呼吸式遠程智能窗系統設計

樊夏炎 賈曉娣 張帥 羅瑩 苗華明

摘 要：隨著科學技術的發展，電子技術的應用也越來越廣泛。窗戶作為室內與外界交流的通道，與人們的生活息息相關。隨著人工智能技術的發展，智能窗戶越來越多的被應用與現代智能化的建筑中，為人們提供了安全、便捷的生活環境。從長遠來看，智能家居是未來發展的方向，智能窗戶會逐漸被越來越多的家庭多應用。本文介紹了遠程智能窗的系統設計，以供參考。

關鍵詞：呼吸式 智能窗 系統設計

中圖分類號：TP316 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（a）-0-02

近年來，電子信息化技術的不斷發展，融合互聯網技術，推動了智能化的發展。智能家居系統利用計算機技術、網絡通訊技術、綜合布線技術等，結合與家居生活相關的各種子系統，為人們提供舒適、安全的智能化生活空間。作為智能家居中的智能窗戶，具有自動檢測室內空氣質量、防盜報警、自動關窗等功能。在刮風或者下雨的情況下，會自動識別天氣，實現自動關窗動作，提高人們的生活質量，增強家居生活的安全、舒適性。

1 國內外研究現狀和發展趨勢

智能窗產品最早起源于20世紀70年代的美國，后來逐漸應用于西方發達國家。截止到2003年，北美節能門窗的規模達到1.2億m2，歐洲國家的節能門窗規模為1.6億m2。從發達國家的建筑能耗構成來看，窗戶的建筑面積占到總建筑面積的25%以上，因此，節能窗戶的推廣具有廣闊的發展前景。節能窗戶標識體系的建立是為了讓消費者和設計人員選擇合適的節能產品，如英國門窗等級認定委員會規定節能窗標識體系包括窗質材料、窗框設計、玻璃類型和窗戶的其他構件。美國1991年啟用產品認證冊，采用U值傳熱系數評定門窗，1993年，正式啟用NFRC標識，使用太陽得熱因子和可見光滲透率，1995年，NFRC使用空氣滲透率的測定及標識。

2 智能窗戶的功能特點

智能窗戶可以完成人工思考后才能完成的事情，智能控制窗戶的開啟或者關閉，根據用戶的具體要求，對室內空氣、室外環境實時監測，以提高用戶的居住質量，智能窗戶的功能主要有以下幾個方面。（1）自動檢控火災和燃氣。當室內有煤氣泄漏或者有害氣體時，智能控制器中的微電腦會發出報警聲，并自行把窗戶打開，避免造成更大的損失。（2）凈化室內空氣。智能門窗傳感器可以檢測到室內空氣中的苯、香煙粒子、乙胺等有害物質，當有害物質超標時，就會自動打開窗戶，及時通風，降低室內有害物質的濃度。當室外的PM2.5含量超出設定標準時，窗戶會自動關閉，降低對人體的傷害。（3）智能窗戶的安全性能高。智能窗戶能夠根據人體的身高來判定靠近窗戶的是否是小孩，當小孩靠近窗戶時，窗戶會自動關閉，保護小孩的安全。（4）自動防風防雨功能。很多家庭出現過忘記關窗戶的情況，當出現突發天氣狀況時，沒有防備，導致雨水進入室內，打濕衣物或者家居。智能窗戶的傳感器可以感知空氣中的雨滴或者風力，當風力達到3級時，窗戶就會自動關閉，避免雨滴吹進家里的情況。

3 遠程智能窗的系統設計

智能窗戶控制系統主要有硬件和軟件兩部分組成。硬件部分由單片機擴展的外圍電路以及各種實現單片機系統控制功能的接口電路組成。軟件部分主要由單片機系統實現其特定控制功能的各種程序組成。系統的總體設計采用單片機控制元件，來控制窗戶的開閉動作；溫濕度傳感器來感知外界環境的變化，為單片機提供數據支持，整個系統的運行通過主控制芯片來完成。智能窗供電來源為太陽能電池板，以保證能源的清潔性和可持續性。通過內部的傳感器來對室內空氣質量進行檢測，并將檢測結果反饋給單片機，通過物聯網協議將檢測到的數據發送到手機APP，手機APP再根據當地的天氣預報信息及時的和采集到的信息進行比對，智能地對窗戶進行開閉。

3.1 氣體檢測系統設計

室內氣體的濃度需要進行實時的檢測。本設計采用MQ-135傳感器作為氣體檢測模塊的核心部件，對于空氣質量檢測有較好的靈敏度，該傳感器采用的是雙面板設計，具有電源指示和TTL模擬信號輸出；TTL輸出有效信號為低電平；模擬量輸出的電壓，濃度越高電壓越高；相應恢復快速；使用壽命長和可靠的穩定性。工作原理：通過將氣體檢測傳感器TTL輸出端與單片機的IO口連接，來檢測室內煙霧濃度，當對應的IO口味低電平時，說明室內的煙霧濃度過高，相應的MCU像電機驅動模塊輸出控制窗戶打開的PWM波，及時打開窗戶，進行通風，降低室內煙霧濃度，提高用戶的居住安全性。

3.2 人體感應系統設計

在系統中引入人體紅外檢測模塊，防止室外人員進入或者室內人員掉落的情況。本系統選用的是HC-SR501人體紅外感應模塊，具有延時時間可調，觸發方式可調，輸出TTL電平與單片機可以直接相連的優點，滿足系統設計要求。設計過程選用的是可重復觸發的方式，當感應器輸出高電平后，在延時時間段內，如果有人在感應范圍內（2m左右）活動，輸出將一直保持高電平，直到人離開后延時將高電平變為低電平。每檢測到一次人體活動就會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點。工作原理：通過將人體紅外感應模塊與單片機的I/O口相連，來實現人體的紅外檢測，當對應I/O口為高電平時，窗戶就會自動關閉，防止室外人員進入或者室內人員掉落的情況。系統設計需要兩個模塊，需要在室外窗臺及室內窗臺上安裝，滿足設計要求。

3.3 溫濕度檢測系統設計

本系統采用的是AM2321B濕敏電容數字溫濕度模塊，這是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度符合傳感器，采用數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有可靠的穩定性能。傳感器包括一個電容式感濕元件和高精度測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連。該模塊體積小，能耗低，信號傳輸距離遠，應用范圍廣泛。工作原理：每個傳感器進行了精確的溫度校驗，將校驗后的數據存儲在單片機中，為檢測信號的處理提供數據來源，通過對數據的比對來實現對窗戶的開閉。

3.4 電機驅動設計

窗戶的開閉需要電機來控制，本系統采用的是L298N電機驅動芯片作為驅動步進電機的核心部件，電源選擇12V，2A的開關電源，將步進電機確定為17HS5604作為控制電機。將步進電機與驅動模塊連接，用單向四拍的方式來控制步進電機，將L298N驅動芯片的輸入IN1-IN4與單片機的I/O口相連，通過輸出的正向與反向的PWM波來控制電機的轉動，來實現窗戶的開啟或者關閉。

4 結語

呼吸式智能窗戶的設計在前人研究的基礎上，通過智能控制，實現窗戶的自動開啟或者關閉，滿足用戶的實際要求，提高用戶的居住質量。隨著科學技術的發展，不斷完善智能窗戶系統，為用戶提供更高質量的體驗。

參考文獻

[1] 尚曉東，李瑞興，雷學東.新型呼吸式智能隔聲窗研究[J].噪聲與振動控制，2010（S1）：243-246.

[2] 于亦瀟，鄭其林，成欣雨.基于語音識別和MQTT協議的智能家居系統實現[J].物聯網技術，2017（11）：97-99.

[3] 王培元，杜玉勝.一種基于MQTT協議的物聯網智能監控系統[J].信息技術與信息化，2018（1）：107-110.