基于平移式窗戶的智能啟閉器的創新設計

李彥青

摘 要：隨著生活水平的不斷提高，家居產品不斷向智能化方向發展。然而，目前生活中窗戶主要依靠手動操作來實現開閉，這存在諸多弊端。如室內無人而突發大雨或大風時，不能夠及時關閉窗戶進而會使室內設施受破壞；再如煤氣中毒事件在生活中時有發生，這也是由于室內有毒氣體濃度過高時未能及時打開窗戶所致。鑒于此，創新設計一種基于平移式窗戶的智能啟閉器，實現在暴雨或暴風等惡劣天氣自動關窗或者室內有毒氣體超標時自動開窗，便捷人們的生活，保護人們的生命財產安全。

關鍵詞：智能啟閉器；齒輪齒條傳動；平移式窗戶

中圖分類號：U463 文獻標志碼：A

0 前言

日常生活中，窗戶是室內與外界交流的重要通道，如空氣流通，陽光照射等等，其與人們的健康生活密切相關。生活中往往存在突發暴雨、刮大風等惡劣天氣時人們不在家中的情況，不能及時關閉窗戶，進而雨水等對室內設施造成破壞。除此之外，冬季由于在室內燃煤取暖未打開窗戶而造成的煤氣中毒事件在現實中反復重演著，這與其說是由于缺乏相關知識，不如說是由于窗戶沒有及時打開使空氣流通而釀成的慘劇。

當前，平移式窗戶已經廣泛被人們接受，而傳統的窗戶啟閉器多適用于翻動窗或外開式窗戶。蘭州交通大學的學者發明了一種自動開關窗戶的裝置，其可以用于平移式窗戶，但是其功能單一。另一方面，隨著單片機芯片的集成度越來越高以及生產成本逐步降低，現在越來越多的智能化、人性化機械產品出現在人們的日常生活中，服務于人們的生活，如自動窗簾、智能晾衣架，自動拖地機等等。鑒于此，創新設計一種基于平移式窗戶的智能啟閉器，實現在暴雨或暴風等惡劣天氣自動關窗或者室內有毒氣體超標時自動開窗，方便人們的生活，保護人們的生命安全。

1 基于平移式窗戶的智能啟閉器的機械傳動方案選擇及工作原理

1.1 機械傳動方案的選擇

平移式窗戶開閉的主要動作在于：在外力的作用下使窗扇沿著滑槽左右移動，進而實現窗戶的開閉，其運動形式為直線往復運動；另一方面，現有的機械產品的動力源多為電動機，其輸出為旋轉運動。即啟閉器的機械傳動裝置需要將旋轉運動轉化為直線往復運動。綜合考慮，啟閉器的機械傳動裝置有3種方案選擇：

方案①：滾珠絲杠傳動。

方案②：曲柄滑塊機構傳動。

方案③：齒輪齒條傳動。

上述3種方案均可以將旋轉運動轉化為直線往復運動，可以滿足智能窗戶啟閉器的功能要求。然而，滾珠絲杠通常用于高精度傳動，承載小，其安裝結構大且成本高，易磨損。曲柄滑塊機構雖然承載大，但是其安裝結構尺寸比滾珠絲杠和齒輪齒條傳動機構均大，且不美觀。齒輪齒條傳遞動力大，壽命長，工作平穩，可靠性高，其安裝尺寸小，成本低。因此綜合考慮窗戶啟閉器的安裝尺寸、使用壽命以及經濟成本等，選擇齒輪齒條傳動機構作為智能啟閉器的機械傳動裝置。

1.2 工作原理

基于平移式窗戶的智能啟閉器采用齒輪齒條傳動，綜合應用濕度傳感器、風速傳感器、氣體傳感器和單片機控制技術等。各類傳感器實時檢測各種環境值，當某一環境值，如空氣濕度或者CO濃度等超過設定閾值時，傳感器便會將信號傳輸至單片機，單片機作用于與之相連的電機，電機進而驅動齒輪正轉或反轉，在齒輪齒條的傳動下，實現窗戶的關閉或開啟。同時該智能啟閉器還配置有紅外遙控器，使用者可以自主的控制其開閉。如圖1所示為該智能窗戶啟閉器的控制原理圖。

2 基于平移式窗戶的智能啟閉器的組成與機構分析及工作模式

2.1 啟閉器的組成

智能窗戶啟閉器主要包括機械系統和控制系統兩部分。如圖2所示為窗戶啟閉器的結構示意圖。

機械系統主要包括：電機、減速器、齒輪齒條、限位開關以及支撐裝置等。齒條固定在移動式窗戶的某一窗扇的下端，電機經減速器連接于齒輪，電機和減速器以及齒輪通過支撐裝置安設在墻體或者窗框上，齒輪齒條相互嚙合傳動。限位開關設置在窗框的兩端，當窗扇觸碰到限位開關時其可以發出指令進而使電機停止轉動。控制系統主要包括單片機控制器、濕度傳感器、風速傳感器以及氣體傳感器。濕度傳感器和風速傳感器布置于室外，氣體傳感器布置于室內。各傳感器通過信號線與單片機相互連接。

2.2 機構分析

機構具有確定運動的條件是機構的原動件數目等于機構自由度的數目。對于平面機構的自由度計算公式為：

F=3n-2pl-ph （1）

式中：

F—機構的自由度數目。

n—活動構件（不包括機架）的數目。

pl—低副的數目。

ph—高副的數目。

對于該智能窗戶啟閉器，其n=2（與窗扇固連的齒條以及齒輪），pl=2（窗扇與窗框之間的移動副以及齒輪與支撐裝置之間的轉動副），ph=1（齒輪齒條之間的齒輪副）。因此易得，該智能窗戶啟閉器的機構自由度數目F=1，其原動件數目等于機構自由度數目，滿足要求。

2.3 工作模式

智能窗戶啟閉器主要具有兩種工作模式：智能控制模式和手動操作模式。在智能控制模式中，單片機根據濕度傳感器、風速傳感器以及氣體傳感器實時采集的外部或內部環境信息來對電機的正反轉進行自動化控制。當遇到下雨或刮大風的天氣時，單片機會向電機發出指令使其正轉關閉窗戶。如果室內一氧化碳濃度過高時，單片機會向電機發出指令使其反轉打開窗戶。在手動操作模式中，使用者通過紅外遙控器來控制啟閉器的開閉狀態，實現對其主動控制。

3 結論與展望

本文設計了一種基于平移式窗戶的智能啟閉器，綜合對比分析了3種不同的傳動方案，對窗戶啟閉器的控制原理以及結構組成進行了介紹，并用機構分析相關知識對其自由度進行了計算，驗證了機構設計的合理性。本窗戶啟閉器需要綜合應用傳感檢測技術、單片機控制技術以及齒輪齒條傳動，具有較好的智能性，同時其結構簡單，制造成本低，易于推廣。其可以實現雨天或大風天氣下，自動關閉窗戶保護室內設施；同時其還能夠在室內有毒氣體超標時自動開窗，保護人們的生命安全。其主要創新點在于：①實現在無人操作下、雨天或室內有毒氣體超標時的智能化開關窗；②實現智能化與手動操作的結合，可根據需求任意選擇，人性化程度高。

智能窗戶啟閉器可極大地便捷人們的生活，解決上班族等群體對家里的擔憂，同時提高居家時的安全性。展望未來，基于平移式窗戶的智能啟閉器將在人們的生活中扮演一個不可或缺的角色，保證人們生活的安全與舒適，會更加完美地為人們的美好生活服務。

參考文獻

[1]何剛，馮啟明.一種智能平移式窗戶啟閉器的設計[J].機電技術，2011，34（6）：85-86.

[2]馬延，趙志剛，王硯麟，等.一種自動開關窗戶的裝置[P].中國：2051208552760.2016.

[3]唐圣護，林云，郭凱豐，等.平移式多功能自動窗的設計制作[J].電子世界，2013（16）：149-149.endprint