基于WiFi的手機監(jiān)控智能窗戶開窗器設計

宋濤++管建峰++李善俊++范鵬++劉達

摘 要：隨著互聯(lián)網(wǎng)和我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，智能家居慢慢進入了人們的生活。設計了一套基于WiFi的手機監(jiān)控智能窗戶開窗器。整體設計方案需要解決的技術問題是機械執(zhí)行機構的設計和加工，用于控制機械執(zhí)行機構運動的電路和電動機、控制元器件的選型等問題。設計整套設備的最終目的是實現(xiàn)使用手機APP即可對窗戶進行開關動作控制。

關鍵詞：開窗器；遠程監(jiān)視；自動化技術；傳動機構

中圖分類號：TU855 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.073

在未來的幾年中，智能窗市將進入新的產(chǎn)業(yè)整合階段，可能會出現(xiàn)部分規(guī)模較大、口碑較好的廠家。從生產(chǎn)的角度上看，窗戶會不斷智能化、模塊化，用戶可依據(jù)自身的需求任意選擇產(chǎn)品，從而滿足不同層次用戶的需求。目前，很多智能窗戶采用一體化設計，更換窗框的概率較低。部分高端智能窗的價格昂貴、控制算法復雜，需要頻繁地修改設計，且功耗較大；部分智能窗的功能簡單，無法進行遠程監(jiān)視，難以推廣和應用。因此，本文提出了將自動化技術與WiFi技術有效結合的手機監(jiān)控智能窗戶開窗器。

1 整體結構設計

該開窗器主要由機械和電氣兩大部分組成。

1.1 開窗器機械部分的整體設計方案

開窗器的機械部分主要由窗戶、傳動機構、減速器、電動機等部件組成。

1.2 開窗器電氣部分的整體設計方案

開窗器的電氣部分主要由智能插座和控制電路部分所組成?？刂齐娐分饕扇蹟嗥鳌⒔佑|器、熱繼電器、行程開關和傳感器等電器元件組成。整體結構如圖1所示。

智能開窗器的工作步驟分為以下6步：①使用手機上的APP，并連接WiFi向智能插座發(fā)出指令；②智能插座接收指令后由插座引入電源（控制電源的接通或斷開）傳送至控制電路部分，從而實現(xiàn)控制；③控制電路部分，即通過控制電路中的各種元器件來實現(xiàn)電路的控制功能，使電動機正、反轉，從而使得滑塊做往復運動；④由于滑塊是固定在窗戶上的，因此，滑塊也會帶動窗戶做往復運動，從而實現(xiàn)窗戶的打開和關閉；⑤窗戶上的玻璃使用了變色系統(tǒng)，通過光線的強弱可自動變色，

從而起到保護家居產(chǎn)品的作用；⑥監(jiān)控設備具有攝像功能和環(huán)境檢測功能，可通過攝像頭監(jiān)控外界環(huán)境，并將得到的數(shù)據(jù)反饋至手機，從而實現(xiàn)人工實時控制。開窗器如圖2所示。

圖4為智能插座的手機APP界面。設計步驟完成后，需要進行選型工作。對于電機的選型而言，需考慮電機的類型、功率、電壓、轉速、外形結構和安裝方式等；減速器的選型需要考慮其所適用的速度、載荷以及傳動比等；傳動機構的選擇需要考慮傳動方式、扭矩大小、傳動精度、傳動的平穩(wěn)性、載荷的大小和剛性強度等。此外，考慮到產(chǎn)品可行性的同時，也要考慮到產(chǎn)品的經(jīng)濟性。

2 智能開窗器可解決的問題及應用

通過本項目的研究，可以使人們的生活進一步走向智能化，解決窗戶與智能插座相互獨立無法相連的問題。同時，本項目的成功研發(fā)也是對人們家庭財產(chǎn)安全的進一步保障。此外，由于玻璃的變色功能可對家具和地板進行有效的保護，避免了陽光的直接照射，從而延長其壽命，且對于上班族而言，可更加靈活地控制窗戶的打開和關閉，使室內的通風問題得到更好的解決。

21世紀，計算機網(wǎng)絡發(fā)展的總體目標就是在各個國家，進而在全球建立完善的信息基礎設施。信息基礎設施將改變人們的生活、學習、工作等，減輕人們的工作負擔，提高人們的生活水平，最終推動社會的進步。

在WiFi技術概論中，無線局域網(wǎng)以射頻無線電波代替有線局域網(wǎng)中的部分和全部傳輸介質，并使用了相應的數(shù)據(jù)傳輸技術。當WiFi發(fā)出載波信號時，接收端通過信號處理電路對信號進行采集、放大、轉換等，進而控制產(chǎn)品作出相應的動作。決定局域網(wǎng)特性的主要技術由3個，即用以傳輸數(shù)據(jù)的傳輸介質、連接各種設備的拓撲結構和共享資源的介質訪問控制方法。局域網(wǎng)的特點包括覆蓋范圍比較小、信息傳輸速率比較高等。由此可見，無線局域網(wǎng)是很有應用前景的一種局域網(wǎng)。

一般WiFi產(chǎn)品的射頻電路設計如圖5所示。

發(fā)送信號時，收發(fā)器本身會直接輸出小功率的微弱的射頻信號至功率放大器進行功率放大，然后通過收發(fā)轉換器，并經(jīng)由天線輻射至空間；接收信號時，天線會感應到空間的電磁信號，信號通過轉換器后，會送至噪聲放大器放大，放大后的信號可直接送至收發(fā)器解調。

在整個電路中，無線收發(fā)器起到了核心作用——進行信號的調制和解調，即數(shù)模與模數(shù)的轉換。數(shù)模轉換的原理為：數(shù)字系統(tǒng)中的數(shù)字量大多采用二進制數(shù)碼，因此，DAC輸入的是數(shù)字量，輸出的是模擬量。輸出電壓模擬量的大小與輸入數(shù)字量成正比。

由于模擬信號在時間上和量值上是連續(xù)的，而數(shù)字信號在時間上和量值上都是離散的。因此，在進行模數(shù)轉換時，需要先按一定的時間間隔對模擬電壓值取樣，從而使其變成時間上的離散信號。此外，還需要保持取樣電壓值，并在這段時間內對取樣值進行量化，使取樣值變成離散的量值，最后通過編碼將量化后的離散量值轉換成數(shù)字量輸出。在此情況下，經(jīng)過量化、編碼后的信號會變?yōu)闀r間和量值都離散的數(shù)字信號。本項目適用的對象包括以下11個：①窗戶的安裝位置較高或過遠，僅依靠人力觸及不到的窗戶；②樓層有消防聯(lián)動通風要求的消防排煙窗；③有氣象開/關窗要求的，比如下雨時需自動關閉的窗戶；④對室內有恒溫要求的，比如蔬菜或花卉溫室的窗戶；⑤對室內溫度有要求的，溫度過高自動打開的窗戶；⑥對空氣指數(shù)要求較為嚴格的，需及時定時通風換氣的窗戶；⑦室內需要一定的亮度，并且需要調節(jié)百葉窗的角度；⑧需要密封的窗戶，比如防雨天窗；⑨其他場合，比如化工、粉塵等工廠車間；⑩綠色、智能、節(jié)能現(xiàn)代高層建筑，比如幕墻、窗戶等；?樓宇自動控制、智能家居控制等。

3 創(chuàng)新點

目前，市場上的門窗開關基本上都是利用人工進行開和關的，而本項目的目的是利用現(xiàn)階段成熟的WiFi技術，并結合機械電子和自動化技術對門窗進行智能控制。市場上的WiFi智能插座與門窗是互相獨立，缺乏將智能控制開關與門窗相連接的機械執(zhí)行機構，且智能化程度較低。WiFi是在近年來發(fā)展起來的，雖然利用WiFi對家居產(chǎn)品的智能化控制已經(jīng)出現(xiàn)，但其產(chǎn)品覆蓋范圍較小，因此，對于利用WiFi控制門窗的相關研究較少。本項目主要對智能家居進行了研究，并結合WiFi技術更好地對開窗器進行了無線控制。

4 結束語

綜上所述，基于WiFi的手機監(jiān)控智能窗戶開窗器是一種集機械、電氣與WiFi技術于一體的現(xiàn)代工業(yè)自動化智能產(chǎn)品。該產(chǎn)品可滿足人們對智能化產(chǎn)品的期待，提升人們的生活水平。目前，該技術已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及人們的日常工作、生活中被廣泛應用。隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們的生活水平不斷提高，人們對智能化產(chǎn)品的需求不斷加大，該技術將得到進一步的應用。

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〔編輯：張思楠〕