一種智能節能窗設計研究*

張治海，李超逸，胡家寶，高 杰

（河北建筑工程學院機械工程學院，河北 張家口 075000）

目前，市場普遍存在的兩種窗戶：一種是以傳統窗戶為代表的人工開關的窗戶，這種傳統窗戶不僅功能單一，且窗戶的開關受時間、人為因素的影響；一種是新興的智能窗戶，新興智能窗戶可以完全彌補這兩大不足。但由于我國智能窗戶的研究起步較晚，各種功能與技術的發展與應用并不是十分完善，而且相對傳統窗戶，智能窗戶造價較高，因此，完整的智能家居系統的設計是具有一定難度的。基于此，課題小組主要就智能窗戶的自動控制系統以及窗戶機械結構的創新設計，作出簡要的敘述，為今后進一步研究作鋪墊[1-2]。

1 智能窗戶的制動控制模塊

本智能窗戶采用較為先進節能的16位單片機（SPCE061A）系列；選用差動半橋式力敏元件（壓力式傳感器），具有較高的牛頓力敏感度，體積小、重量輕、結構簡單、頻率高；并組合溫濕度監測器DHT11、報警器、差動式電機等設計而成。結合了光、電、熱、濕、力等技術于一體，自動化程度相對較高，具有防盜、防風、防雨等功能[3-4]。如圖1所示。

圖1 系統控制結構圖

1.1 單片機

本設計采用的是16位SPCE061A單片機作為主要的控制芯片，此芯片是繼SPCE500A后推出的又一款微型控制器，綜合考慮了用戶制作者較少的因素，以便更加快捷地調整、處理數據。與之前版本的芯片相比，SPCE061A微型控制器具有語音識別功能，使系統具有高度的自動性。

1.2 敏感元件傳感器

濕敏傳感器DHT11、氣敏傳感器MQ-3、應用專門數字模塊采集技術的紅外線感應系統，以及其他敏感元件，同單片機共同組成初步的智能窗戶控制系統。濕敏傳感器計劃采用3 V～5.5 V電壓，進行單線雙向的讀取。當玻璃外邊的傳感器沒有水滴時，會輸出高電平，電機不工作；當輸出低電平時，電動機工作，實現窗戶的關閉。氣敏傳感器在沒有可燃性氣體或有毒氣體時，MQ-3傳感器的阻值較高；若有可燃性氣體或有害氣體進入傳感器時，它的阻值會迅速降低，兩端的電壓也會隨之減低。紅外線感應系統模塊主要運用紅外線感應技術，當人體靠近窗戶時，傳感器會根據檢測到的人體紅外光譜的變化，從而對電路阻值進行控制，來實現窗戶的關閉或報警。這些信號經過單片機處理，根據不同的環境需求分析處理數據，隨后會有各個模塊進行相應指令的操作，實現窗戶的智能化響應。如圖2（a）所示。

圖2 程序流程圖

1.3 自動百葉窗清洗裝置

本智慧節能窗的主體結構是百葉窗的形式，本設計采用豎立式葉片，主要是為了有效地防止灰塵覆落在其上導致難以清理，其次是為了增大視角。出于節能考慮，用太陽能電池板和百葉窗進行結合，在百葉窗上安裝太陽能板，使百葉窗在實現控制室內陽光的同時可以儲存太陽能，來供給自身的智能機械裝置。同時，考慮到百葉窗葉片清理問題，采用導軌、毛刷、電機，將百葉窗進行逐一的清理。清洗的裝置上將會安裝灰塵敏感元件，當百葉窗或者玻璃上的灰塵超過規定的指標后，毛刷將會自動地對其進行清理。

2 智能窗戶的機械設計創新模塊

窗戶的主體分為玻璃部分與百葉窗部分，玻璃部分位于窗戶的外側，百葉窗位于室內，這兩道屏障結合形成了智能窗戶的主體系統。外側的玻璃部分主要用來抵御刮風、雨水、沙塵暴等，還兼具報警系統與監控系統。室內的百葉窗用來調節光照強度，同時還可以實現自動清洗。如圖2（b）所示。

2.1 玻璃部分主要結構

玻璃部分主要由實體玻璃、溫敏傳感器、濕敏傳感器、力敏傳感器以及各種機械傳遞結構組成。用以實現信號的傳遞以及裝置機構的自動關閉、通風、防盜的功能。

玻璃外安裝有濕敏感應器、光敏感應器、力敏感應器，當外界自然環境已經影響到室內居民的正常休息時，控制系統會及時分辨環境狀況，并且發出相應的指令，對窗戶的打開或關閉進行實時控制。

同時，室外的玻璃部分可安裝報警器與攝像頭，將組合型防盜設備裝于一體。當外界有人試圖通過翻窗進入室內時，報警器會及時與主人聯系并且報警，攝像頭記錄下嫌疑人的基本特征，從而最大限度地保障居民的人身以及財產安全。

2.2 百葉窗的機械設計

現如今，百葉窗的功能早已不僅僅是簡單的控制采光，更進一步的自動清理與夜間自動關閉，已經成為了時代的主流。為此，設計了一些百葉窗的基本進階結構。如圖3所示。

圖3 百葉窗簡圖

百葉窗的葉條采用的材料是優質木板，木頭的材質較為符合東方人的審美，且對人的身體無害，邊緣較為平滑，不存在金屬利器割傷人體等問題。而且木質的百葉窗片質量輕便、遮光性較好，通透性能差，完全符合遮陽的基本條件。

百葉窗卷簾的開合，是依靠電動機的轉動，進而帶動皮帶的轉動，實現百葉窗的開與閉。如若皮帶發生老化而斷裂，可以將葉片拆卸下來，進行皮帶的更換。在每一階的葉板上都會設置清洗葉片的裝置，采用逐層清理的方法，對每一片葉板進行清理，因此清洗灰塵時更加方便，省去了人工拆卸的麻煩。

整個窗戶的模型大體可以分為兩層，最外層是真正的實體玻璃，窗戶上裝有濕敏開關、溫敏開關、力敏開關等，當外界的自然環境發生變化時，窗戶會根據系統自動識別，從而進行合理的開啟；內層則是由百葉窗裝置構成的，百葉窗主要由窗葉、副連接桿、旋轉軸、主連接桿構成。

初步設定的主連接桿和副連接桿的參數與材質是一樣的，均有韌性較好的鋁合金作為支撐。副連接軸連接旋轉軸，負責通過對旋轉軸的橫向移動，進而實現主連接軸的橫向移動，進而控制室內的采光；主連接桿連接木質百葉窗片和旋轉軸，實現百葉窗片的自由旋轉。兩個連接桿的長度可根據不同的窗戶長度進行設計（本模型長度擬定1 200 mm），每節長度為50 mm，此設計為24節，高度固定為15 mm，符合樣板窗戶的設計安裝。每節連接處采用滑移的方式進行運動，可以較好地減少摩擦。如圖4所示。

圖4 主副連接桿

葉片的長度、寬度自然也可以根據實際情況進行定制，本次設計的長度為1 200 mm，單根寬度50 mm，采用木質材料，具有較好的安全性與避光性，每支木條的上方都挖有相同尺寸的圓孔，用于連接旋轉軸，實現180°的遮光旋轉。且連接處由螺栓、螺母進行連接，方便百葉窗葉片與連接裝置的拆卸。

連接軸的兩頭分較長、較短兩個部分。較短的部分連接在副連接軸，用于固定；較長的部分連接在主連接軸和百葉窗片上，也起固定作用。旋轉軸的材質采用鋁合金，可以與木片形成較好的吻合，且增加韌性，提高窗戶的使用壽命。如圖5所示。

圖5 連接軸

3 結束語

智能窗戶以及智能家居的不斷發展，是當今社會日益進步的基石。智能家居的控制系統組合成一套整體，對于科技智能化的快速發展有著極其重要的推動作用。可以實現多方面的優點：自動性、安全性、融貫性、創新性等。

本文介紹了智能窗戶的一些基本功能與基本結構，一個完整的智能窗戶工作系統應兼具電氣自動控制與巧妙的機械結構設計。人工智能的發展，是推動智能化家居的重要動力；未來家居將會被智能家居所取代，為住戶營造一個舒適、安全、方便的生活環境。