基于物聯網的多功能智能窗戶設計

潘立言，李奕凡，潘 涵，楊景堯，任泰安，鄭紅梅

（1.合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學 本科生院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

隨著物聯網產業的發展，智能家居產品逐漸步入普通家庭。針對家居環境中的窗戶，人們已經進行了許多智能化改造，如針對屋內采光、透氣、欣賞風景等方面都有相應的改造。但多數類智能窗產品功能單一、成本高昂、物聯智能程度較低。例如只有電動開關功能，且仍然以人為控制為主，產品過于獨立，缺乏數據互通。針對以上問題，本文提出了一種基于物聯網的智能家用窗戶。該產品以普通窗戶作為載體，通過單片機與各類傳感器模塊搭建起物聯局域網，同時將互聯網中采集的環境信息與室內環境參數進行互通，進而控制驅動電機、變色玻璃等其他硬件設備，達成智能分析、智能語音、智能開關、智能控光、安全安防等功能。

1 系統總體設計

智能窗戶總體由硬件系統和軟件系統組成，系統框圖如圖1所示。硬件系統包含同步帶機構開關窗機構、電致變色調光玻璃、棘輪安全鎖和隱形紗窗；軟件系統包括主控制系統、傳感器模塊、語音交互模塊和LCD顯示模塊。基于硬件系統和軟件系統實現了智能分析、智能語音、智能開關、智能控光、安全安防等功能。

圖1 智能窗組成框架

智能分析功能模塊采用STM32單片機，采集室內外的環境參數，并與實時的天氣數據相比對，達到一定指標后對窗戶采取相應的動作。

智能語音功能模塊識別人的聲紋數據，并進行簡單的命令判斷。命令傳輸到控制系統執行相應的操作。

智能開關功能結合同步帶線驅機構和智能分析模塊，機構以繞線軸、繞線鉤、滑輪組和同步帶為主要結構，可實現窗戶的水平移動。

智能調光功能模塊運用電致變色膜，并結合智能分析功能調節膜內的電壓，實現玻璃透光率的調節。

安全安防功能是以棘輪-齒條為主要結構的鎖具，使用時按動楔形滑塊釋放棘爪，棘爪與棘輪相嚙合，限定了齒輪齒條的傳動，從而實現定位鎖定功能。

2 功能模塊設計

2.1 控制系統及智能分析模塊

本系統使用STM32F103ZET6單片機為核心，由主控模塊、驅動電路、傳感器模塊、通信模塊和顯示模塊等構成。控制系統電路結構如圖2所示。

圖2 控制系統電路

2.1.1 主控模塊

控制系統主控芯片選用STM32F103ZET6，是基于Cortex-M3的ARM芯片，支持5個USART通信，通過USART與其他外部設備通信，形成單片機與單片機、單片機與外設、單片機與上位PC之間的多串口通信數據共享網絡系統。利用PM、光照強度、濕度、溫度等各種傳感器收集環境信息，依據實驗所得的數據節點，通過單片機處理數據，并控制步進電機或電致變色玻璃做出動作。

2.1.2 傳感器模塊

傳感器包括PM傳感器、光照強度傳感器和溫濕度傳感器。PM傳感器選用D7激光顆粒物檢測傳感器，內置微處理器通過串口將數據幀發送給主控芯片。

光照強度檢測和溫濕度檢測使用GY-39傳感器模塊，模塊內置MCU收集板載傳感器數據，經過統一處理，直接得出數據。將該模塊設置為串口協議模式，主控通過串口接收數據幀獲得該時刻的光照強度、溫濕度數據，并將前9次數據一起做平均處理，以減小數據跳變產生的影響。

2.1.3 WiFi模塊

采用ESP8266芯片，其引腳簡潔，且TCP、UDP協議穩定性好、延時短。單片機只需要通過USART通信就能與ESP8266進行數據交換，通過WiFi上傳數據和下載命令數據，從而進行整個系統的聯動操作。本設計將ESP-01S作為客戶端向免費API接口服務器發送天氣數據請求，通過解析收到的響應數據獲得當日天氣情況（溫度、濕度、風向、風速等），并發給主控板，然后與室內參數進行對比分析。

2.1.4 藍牙通信模塊

藍牙模塊作為智能窗系統與用戶手機連接的接口，用戶可通過手機端的藍牙串口APP控制窗戶狀態，并根據需求控制窗戶開合和玻璃的透明度。主控芯片STM32F103ZET6的串口5接有藍牙模塊，用戶手機可通過藍牙發送控制幀給主控芯片，主控芯片對外設做出相應處理。同時，用戶手機端APP或小程序可設有緊急停止按鈕，按下后電機關停，處于懸空狀態，可處理突發事件。

2.2 智能語音模塊

語音部分采用LDV7模塊、板載LD3320和麥克風等。板載STC11L08XE單片機通過SPI接口與LD3320芯片相連，處理語音信號，并與設置的關鍵詞相比對；識別用戶一級指令關鍵詞，接著用戶須說出二級指令關鍵詞（開窗或關窗），STC11L08XE單片機做出邏輯判斷，并與主控單片機STM32F1部分引腳相連；識別關鍵詞語音成功后拉低相應I/O口電平，主控單片機STM32F1對相應引腳下降沿信號做出中斷處理，驅動電機做出動作。

2.3 智能開關模塊

本智能窗的主要運動仍是既定軌道上的水平運動，設計通過同步帶線驅機構來實現主要運動功能。如圖3所示，線驅機構以鮑登線和同步帶為主要結構，鮑登線內部摩擦極小且容易彎折，同步帶噪音低且運動行程長，可實現窗戶的水平移動，同時不影響人為開關。

圖3 線驅模組

線驅模組采用兩組獨立的線組，實現兩扇窗戶的自動開合。如圖4所示為一組線驅的機械原理示意圖，兩側各有一組電機，負責拉動窗戶和收線；電機與同步輪相連，同步輪驅動固定在同步帶上的鮑登線；鮑登線的另一端穿過窗戶的附框，與窗戶的一端相連。其中一組線驅運動時，兩側電機同向轉動并驅動同步帶轉動；拉動時，四端的一側（即兩點）受力，可以保證窗戶滑輪的受力均勻、運行穩定。

圖4 單個線驅模組原理

根據窗戶的外型，窗戶軌道總長度為1 440 mm，在軌道上窗戶從一側到達另一側的總行程為670 mm，則同步帶的長度關系如下：

式中：為同步輪齒外徑，單位為mm；為直線長度，單位為mm；為周長，單位為mm。代入參數得：≈682.3 mm；在傳送帶的直線部分，距兩側同步輪各有6 mm左右的行進余量。

由電機靜力矩參數可知，電機作用在傳送帶上的力為35.12 N，鮑登線在線管中做近似為無摩擦系數的光滑運動，滑輪在軌道上的動摩擦系數記為0.2。

單扇玻璃窗的玻璃尺寸為505 mm×770 mm×5 mm，普通玻璃的密度為2.5×10kg/m，因此玻璃質量=4.88 kg；通過Solid Works建模軟件模擬可得單扇窗戶鋁型材質量=1.29 kg，則單扇窗戶的總質量≈6.17 kg。根據摩擦力的定義可知：=××=12.1 N，則在啟動瞬間窗戶獲得加速度=0.38 m/s。因此在穩定狀態時，≈=22.43 mm/s。

結合智能分析模塊，單片機通過USART通信與ESP8266進行數據交換，通過WiFi獲取室外環境參數，并發給主控板與用戶室內參數對比，實現智能開關窗操作。

2.4 智能控光模塊

電致變色材料以液晶分子為核心，外加ITO膜與PET保護膜。ITO薄膜是摻雜了錫的導電氧化銦膜，可見光波段的平均穿透率可達到90%，電阻率可以降至10～10Ω·cm，可有效實現節能減排的效果。

本研究通過配套的48 V、40 W電源進行驅動，并結合智能分析模塊，通過解析響應數據獲得當日天氣情況（溫度、濕度、風向、風速等），并與室內參數對比，達到閾值后，主控STMF1能夠通過電位器調節電壓，進行透光性的調整。

2.5 安防模塊

通過棘輪鎖和齒輪齒條結構實現窗戶在任意位置處的鎖定。安全鎖內嵌于附框，因此高度和寬度分別不超過35 mm和72 mm。安全鎖內存在兩根軸以實現對窗戶的分別控制，兩軸軸間中心距為35 mm，軸間設置一對換向齒輪，可使兩軸同時工作，也能隨時與齒條相嚙合。同時鎖具框架中可存放潤滑油對齒輪齒條機構進行浸油潤滑，著重潤滑單雙齒嚙合轉換點和換向點，以保證窗戶正常開關并降低損耗。

當需要鎖定時，推動鎖具底部的楔形滑塊頂起四枚頂塊，頂塊克服彈簧拉力，釋放棘輪爪卡住與齒輪同軸的棘輪，最終鎖死齒輪組，實現窗戶的鎖定。使用以棘輪棘爪為原理的安全鎖機構，可以有效避免人關窗戶時受窗戶位置限制。雙棘輪安全鎖如圖5所示。

圖5 雙棘輪安全鎖

2.6 其他優化設計

窗戶的材料與墻體的材料不同，與外界的能量交換速率也不同。根據國家標準要求，推薦住戶家里的居住層高為2.8 m。在該居住環境中，結合智能開關窗控制的自然通風，對室內的溫度具有較好的保持作用，可減少建筑物的能源消耗。

配套設計的隱形紗窗套件，以渦卷彈簧為主要結構，與窗戶附框上的C字型卡槽緊密貼合，易于拆裝、密封性良好，提升觀賞體驗的同時能有效阻擋蚊蟲。

3 軟件操作系統設計

控制系統以C語言為編程語言，以STM32為控制中心，結合各類傳感器檢測數據，通過控制線驅機構實現窗戶的自動開啟和關閉功能，通過電位器控制電致變色薄膜透明度，并且通過各外部通信與用戶進行互動。

程序流程如圖6所示，具體步驟如下：

圖6 程序流程

（1）上電后，單片機初始化并開始工作，不斷對采集的數據進行處理。

（2）首先判斷用戶是否直接控制窗戶狀態，即通過藍牙或語音控制，直接控制時功能頁失效。

（3）判斷功能頁，總共3頁，默認第一頁，可通過LCD屏下方UI按鍵翻頁，同時LCD屏幕顯示相應功能頁的信息。

（4）LCD屏幕第一頁為智能控制模式，溫濕度光照檢測模塊、PM檢測模塊等將檢測到的信號傳入單片機中，作為控制窗戶開關、報警的參考數據。通過用戶預設和內置算法控制線驅機構上的電機，實現對窗戶移動距離和窗戶透明度的調整，同時LCD顯示各傳感器數據。

（5）LCD屏幕第二頁通過WiFi模塊ESP8266連接API接口獲取所在城市天氣情況，LCD顯示當日天氣情況。

（6）在LCD屏幕第三頁可觸摸UI按鍵控制窗戶開關。

4 性能測試

首先對電路板進行安全檢查，觀察是否有脫焊、貼反，并對照原理圖進行元件數目的檢查，用萬用電表檢測電路中短路和焊錫虛焊問題。安全測試無誤后，可對各個模塊進行上電測試，見表1所列。

表1 各模塊上電測試

然后，檢測控制信號傳輸性能指標，部分數據如下：

（1）STM32F103ZET6最小系統正常工作溫度范圍為-40～ 85 ℃。

（2）D7數字式顆粒物檢測傳感器可測試顆粒物的范圍為0.3～10 μm，數據一致性可達5%。

（3）GY-39-MAX44009-光強-BME280集成傳感器光照度測量范圍為0～65535 lx；濕度采集范圍為5%～95%，溫度采集范圍為-20～60 ℃；環境溫度為25 ℃時，濕度采集精度是±5%，溫度采集精度是±2 ℃；

（4）WiFi模塊數據更新頻率為5 s，最快為2 s，顯示頻率為0.2 s。

通過PC機控制WiFi模塊連接互聯網，讀取氣象站公開的戶外PM、溫度、濕度和光照強度等氣象數據；通過室內的傳感器（溫濕度傳感器、光照傳感器、PM傳感器），讀取室內氣象數據，并通過3.5寸電子顯示屏幕顯示。同時改變PM、溫度、濕度、光照強度等單一氣象數據條件和改變多種氣象數據，完成并觀察智能窗戶各功能運行情況，所采集的數據見表2所列。通過對比和分析表2的數據，進一步說明基于智能窗戶集成的各測試傳感器的靈敏度和準確性較好。

表2 部分傳感器采集參數

預先通過PC機設置并燒錄前置語音命令，設置靈敏度為100；分別在0.5 m、1 m、3 m、5 m及10 m處，以相同分貝和音色的聲音進行語音控制。當讀取到前置語音命令“小pan”時，工作指示燈紅燈常亮；當讀取到操作指令語音時，紅燈熄滅，同時運行完成語音命令。實物樣機如圖7所示。

圖7 實物樣機

5 結 語

本項目研制的集成型智能家用窗戶，在機械結構上使用了同步帶傳送窗體的機構，并設計了基于棘輪鎖定功能的窗體鎖具。智能窗的玻璃采用了電致變色技術。通過單片機實時對采集到的環境信息進行比對，做出相應的窗戶透光度調節等操作。在軟件上基于STM32單片機和傳感器，完成了對機械結構的控制和室內外環境參數的采集。然而，現階段的研究仍存在智能化程度較低、以程序控制為核心、對于房屋整體環境監測和調控能力較弱的問題。未來發展將包含云服務器搭建、算法優化、機器學習、多窗戶串聯、智能家居物聯平臺接入等，以實現真正意義上的智能。