智能天氣監測防護裝置的設計與應用

束巖松 蔣柳君 高晨譯 廖雨婳 唐豪

關鍵詞：天氣監測;防護窗;傳感器;L298N電機驅動模塊

中國分類號：TH122 ? ? 文獻標識碼：A

0 引言

隨著經濟的發展和生活水平的提高，人們對居家生活的質量要求也在不斷提升。然而在暴雨頻發的南方和颶風猖獗的北方，頻繁的開關窗也成了令許多人困擾的問題。

如今國內外現有的智能防護窗主要有以下幾種形式：

（1）推拉式或提拉式。該類裝置主要通過電機驅動防護窗在滑軌上移動進而達到自動開關窗戶的目的。該裝置視野開闊，采光效果好，但由于單次只有一面窗頁可進行通風，故存在通風面積較小的缺點。

（2）平開式。該裝置主要通過控制轉軸轉動的方式進而帶動整塊窗頁開合。平開式的窗頁可全部同時打開，具有通風面積大的優點。然而由于裝置受轉軸限制，窗幅較小，因此視野極不開闊。

（3）卷簾式或防護罩式。這兩類裝置采用收縮擋布或者拉動防護罩的方式在極端天氣的情況下進行防護。這兩類裝置通風面積大，視野開闊。但因為其對聲音和溫度的阻隔能力極差，且防風防雨能力較弱，因此仍不被市場所接受。

為了更好的解決現有技術尚存的弊病，本文介紹了一種智能天氣監測防護裝置。該裝置具有窗幅和通風面積大的優勢，且擁有較好的隔音隔熱能力。可以通過傳感器實時監測戶外的風速和降水，達到控制門窗自動開關的效果，以解決門窗關閉不及時的問題，避免企業和家庭受到經濟上的損失和不必要的麻煩。

1工作原理

本裝置由防護組件、雨滴檢測器和風速檢測器三部分組成。其中，防護組件主要包括護板塊，滑軌，單片機，驅動電機和牽引繩等重要部件。裝置主要以傳感器為主要的信號采集手段，并將所采集的天氣信號傳輸給單片機進行集中處理，最后由單片機控制驅動電機轉動來實現裝置的自動防護。

防護組件主要由方形外框，底座和防護板塊組成。方形外框安裝在裝置的外側，主要主要起固定支撐裝置運行的作用。在方形外框的上下兩端安有滑軌，用以防護窗的導向。在滑軌的前端和尾端位置分別安有兩個光電傳感器，用來監測防護窗的位置并以此控制電機的開停。在上下兩滑軌間設有防護板塊，可保護室內免受風雨侵擾。防護板塊由若干矩形玻璃塊通過彈簧合頁連接而成，可以在裝置收縮時提供一個扭矩，并幫助板塊依次折疊收縮至底座末端位置。在首端的防護板塊上連有兩根牽引繩，其中一條懸置于板塊中間，另一條被埋于底座滑軌內。而牽引繩的另一端分別與兩臺驅動電機相連，在設備運行時，可以通過電機牽引板塊的伸展和收縮，進而達到裝置智能防護的效果。

在在設備的底座內安有L298N電機驅動模塊。該模塊可對傳感器接收的信號進行處理，進而控制電機的轉動。L298N電機驅動模塊可實現電機正反轉及調速，啟動性能好，啟動轉矩大，工作電壓可達到36V，4A。模塊可同時驅動兩臺直流電機，能夠滿足裝置的運行需求。在底座尾部依次安有導向塊，導向滑輪和限位塊。導向塊呈“八”字型結構，其中靠近滑軌一端的間距要小于另一端的間距。當進行關窗操作時，防護板塊會沿導向塊按特定軌跡進行收縮，避免窗頁滑出框外。在導向滑輪的內部安有軸承，其外部套有塑膠皮套。當某片窗頁的末端抵上導向滑輪時，會隨導向滑輪滑至裝置尾部并折疊收縮，避免防護板塊與導向塊產生摩擦，造成裝置磨損。

在底座末端兩側平行安裝有兩個限位塊，其間距與防護板塊的寬度相適配，可以有效防止窗頁被外力推至框外，致使裝置損壞。此外，該裝置還外接有手動搖頭開關，并內置有藍牙信號接收器，操作者可以根據自身需求選擇不同的方式對設備進行控制。

3雨滴檢測器

雨滴檢測器由雨滴傳感器，蓄水盒及排水閥組成。雨滴傳感器位于蓄水盒底部，主要用于檢測戶外是否降雨，并由控制單元對所測信號進行變換，最終實現對環境的監測與防護。其工作電壓為3.3V～5V;具有信號干凈，波形好，驅動能力強的優點。

蓄水盒為方形空盒。當雨天盒內積水時，檢測器會將降水信息反饋給L298N電機驅動模塊進而啟動裝置。在蓄水盒底部安有排水閥，防護板塊處于收縮狀態時，蓄水盒關閉并進行蓄水。當突降驟雨，防護板展開防護時，蓄水盒將開閥排水，并等待驟雨停止后再次開窗并進行蓄水。

4風速檢測器

風速檢測器采用的是傳統的三杯旋轉架結構。其內置的風速傳感器能將風速線性地變換成旋轉架的轉速。整個風速傳感器對惡劣環境有良好的適應性，且具有體積小巧、響應速度快、數據傳輸效率高、性能可靠等優點，確保機械裝置能準確接收風速信號并快速的進入相應工作狀態。同時為了降低最小啟動風速，裝置采用了特殊材料的輕質風杯，使所測數據的精度得到提升。

此外，該裝置還可以人為設定啟動風速，以適應不同地區用戶的需求。設備外接有LED風速顯示屏，并能將所測的外界風速數據傳入室內并進行顯示，便于使用者實時了解外界天氣信息。風速測量范圍為0～30m/s。

5優勢與應用

5.1創新優勢

相較于同類型產品，本裝置主要具有以下幾種優勢：

（1）本裝置安裝有智能排水閥，可以在開窗狀態下蓄水并收集降雨信息，關窗狀態下排水并等待下次開窗蓄水。能有效避免傳感器存在積水導致誤操作的現象發生，增強裝置的可靠性。

（2）防護窗的限位開關均采用紅外傳感技術。當光電傳感器感應到防護板塊遮擋或撤離時，會發出信號控制電機停止運行。相較于傳統的壓力傳感，光電傳感可以有效避免對窗頁的磨損。并且具有反應速度快、靈敏度高、干擾小的優點。

（3）該裝置可以根據不同地域情況自定義啟動風速;并將所測風速實時傳輸至室內LED顯示屏上。在滿足了不同用戶實際需求的同時還可以讓使用者在室內精準掌握屋外的環境信息，為用戶的出行提供便利。

5.2實際應用

作為智能家居的一部分——智能天氣監測防護裝置，是在傳統門窗的基礎上，綜合利用了傳感器技術、單片機技術和自動控制技術，通過對于各類信號的采集與處理，最終實現對外界天氣的監測和自動防護的裝置。與現有的智能門窗相比，本裝置具有通風面積大，視野開闊的優勢;能較好的適用于各類需要良好通風環境或對采光有嚴格要求的場所，并能很好的保證室內外的隔音隔熱效果，從而提高人們的居家舒適度。

安全舒適的居家環境是實現家居智能化的基礎，而智能門窗作為智能家居的重要組成部分，對于家居智能化的發展也起到了關鍵性的作用。因此，對于智能門窗的推廣是實現智能家居的第一步，也是非常重要的一步。

6缺陷與改進

經過物理實驗發現，該裝置尚存在以下幾個問題有待改善：

（1）在狂風暴雨等極端天氣下，防護板塊的間隙可能出現漏風或滲水的問題。可以考慮在兩防護板間安裝透明密封膠條，提高裝置的密封性，避免惡劣天氣對居家生活造成影響。

（2）窗頁直接與底座接觸，長時間使用易造成底部磨損。因此在產品設計時可以在窗頁底部安裝多組萬象滾珠，避免兩者直接接觸，并在加工時選擇摩擦系數較小的材料制作底座，延長裝置的使用壽命。

（3）裝置開關窗過程時間較長。由于該裝置運行方式為電機驅動，因此在牽引防護板進行收縮時需要一定時間。故在安裝時可以選擇采用同時安裝多組防護裝置的方式，也可以適當減少設備外框的長度，從而降低開關窗過程所需的時間。

（4）各防護板塊間的連接部分容易遮擋視野，影響美觀。所以在選擇窗戶類型時建議采用落地窗的形式。既擴大了視野，又可以確保擁有極大的窗幅和采光面積，從而保證整體觀感更好。

7結論

針對颶風和暴雨對居家生活造成的影響，并結合目前市面上現有智能門窗所存在的問題，本文討論了一種智能天氣監測防護裝置。該裝置主要通過傳感器收集天氣信號，并反饋給L298N驅動模塊以控制電機的通斷，最終達到智能防護、保護室內的效果。該裝置具有窗幅大，通風面積廣，隔音隔熱能力強的優點，能有效避免風沙暴雨的侵擾，保障室內人員的生命及財產安全;并且操作簡單，安全可靠，為智能家居的發展提供了新的方向。然而該裝置的密封性較差和工作效率低的問題仍有待解決。本文主要對智能天氣監測防護裝置的結構原理及應用領域進行了分析，并通過與同類產品進行對比得出了該裝置的獨有優勢，同時也指出了目前尚存在的不足以及改進的方向，為之后其他的智能門窗設備的設計提供了有效參考。

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作者簡介：

束巖松（1999-），男，漢族，湖南株洲人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化

蔣柳君（1999-），女，漢族，湖南邵東人，本科在讀，研究方向：機械設計制造及自動化

高晨譯（2000-），男，漢族，湖南邵陽人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化

廖雨婳（2000-），女，漢族，湖南郴州人，本科在讀，研究方向：機械設計制造及自動化

唐豪（2001-），男，漢族，湖南永州人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化

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