基于遠程控制系統的智能窗設計與實現

費葉琦 ， 朱 軒 ， 齊加勝 ， 周徐孝 ， 楊文謙 ， 吳晟豪

（1.南京理工大學紫金學院智能制造學院，江蘇 南京 210046；2.南京林業大學機械電子工程學院，江蘇 南京 210037）

0 引言

隨著社會以及科技的快速發展，高效快捷的生活得到更多人的追捧，因此，智能家居逐漸進入大眾視野。窗戶作為家居主體的一部分，是同外界進行濕度、溫度及空氣交換的主要通道，與人們的日常生活以及健康息息相關[1]。在國內，各類智能窗戶為生活帶來了各種便利，但因整體市場缺乏有效宣傳，人們對智能產品認知度不高，同時由于產品價格偏高、維修不便等問題嚴重影響了此類產品的推廣。國外許多品牌智能窗產品涌入國內市場，提高了此類產品在消費群體的認知，刺激了智能窗戶的市場消費，故此，國內越來越多的廠家、品牌投入資金和人力開展研發工作。如海森伯智能門窗品牌下的阿基米德智能窗擁有近百項專利和軟件著作權，并且相關產品已投放市場，該公司產品在加強窗戶隔音、密封等性能下，實現了窗戶觸控、智能除濕功能；重慶昂名建材公司推出的高性能智能門窗具有隔音、隔熱、防盜、防風、防塵等功能，客戶可根據具體功能需求進行定制；佛山阿爾維致力于打造高端智能節能門窗。但整體市場中此類產品價格昂貴、操作復雜、維修困難，且很難在現有窗戶上進行智能改造[2]。基于此，筆者設計了本款智能窗，該窗可在傳統窗戶上進行改進，功能上結合樹莓派與云平臺技術，有自動開合、特殊天氣檢測、紅外報警、異物防夾等功能，用戶可通過手機程序端更為便捷地查看當前的窗戶狀態，并可遠程控制其開合，且添加有語音控制功能，極大地提高了生活的智能化及便捷程度。

1 智能窗結構設計

智能窗結構整體設計中包括機構設計、控制元件布局及運行模式設定三個部分。

1.1 機構設計

智能窗傳動裝置中包括鋁材框架、雙層中空夾膠鋼化玻璃、風力檢測傳感器、雨水檢測傳感器、紅外傳感器、樹莓派控制器、齒輪和電機等組成。傳統的平開式和推合式窗戶在長時間使用后，老化和銹蝕現象嚴重，易出現卡死或窗戶閉合不嚴等問題。本設計中傳動裝置采用具有良好抗壓及防銹性能的斷橋鋁作為窗戶主體材料，傳動采用更為穩定的同步帶傳動方式，并將同步帶固定在型材上，將手動撥桿安裝在移動窗框內側的右上位，手動撥桿上的凸緣配合同步帶中的卡槽，通過控制同步帶旁配置的電機來實現窗體的左右開合方式，極大提高了窗戶的壽命，并且簡單的裝配設計便于窗體的整體拆卸、清洗及維護更新，如圖1和圖2所示。

圖1 傳動裝置細節圖

圖2 智能窗戶三維建模示意圖

本設計為滿足設計要求選取電機GMP42-TEC4260，其額定功率為35W，轉速為50RP；同步帶型號為HTD3M。在實際安裝中應根據窗戶位置、大小，選擇合適的電機、同步帶等相關零部件。

1.2 控制元件布局

智能窗體控制元件中包括雨滴傳感器、風速傳感器、紅外傳感器及樹莓派等。

1）風速傳感器安裝在窗戶型材外部最頂端。2）雨滴傳感器的具體安裝可視住戶實際情況來定，當用戶處于無法控制窗戶的情況下，傳感器自動工作采集信號，自我判斷對窗戶開、關的控制。3）兩紅外傳感器分別置于窗戶內、外側邊。外側紅外傳感器可以檢測窗戶外側水平180°范圍異物信號，當窗戶外有物體靠近時外置式紅外傳感器采集信號，信號傳輸至樹莓派中處理，實現窗戶的自動開合，起到防盜作用；內測紅外傳感器可以檢測窗戶垂直面所在的范圍，當窗戶正在移動過程中，有物體在紅外輻射范圍內時，可使窗戶停止運行，起到異物防夾作用。兩個紅外檢測范圍互相獨立，當防盜、防夾功能信號沖突時，控制程序優先執行防夾功能，同時鎖死窗戶，給用戶發送相關窗戶狀態信號，需用戶在程序上重置或手動在窗戶上解鎖。4）遇阻停止模塊中的兩個限位器置于窗戶框架兩側邊緣，當窗戶達到限位器位置時，電機停止運轉，窗戶鎖死。5）樹莓派置于型材內側上方，與傳動系統等高，由封條統一封裝，保證了整體窗戶的美觀性、實用性，并預留維修通道，便于元器件的更新與維護。

1.3 運行模式

為滿足窗戶使用需求，設計了三種控制模式：

1）遠程手機端APP控制，可通過手機操作界面下達動作指令，長按圖中麥克風即可進行語音控制，如圖3所示。

2）自動關窗模式，即在家中無人情況下，遭遇雨雪、風沙、強光、雷暴等惡劣天氣時，為保障住戶財產不受損失，在APP上給用戶發送關閉請求，若設定時間內未得到用戶反饋，將會啟動自動關閉功能。

3）手動模式，在斷電而無法電控的特殊情況下，可通過手動撥桿裝置，使窗體與傳動機構分離，切換至手動模式，其中手動撥桿安裝于同步帶外側，如圖4所示。

圖3 手機客戶端操作界面

圖4 手動撥桿裝置

由三種控制模式實現了電機帶動下窗戶順利開合，也能避免因電控元器件失靈或斷電等因素造成控制系統失效而無法關窗的情況。

2 智能窗控制系統設計

智能窗控制系統設計中包括傳感系統和云端控制系統兩部分。用戶可通過手機APP的語音控制和按鈕控制向云端發送指令，再由云端識別指令轉發于執行端，進而完成智能窗開合動作；智能窗也可由監控傳感器數據，聯合云端實現自動控制，當指令識別失敗，云端將發送短信提醒用戶并將錯誤信息回傳給智能窗，由智能窗修正并重新發布指令。具體控制工作流程圖如圖5所示。

圖5 智能窗控制系統工作流程圖

2.1 傳感系統設計

雨滴傳感器采用壓電式，主要是通過接上5V電源后，感應板上感應是否有雨滴，將數據輸出至連接樹莓派GPIO，從而檢測雨量大小；風速傳感器采用能兼容樹莓派、具有防雨淋設計的三杯式傳感器，當風力達到設定值時，高頻信號傳遞給樹莓派，樹莓派接收到因雨滴傳感器或風速傳感器關窗信號后，提醒用戶窗戶是否需要執行關窗命令，用戶通過手機端發出關窗指令則正常執行，如當一段時間內未得到用戶響應時，控制器將實現無人為控制下的自動關窗。

HC-SR501人體紅外傳感器實現防盜功能：工作時配合攝像頭在其監控范圍內，感應有人持續在窗外活動時，記錄數據輸出至樹莓派，在一定時間內多次記錄后，樹莓派將激活蜂鳴器警告并發送短信提醒住戶監控范圍內有異常情況。當短信被閑置，窗戶將會啟動防盜功能，自動關閉窗戶；同時，樹莓派通過連接的APP持續振鈴來提醒用戶查看屋外監控或已錄制的視頻，直至窗戶外人離開一段時間后才會停止警報聲。

2.2 云端控制系統設計

在家庭局域網中為了實現手機控制智能窗戶，其中樹莓派作為執行端，手機作為客戶端，租用服務器搭建云端，提前約定好相關命令，客戶端發送命令后，云端負責接收、轉發信息，執行端接收、執行指令，從而實現當用戶不在家中時，通過遠程操作控制智能窗戶，實現其開合。

通過樹莓派外接傳感器的接口可實現功能模塊自主拓展，用戶可根據實際安裝的具體情況進行調整位置和加裝功能模塊。如安裝天然氣相應檢測傳感器，當外界環境都是高溫天氣的時候，溫度傳感器將檢測出來，自動將窗戶打開；或在燃氣泄漏致使空氣質量下降到系統預設閾值（閾值未達到爆炸或引燃值）時，第一時間對用戶警報同時自動開窗疏通空氣，保障住戶安全的居住環境。

3 樣機試制

智能窗戶樣機經過多次的設計論證、建模、調整、測試，最終完成裝配，如圖6所示。此智能窗集現代傳感技術、無線傳輸技術等多種自動控制手段于一體，由雨滴、風速、強光等的反饋信號來實現窗戶的自動開合，極大程度上改變了零部件更換困難且周期短、不夠美觀等問題。相較于目前市場的窗戶，本次設計的智能窗成功實現自動開合、維護方便、可遠程操控的功能，能給用戶帶來更為便捷、舒適的體驗，有極大的市場空間[3]。

圖6 智能窗樣機

4 展望

就目前市場上的智能窗戶結構功能單一、價格昂貴、維修不便等問題，結合當下市場需求，設計了云端智能控制窗，實現了模塊化設計。可在本設計的基礎上根據用戶需求增加多種功能模塊，如空氣質量檢測、光線強度檢測等，基于現有工業生產條件實現智能制造以滿足消費者個性化、多元化的需求，從而降低企業生產成本，提升產品質量，增強企業競爭力[4]。通過不斷的優化設計，滿足用戶生活品質需求的同時，能在突發狀況下盡可能保障住戶安全并減少住戶損失。