一種自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置的研制

孟書杰 何文敢 劉恩軍 孟子流 王繼紅

河南省建筑科學(xué)研究院有限公司（450053）

一種自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置的研制

孟書杰 何文敢 劉恩軍 孟子流 王繼紅

河南省建筑科學(xué)研究院有限公司（450053）

自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置方便、智能、操作靈活，可廣泛應(yīng)用于家庭、教室、辦公室等場(chǎng)所，有助于提高室內(nèi)空氣質(zhì)量，保護(hù)室內(nèi)人員的身體健康，具有極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)代化進(jìn)程；傳統(tǒng)聚落；保護(hù)與更新

0 引言

為了改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，人們?nèi)匀徊扇￠_(kāi)窗通風(fēng)的方式來(lái)促進(jìn)空氣流通，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。但是人們不能準(zhǔn)確地把握開(kāi)窗、關(guān)窗的最佳時(shí)機(jī)，往往把污染嚴(yán)重的室外空氣引入室內(nèi)，或者是室內(nèi)的污染空氣不能及時(shí)排出室外。由于人們生活節(jié)奏的加快，上班出門常常忘記關(guān)閉窗戶，一旦刮風(fēng)下雨就會(huì)造成室內(nèi)一團(tuán)糟。因此，在正確的時(shí)間打開(kāi)或關(guān)閉窗戶，有效地促進(jìn)室內(nèi)外空氣流通，提高室內(nèi)的空氣質(zhì)量。研制一種能夠根據(jù)室內(nèi)外空氣情況自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗戶、能夠遠(yuǎn)程操控的自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置就顯得越發(fā)重要。

1 裝置簡(jiǎn)介

自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置由推拉機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)和控制器三部分構(gòu)成（如圖1所示）。

圖1 自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置原理示意圖

1.1 推拉機(jī)構(gòu)

推拉機(jī)構(gòu)包括推拉桿、與推拉桿固定連接的帶有鍵槽的絲杠、包裹推拉桿、絲杠的腔體、連拉在腔體外的鎖緊器和紅外測(cè)距傳感器。

推拉桿10、與推拉桿10固定連接的帶有鍵槽31的絲杠3、與電機(jī)5電路連接的控制器6、通過(guò)線路與控制器6連接的編碼器7、包裹推拉桿10和絲杠3的腔體2，位于腔體2外的鎖緊器4和紅外測(cè)距傳感器8。伸出腔體2外的推拉桿10的頂端設(shè)有安裝孔9，用以自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置和窗扇的固定連接；推拉桿10和絲杠3外包裹著腔體2，避免雨水等對(duì)其的侵蝕。腔體2內(nèi)，靠近推拉桿10的一端，與絲杠3上的鍵槽31相對(duì)應(yīng)位置處固定安裝一個(gè)鍵32，鍵32和鍵槽31相匹配且能夠嵌入鍵槽31中，用以防止絲杠3旋轉(zhuǎn)。軸孔與電機(jī)5的電機(jī)軸相配套的齒輪與電機(jī)軸固定連接，作同步旋轉(zhuǎn)，且齒輪的齒與絲杠3的螺紋相匹配嚙合。鎖緊器4鎖緊窗框和自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置；當(dāng)突然停電時(shí)，手動(dòng)解鎖鎖緊器4，可人為地開(kāi)、關(guān)窗戶，避免由停電引起的自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置不能工作、窗戶不能打開(kāi)或不能關(guān)閉的事件發(fā)生。

1.2 動(dòng)力機(jī)構(gòu)

動(dòng)力機(jī)構(gòu)是與絲杠連接的電機(jī)，控制機(jī)構(gòu)是與電機(jī)電路連接的控制器、通過(guò)線路與控制器連接的編碼器，伸出腔體外的推拉桿的頂端設(shè)有安裝孔，腔體上固定有一鍵，鍵和鍵槽相匹配，且能夠嵌入鍵槽中。

利用蝸輪蝸桿的原理，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪同步旋轉(zhuǎn)，齒輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)絲杠3進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)。鍵32在腔體2上固定且嵌入鍵槽31中，使得絲杠3不能旋轉(zhuǎn)，只得沿著軸向作直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)推拉桿10的伸縮，達(dá)到開(kāi)關(guān)窗戶的目的。與電機(jī)5和控制器6電路連接的編碼器7，采用增量式編碼器，檢測(cè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度等，并輸出脈沖信號(hào)反饋給控制器6，控制器6通過(guò)計(jì)算得到需要的電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，從而控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn)精確控制窗戶打開(kāi)的大小。紅外測(cè)距傳感器8實(shí)時(shí)檢測(cè)窗戶附近障礙物的遠(yuǎn)近，并反饋給控制器6，控制器6先通過(guò)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)判斷障礙物是否在窗戶的行程內(nèi)，以免窗戶開(kāi)關(guān)的過(guò)程中碰落障礙物發(fā)生危險(xiǎn)。

1.3 控制器

控制器包括CPU、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和GPRS通訊模塊、通過(guò)線路分別與電機(jī)和CPU連接的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、供電電路、液晶顯示屏、按鍵電路（如圖2所示）。

放大電路通過(guò)線路與紅外測(cè)距傳感器相連，GPRS通訊模塊通過(guò)UART通訊端口與CPU相連，按鍵電路通過(guò)線路與CPU連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)影響自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置自動(dòng)運(yùn)行的參數(shù)設(shè)置和裝置的手動(dòng)控制，并將設(shè)置的參數(shù)、窗戶的狀態(tài)等信息在液晶顯示屏上顯示，以便查看。

圖2 控制器模塊的邏輯方框圖

2 特征

將自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置、帶有GPRS通訊模塊的室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)裝置和室外空氣監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)3G/4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、云服務(wù)器與終端設(shè)備連通（如圖3所示）。將窗戶的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、窗戶打開(kāi)的大小、室內(nèi)外空氣污染物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息實(shí)時(shí)地傳至云服務(wù)器，供終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)、查看，實(shí)現(xiàn)對(duì)窗戶的自動(dòng)控制和終端設(shè)備對(duì)窗戶的遠(yuǎn)程手動(dòng)控制。

圖3 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通訊工作模式示意圖

在窗戶上安裝自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置，同時(shí)在室內(nèi)外分別安裝一個(gè)室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)裝置11和室外空氣監(jiān)測(cè)裝置12，同一棟樓上的多個(gè)室內(nèi)可共享一個(gè)室外空氣監(jiān)測(cè)裝置12。在窗戶16的每個(gè)窗扇上安裝一個(gè)自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置1，自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置比較云服務(wù)器上室內(nèi)外空氣污染物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的參數(shù)優(yōu)先級(jí)，自動(dòng)地進(jìn)行開(kāi)窗或關(guān)窗的操作。終端設(shè)備也可以通過(guò)訪問(wèn)云服務(wù)器遠(yuǎn)程手動(dòng)地控制窗戶的打開(kāi)和關(guān)閉（如圖4所示）。

圖4 自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗裝置布局示意圖

室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)的主要空氣污染物參數(shù)包括溫度、濕度、CO2、甲醛、TVOC等，可根據(jù)需要適當(dāng)添加或刪除某個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)。室外空氣監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)的主要空氣污染物參數(shù)包括雨雪、風(fēng)速、溫度、濕度、CO2、甲醛、TVOC等，可根據(jù)需要適當(dāng)?shù)奶砑踊騽h除某個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)。室內(nèi)外空氣監(jiān)測(cè)裝置將監(jiān)測(cè)到的空氣污染物數(shù)據(jù)通過(guò)3G/4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳至云服務(wù)器，比較云服務(wù)器上室內(nèi)外空氣污染物的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的參數(shù)優(yōu)先級(jí)，自動(dòng)地進(jìn)行開(kāi)窗或關(guān)窗的操作。終端設(shè)備也可以通過(guò)查看云服務(wù)器上存儲(chǔ)的窗戶狀態(tài)、室內(nèi)外空氣污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程手動(dòng)地進(jìn)行開(kāi)關(guān)窗操作。