自動控制可遙控新型智能窗

摘 要：隨著智能化的普及，人們對智能家居的需求越來越高，智能窗也成為了許多家庭的選擇。但目前市面上智能窗功能單一，還無法滿足人們的全部需求。我們設計了全新的綜合型智能窗，該智能窗由網絡接入系統、防盜報警系統、控制系統等組成，具備基于多傳感器檢測的自動控制功能，可實現對溫度、空氣質量、雨滴、風強以及有毒氣體的檢測，還可實現自動控制。基于云端的APP遠程控制和傳感信息傳送功能，滿足了人們在不同環境下的控制需求，從而讓家庭生活更加安全、節能、智能、便利和舒適。該智能窗項目幾乎覆蓋人們日常起居與工作學習生活之中的用窗需求，適合商業化推廣使用。

關鍵詞：自動控制；智能窗；APP；遠程控制；多傳感器檢測；防盜報警

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-0-02

0 引 言

在智能化家居越來越普及的現代社會，智能窗也是智能家居組成不可缺少的一部分，有關窗戶的智能化研究開發也顯得尤為重要。智能化讓窗戶不再只是一扇簡單的窗戶，而是能夠根據人體需求和室內外自然環境自動開關的智能

伙伴。

現在絕大多數家庭使用的都是普通窗戶，在冬天由于忘記關窗使供暖設備凍裂造成損失等事件時有發生。在南方梅雨季節，降雨頻率密集且無法預測，人們出門在外，而家中的窗戶沒有及時關閉會造成室內環境潮濕，甚至引起墻壁發霉。這些瑣事給人們的生活帶來許多不便，為了解決這些問題，享受智能化帶來的便利，我們設計了自動控制以及遠程遙控的智能窗，希望可以完善智能家居，讓生活更美好[1-3]。

1 智能窗控制系統功能簡介

（1）溫度、風力控制：當環境的風強過高或溫度不適宜時，窗戶自動關閉；

（2）雨水、濕度感應：當雨水檢測器檢測到下雨或濕度不適宜時，窗戶自動關閉；

（3）空氣檢測：檢測空氣中的PM2.5和有毒氣體；

（4）安全：外界煙霧、有毒氣體濃度超標時自動發出警報，OLED顯示“危險”；

（5）安防：有外界物體、人員闖入時自動發出警報，OLED顯示“危險”；

（6）按鍵：修改溫度和濕度關窗閾值，OLED顯示內容切換，按鍵可以控制開窗、關窗（最高優先級，當按鍵控制關窗后，傳感器檢測的值不作為開關窗的依據，需要按鍵再次按下“開窗”后，傳感器檢測恢復到智能控制狀態）[4]；

（7）自動模式：由按鍵開啟后，實現白天開窗、晚上關窗循環模式（開啟后傳感器檢測的值不再作為開關窗的依據，關閉后恢復智能控制狀態）[5]；

（8）手機APP：手機端遠程控制窗戶，開窗、關窗、自動模式；

（9）OLED顯示：顯示溫度、濕度、PM2.5、風力、窗戶狀態（開窗、關窗）。

2 智能窗戶工作原理

2.1 鏈式開窗機

鏈式開窗機的結構特點是通過鏈條的垂直伸出與縮回完成開窗與關窗的動作，電動鏈條開窗機的鏈條是特制的，鏈條式開窗機的鏈條只能向一側彎曲，并不能像自行車鏈條那樣雙向彎曲。電流通過開窗器后由電壓轉變控制板轉變為馬達的額定電壓（如電動開窗器額定電壓為24 V DC，則無需電壓轉變控制板）。同時，開窗器的核心部件之一，即電動正反轉馬達轉動起來后，通過另一核心部件減速器裝置把這一過程的力量傳輸給鏈條，最后，鏈條伸出、收回，實現窗戶的開關[6]。

2.2 傳感器介紹

2.2.1 風力傳感器

風力傳感器由空氣流動產生的風力推動傳感器旋轉，中軸帶動內部感應元件產生脈沖信號，在風速測量范圍內，風速與脈沖頻率成一定的線性關系，可據此推算風速。當托盤發生轉動時，碼盤將信號反饋（毫秒）給單片機系統，單片機系統通過計算、轉換采集的脈沖計數，確定外界風力值。當風力值超過系統設定的閾值時，單片機系統將關窗信號輸出給電機驅動模塊芯片，電機驅動模塊芯片驅動電機，從而實現關窗；當采集的溫度值滿足系統設定的閾值時，單片機系統將開窗信號輸出給電機驅動模塊芯片，電機驅動模塊芯片驅動電機，從而實現開窗。

2.2.2 雨水傳感器

雨水傳感器利用壓電振子的壓電效應，將機械位移（振動）變成電信號，然后根據雨滴沖擊的能量轉變的電壓波形對其他元件進行控制，并通過外界電平判斷下雨情況。當雨水模塊采集的數據反饋給單片機系統I/O口為低電平時，判斷為下雨，單片機將關窗信號輸出給電機驅動模塊芯片，電機驅動模塊芯片驅動電機，從而實現關窗；當雨水模塊采集的數據反饋給單片機系統I/O口為高電平時，判斷為未下雨，單片機將開窗信號輸出給電機驅動模塊芯片，電機驅動模塊芯片驅動電機，從而實現開窗。

2.2.3 溫度傳感器

溫度傳感器是能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器，雙金屬片由兩片不同膨脹系數的金屬貼在一起組成，隨著溫度的變化，材料A比另外一種金屬膨脹程度高，引起金屬片彎曲。當在給定的溫度區間時輸出信號，通過傳感器收集外界溫度數據，經單片機處理、分析，并利用公式計算后，轉換成當前溫度值。當采集的溫度值超過系統設定的閾值時，單片機將關窗信號輸出給電機驅動模塊芯片，電機驅動模塊芯片驅動電機，從而實現關窗；當采集的溫度值滿足系統設定的閾值時，單片機將開窗信號輸出給電機驅動模塊芯片，電機驅動模塊芯片驅動電機，從而實現開窗。

2.2.4 PM2.5傳感器

在該傳感器內部設有恒定光源（如紅外發光二極管），空氣通過光線時，其中的顆粒物會對其進行散射，造成光強的衰減。其相對衰減率與顆粒物的濃度成一定比例，通過傳感器采集空氣中顆粒離子數量進行判斷，通過單片機處理、分析，并利用公式計算后，轉換成當前空氣質量值。當采集的數值超過系統設定的閾值時，單片機將關窗信號輸出給電機驅動模塊芯片，電機驅動模塊芯片驅動電機，從而實現關窗；當采集的數值滿足系統設定的閾值時，單片機系統將開窗信號輸出給電機驅動模塊芯片，電機驅動模塊芯片驅動電機，從而實現開窗[7-8]。

2.2.5 煙霧、有毒氣體傳感器

煙霧、有毒氣體傳感器通過外界電平判斷是否有煙霧以及有毒氣體濃度是否超標。當采集的數據反饋給單片機系統I/O口為低電平時，判斷為煙霧、有毒氣體濃度超標，單片機將關窗信號輸出給電機驅動模塊芯片，電機驅動模塊芯片驅動電機，從而實現關窗；當傳感器模塊采集的數據反饋給單片機系統I/O口為高電平時，判斷為安全，單片機將開窗信號輸出給電機驅動模塊芯片，電機驅動模塊芯片驅動電機，從而實現開窗。

2.3 電機控制

開窗后，通過程序標志位設定，讓單片機識別為開窗狀態，無法再進行開窗操作。電機驅動關窗后，通過程序標志位設定，讓單片機識別為關窗狀態，不再進行關窗操作，防止出現窗門被卡死甚至窗戶損壞的情況。

2.4 手機APP控制

通過藍牙串口通信，使用特定的APP軟件，當手機APP軟件進行控制時，藍牙串口接收反饋的數據包，單片機接收到數據包后進行系統判斷、識別，從而控制電機驅動芯片開啟開窗、關窗、自動模式。

3 智能窗系統設計

機械硬件設計：開窗方式為鏈式開窗。鏈式開窗不受高度的限制，并且只需要較少的運作及保養成本。當單片機的驅動電機傳來開、關窗戶的信號時，開窗器的電動正反轉馬達轉動，通過減速器裝置，將動力傳輸給鏈條，鏈條伸出、收回實現窗戶的開、關動作。

系統硬件設計：選擇STM32F103C8T6單片機，其優點是高性能、低成本、低功耗，封裝體積小，采用Cortex-M3內核，CPU最高達72 MHz，具有11 MB FLASH、多種控制外設、USB全速接口和CAN。相比8位單片機性能更優，集成度高且易于開發[9]。

數據采集系統：結合不同類型的傳感器，如風力傳感器，雨水傳感器，溫度、濕度傳感器，PM2.5傳感器，煙霧、有毒氣體傳感器實現對濕度、溫度等的測量。

控制系統：收集來自各傳感器的信號并處理，與預設的閾值進行比較，顯示到OLED顯示屏，將開、關窗信號輸出給電機驅動模塊芯片，然后電機驅動模塊芯片驅動電機，從而實現關窗操作[10]。

報警系統：當單片機采集外界煙霧、有毒氣體濃度超標或者有外界物體、人闖入時，通過紅外傳感器外界電平的變化將采集的數值反饋到單片機。反饋的信號為低電平，則單片機驅動控制實現蜂鳴器報警，OLED顯示屏進行字幕顯示：危險。當危險解除后，單片機將停止驅動蜂鳴器報警。

軟件設計：遠程控制系統即APP，其以Java語言為基礎，使用戶能夠隨時隨地控制窗戶的開關。

4 項目特色及創新點

（1）對溫度、空氣質量、雨滴、風強以及有毒氣體進行檢測，并根據檢測結果對窗戶的開關進行自動控制，為人們提供舒適、安全的生活環境。

（2）與手機APP相連，隨時控制窗戶的開關。

（3）自動、遙控兩種模式任意選擇，根據需要隨時調整，兼具報警功能，安全性有保證。

5 結 語

智能窗項目是一個將傳統家居進行現代化改造的項目，通過將現代科技與人們日常生活之中所能接觸到的家居融合，讓窗戶融入到智能家居生態之中，方便人們的生活。智能窗項目具有人性化、智能化等優點，可為生活帶來更多便利。

參考文獻

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