iWindow自感應低碳智能窗

楊爽　李海霞　張昊　劉曉川

摘 要：iWindow自感應低碳智能窗可利用室內外傳感設備，根據室內最適溫度值，自動調節窗戶的開合度，提供舒適的環境。同時根據室內情況（有小孩爬窗）、戶外環境（包括雨雪、污染、盜賊情況）動態調節窗戶的開關以及開合程度，保證安全和實用性。

關鍵詞：自感應；iWindow；智能窗

0 引 言

在生活中，我們常會遇到有關窗戶的一些問題：春秋季節，晝夜溫差大，常常出現夜晚忘記關窗，第二天感冒的情況；也常常出現白天忘記開窗，室內空氣不流通的情況。下雨天恰逢我們不在家的時候，無法及時關窗?？諝赓|量不好時，沒有意識到應該關窗。當小孩爬窗時，家長不在身邊沒有及時制止出現安全問題。作為“城市病”的最典型特征，生活方式的高能耗與高污染是困擾現代人的主要問題和嚴峻挑戰。如何在享受便捷生活的同時，最大程度降低能耗，減少對環境的污染，是值得探索的關鍵問題。本項目從“窗戶”這一每個房屋必備的裝置入手，擬利用無線傳感器網絡及智能控制算法，最大程度地展現這一與我們生活息息相關的設備的強大應用潛能。

1 作品詳細介紹

iWindow自感應低碳智能窗是一款利用ZigBee無線傳輸技術，集溫度、紅外、煙霧、雨滴等傳感器為一體的，能夠防止小孩爬窗、防盜，雨天自動關窗，可在一定程度上調控室內溫度，是一種安全、環保的智能窗戶。該智能窗的具體功能如下：

（1）智能調溫系統實現窗戶的開合。通過室內外的溫度傳感器傳輸數據，并由用戶自行設定最適溫度值，來實現窗戶的智能開合。圖1所示是開關窗的啟動程序。

（2）防止小孩爬窗。室內紅外傳感器實時監控窗戶下方小孩可能攀爬的區域，發現小孩攀爬窗戶時，立即報警并關窗至8 cm的位置，保證小孩不能穿過，又避免窗戶關閉時夾傷小孩。

（3）防盜賊爬窗。

（4）雨天自動關窗。

（5）實時顯示室內外溫度和空氣質量。用戶可以根據戶外環境動態調節窗戶開合，避免劣質空氣流入室內。圖2所示是實時顯示室內外溫度示意圖。

（6）手動控制窗戶的開關。通過按下單片機下的不同按鈕，實現對窗戶開關的控制，使得窗戶便于操作。

2 工作原理

本作品由四個模塊組成，包括：中央處理模塊、無線通信模塊、傳感器模塊、步進電機驅動模塊，功能框圖如圖3所示。

2.1 單片機處理模塊

單片機處理模塊采用了ATmega16型單片機，用于實現對無線通信所獲得數據的處理，并通過驅動器控制步進電機實現窗戶的開關。圖4所示就是單片機處理模塊圖。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊采用DHT11數字式溫濕度傳感器、紅外傳感器、雨滴傳感器以及煙霧傳感器。傳感器與ZigBee模塊進行通信，實現將傳感器設備接入ZigBee網絡，并向ZigBee傳輸數據。其傳感器模塊如圖5所示。

2.3 ZigBee模塊

ZigBee模塊采用CC2530 ZigBee 無線數傳模塊，通過串口與單片機進行通信，該模塊支持點對點通信以及點對多點網絡，能夠非常快速地實現將設備接入到ZigBee網絡的目的。如圖6所示。

2.4 窗戶控制模塊

本模塊主要由步進電機提供動力，驅動窗戶的開關。步進電機的旋轉量是與驅動器輸出的脈沖個數一對一的，我們可以精確的通過改編脈沖個數決定步進電機的旋轉角度，進而控制窗戶的位置。如圖7所示。

2.5 機構選型

本產品采用絲杠螺母的結構，其優點在于，將電機的旋轉運動轉化為螺母的直線運動，并且可以將絲杠藏在窗戶里面，增強了窗戶的美觀性。

3 作品創新點

3.1 調節室內溫度快

在條件良好時，空氣對流的溫度調節速度超過空調調溫速度；當對流條件不好時，由于窗戶可以自動開合，所以在人進屋子前，智能窗已經將溫度調節好，人們可以即刻感到舒適。

3.2 節能

本智能窗利用溫度調節前期的空氣對流換熱來替代空調調溫，完全省去了這一部分電耗，達到了節能的目的。

以下為節能數據計算過程：

基本參數：住宅面積100 m2；房屋高度3 m；室內空氣比熱約1 kJ/（kg·℃）；空氣相對摩爾質量29；空氣摩爾體積24.5 L/mol（取室溫25℃&一個大氣壓）

制冷和制熱系數都在3左右，每次用開窗空氣對流換熱代替空調換熱3℃即節能355.1 kJ/3*3/（3 600 kJ/度）=0.1度

3.3 保護人體健康

本產品可實時監測屋外灰塵濃度、降雨情況，在惡劣條件下關窗，阻止惡劣空氣流入室內。

3.4 保護幼兒安全

設置了紅外檢測開關，阻止了小孩爬窗跌落對小孩造成的傷害。

4 市場前景

據調查了解，現在的智能家居市場剛剛起步，市場上的智能窗戶大多還是概念化的產品，并沒有一款智能窗戶真正意義上走進人們的生活。通過問卷調查以及走訪，我們發現我們設計的智能窗戶和市場上已有的概念化產品相比更加人性化，溫濕度調節作用使窗戶更加節能，PM2.5檢測讓窗戶對我們的健康更加有益，防盜、防小孩爬窗使窗戶更加安全，同時如果應用于智能家居系統也可以很好的實現手機控制的功能。