速发展，人们对自己的生活水平有了更高的要求，追求舒适、健康、绿色、安全的生活理念变得更为迫切。近年来，智能家居概念已经逐渐深入到百姓的日常生活中。目前，很多经济条件优越的用户已经开始安装并使用了智能家居系统，同时也体验着智能化家居为日常生活带来的安全、舒适及便利。据调查，目前只有少数窗户实现了远程控制功能，大多都是采用了移动通信GSM模块，这种传输方式不具备实时性，同时传输数据量较小。现有智能窗户大多不具备智能防护功能，同时窗体驱动模块设计不是很完善，存在较大安全隐患。为了克服这些不足，本文设计并实现了以STC89C52单片机为核心的智能控制系统，通过与机械电子相结合，实现了开关窗的智能化，既能手动开关窗，又能自动开关窗；结构与传统窗体相似，采用塑钢平开窗，使用丝杠和多杆机构相配合，自行设计开窗器，具备智能安全防护和远程操控功能的新一代智能窗户。

1 项目背景及研究意义

目前，普通的窗户是需要用户到窗边亲手开窗或者关窗，没有防火、防贼报警以及防雨和过滤空气等人性化的功能。在暴风雨天气，一旦忘关窗，或未及时关窗，会造成室内积水，对室内的各种物品，尤其是电器等造成严重的损害。现今的潮流是将人工智能运用到人们的日常生活，使用智能技术，设计和开发新一代住宅用机械和家用机械装置。而且现如今智能化家居也在逐步走进我们的生活，因此研制和走向智能化也是我们探索创新的生活方式，提升人们的生活品质和提高人们的生活质量的必经之路。

2 总体设计概念

在房地产发展依旧呈增长态势的今天，窗户作为辅助，其需求量也在持续增长。而一般窗户多是平移式或是斜推式，需人工施力才能实现开启或关闭的功能，若忘关窗户在暴雨等极端天气下会对房屋建筑造成一定程度的损害，另外若是使用不当甚至会引发某些危险情况。针对这些情况，人们对窗户的要求更加严苛：智能化、可自动感应天气及周围状况且自动开启关闭以及可遥控等功能逐渐成为了现代生活对窗户的需求，见图1。我们所打造的这款智能窗户，以智能化家居为目标，旨在实现窗户的智能感应及人工远程操控，见图2。智能窗户在搭载各种精密传感器的基础上，采用精密复杂的机械结构，再搭配先进的远程操控物联网技术，以此达到智能化家居的目的，适用于小孩、老人、残障人士、病患等各类人群，可安装在写字楼、医院、学校、养老院等各类地方。在未来的积极发展中，甚至有可能在各类车型上使用。

图1

图2

3 各模块设计及其功能

3.1 传感器模块

此款智能窗户搭载以STC89C52单片机为核心的控制系统（一款新型CMOS8位微控制系统），包含8kB系统可编程FLASH储存装置和8位CPU以及FLASH的可编程系统，大大提高其性能，降低其功耗，使窗户的使用操控更加灵活、高效，在各种环境条件下感应更加敏锐，见图3。

图3

3.1.1 极端温湿度环境

此项功能主要针对各类极端天气，在极端湿度和温度下，窗户自动感应周围的温湿度来控制窗户的开关。其核心DHT11感应元件，含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，将温湿度信号及时传送到单机片上。湿敏电阻检测空气湿度，当周围的湿度达到一定阈值时，单片机会向窗户动力装置发出规定指令，此时窗户控制系统接收到指令驱动窗户关闭，控制系统在0～100%RH范围内都能及时做出反应，防止室内进水严重或湿气过重。此外，DHT11还可以作为温度感应器，在-40℃～80℃的温度范围内精准感应，当温度过高或者过低，窗户控制系统都会接收到来自单片机的规定指令来驱动窗户关闭，以保持室内温度处于舒适范围。

3.1.2 强风环境

此项功能主要适用于台风、沙尘暴及风力强劲的情况。风传感器主要由风轮、传感器电路等装置组成，能实时检测风速，将风速转化为电信号输出给微处理器。在窗户打开的情况下，当室外风力达到一定强度，风能够带动风轮转动时，计数器会记录每分钟风轮所转的圈数，然后将最终数据传输给微处理器做判断。当所转圈数达到某一设定值时，微处理器将控制电机使窗户关闭，达到自动防风的目的。当所转圈数小于一定值时，电机将带动窗户打开，保证正常的空气流通。

3.1.3 安全防护警报

此项功能主要针对有中低龄儿童的室内。小孩生性贪玩，好奇心重，对于一些不经意间的危险动作有很强的模仿力，也正因为如此，高层孩童坠落事件时有发生。为了防止此类意外发生，该智能窗户借助HC-SR602热释电人体红外传感器，利用红外探测器检测窗户周围是否有孩童靠近，一旦感应到孩童所在位置接近于设定距离，红外传感器便会将高电平信号（H=3.3V）传送至单片机，再由单片机向窗户动力装置发出指令，窗户自动关闭，以此来避免危险的发生。当孩童离开危险距离时，传感器再将低电平信号（L=0V）传送至单片机，单片机向窗户动力装置发出指令，窗户再次开启，保持室内空气正常流动。除了孩童，该装置也可以用来保护年龄较大行动迟缓的老人以及精神错乱、心理扭曲的病患，适用于幼儿园、各类医院、疗养院。

3.1.4 异常气体检测

此项功能主要检测各类异常气体，预防异常气体的传入致使危险情况的发生，对日常生活中常见的危险可燃气体如液化气、丙烷、天然气的检测有显著的效果。MQ-2的探测范围极其广泛但具有良好的干扰性，可准确排除有刺激性非可燃气体，且灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单。借助于灵敏度高，响应快的MQ-2气体传感器检测周围环境中的气体浓度，当室内一侧气体浓度达到一定值时，气体传感器将高电平信号传输至单片机，再由单片机向窗户动力装置发出指令，控制窗户自动打开。由于输出信号的强度最终是由空气中可燃气体的浓度决定，所以当发生不小心泄漏可燃气体但及时制止的情况时，单片机接收不到信号，不必担心窗户随意开启。若是火灾发生，产生的煤烟等气体漂浮于室外一侧，与前者相反，单片机接收到过高浓度转换成的信号后会向窗户动力装置发出窗户关闭的指令，防止室外气体进入。

3.2 机械结构模块

传动任务是由动力源通过传动机构带动窗扇在滑移槽内来回滑动。齿轮齿条传动较为准确可靠，并且机械效率高，因此选定齿轮齿条传动，如图4所示。

图4

3.3 远程操控物联网技术

物联网技术起源于传媒领域，是信息科技产业的第三次革命。物联网是指通过信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、追踪、监管等功能[1]。物联网（loT，Internet of things）即“万物相连的互联网”，是互联网基础上的延伸和扩展的网络，将各种信息传感设备与互联网结合起来形成一个巨大的网络，实现在任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通[2]。此款智能窗户将温湿度传感器、风传感器、人体红外传感器和互联网技术紧密结合，采用小程序和应用软件的模式操控窗户的开关达到使用智能家居的目的。借助于HC-25物联网Wi-Fi串口模块，将此模块与单片机相连，从而可以实现将所有传感器采集的信息传输到手机上显示的功能，在无异常情况下也可操控窗户的开关。小程序使用方便，操作简单，占用空间较小且无需安装下载，可以满足绝大多数用户的需求。在手机端轻轻点击屏幕即可了解家里的湿度温度状况，气体流通情况以及窗户周围异样，给用户带来安全感，见图5。

图5

4 国内外发展现状

随着社会的发展和人们生活水平的不断提高，住房要求也在不断提高，高层建筑越来越多。人们的生活现状也逐渐趋向于个性化、人性化、智能化。根据中国报告大厅发布的《2016－2021年中国智能家居行业发展分析及投资潜力研究报告》，据测算，我国智能家居潜在市场规模约为5.8万亿元，2018年我国智能家居市场总规模达到225万亿元，发展空间巨大。其中，家电类智能家居产品市场份额最高。在发展空间方面，我国智能家居行业潜在市场规模巨大。目前，整个家居行业同中国的房地产市场和股市一样，是成长壮大的状态。任何一个产业要发展，要不断壮大都需要资金和品牌推广，需要进行改造，外来资本将对整个中国门窗企业的发展起到非常大的促进作用。

国外对智能住房的研究也有一些差异，智能家居经济学的发展也始于智力上的突破和进步，美国公司侧重于保护功能的测试和应用，欧洲公司侧重于使用远程控制，亚洲三星级公司也非常深入地探索智能家居，以开展相关的研究产品。近年，欧洲、北美以及亚洲的日本、韩国，其住宅窗体产品启动方式已开始向自动化方向发展。如德国的诺托、意大利的图兰朵、韩国的LG等，均有自动化窗体生产。他们的窗户服务效果更加全面，更加多样化，应用领域更加广阔。在政府的支持和鼓舞下，智能窗户行业发展态势越来越好。

5 应用与推广

随着科技的发展，尤其是云计算、物联网的出现，智能家居的概念频频出现在各大媒介上，进入公众的视线。在我国，智能家居的概念是十年前引进，并推入市场。随着社会、经济水平的发展，人们对家居品质的追求也越来越高，要求家居舒适化、安全化，家居生活舒适化、智能化，对智能家居系统的需求也越来越强烈。同时居民住宅更多倾向于高层建筑，并且老龄化的问题日益严重，智能化窗户可以随时监控室内情况，具有自动关闭的功能，同时红外传感器装置可以感应到人员接近而及时关闭，大大提高了安全系数。同时智能代表的是科技感，再加上我国经济的发展，人民消费水平提高，所以智能门窗也成为众多消费者比较感兴趣的产品，应用前景广阔。