基于慧魚模型的智能推拉窗設計*

鄧艷菲 ，萬宏鋼

（江西機電職業技術學院，江西 南昌 330013）

0 引言

德國發明家Arthur Fischer博士于1964年在其“工業燕尾槽及六面可拼接”專利技術基礎上發明了慧魚創意組合模型，其涵蓋了機械構件、電氣構件、控制構件、氣動構件、微型電機、計算機編程以及機器人設計等內容[1]，也是一款可編程的機電一體化教學裝置[2]。結合ROBO TXT控制器，可以輕松通過彩色觸屏控制，其包含多種接口，擁有強大的處理器，保證了控制板極高的性能，用以控制各種慧魚模型，并進行各類專用機器人的制作與控制。

隨著建筑技術以及人們生活水平的提高，人們對窗戶功能的需求越來越高，窗戶設計研究工作也不斷取得新的成果[3]，切實解決了日常生活的難題：如在外出時經常忘記關閉窗戶，遇上天氣突變，經常出現室內淋雨，或是大風把室內物品吹亂，帶入灰塵雜物。若此時窗戶關閉，則可以避免這些情況造成的損失。正因為窗戶的開、關對室內環境有很大影響，而人們不可能時刻、細致地關注這些事情，故本課題組設計了一款機電一體化推拉窗，能智能化解決以上難題，極大地滿足人們的需求。

1 結構與工作原理

1.1 智能控制部分

智能控制部分由2塊TXT控制器級聯，如圖1所示，利用感應器與限位開關協同工作，實現精確控制窗戶開閉。

圖1 智能控制裝置

1.2 機械部分

1）傳動部分。如圖2所示，主電機通過齒輪1、2、3傳動帶動蝸桿螺旋傳動，從而控制螺母左右移動，而螺母帶動螺母上的副電機定塊運動，進而實現窗戶的左右移動[4]。

圖2 傳動裝置和動力裝置

2）自動/手動切換部分。按下開關后，如圖3、圖4所示，副電機帶動錐齒輪轉動和螺桿螺旋傳動，從而使螺母上下移動，進而控制定塊1和窗戶上定塊2之間的連接或斷開，實現窗戶開關手動自動的切換。自動狀態，由傳感器檢測外部條件，智能控制系統接收信息并進行判斷，來決定窗戶的開關；手動狀態，可以手動自由地開關窗戶。

圖3 切換裝置（全面圖）

圖4 切換裝置（部分圖）

1.3 傳感器部分

1）光照強度傳感器。由光敏電阻和A/D轉換模塊組成的光照強度傳感器如圖5所示。當光照強度傳感器感應到光照強度不足后，自動關窗。當外界光照充足時，光照強度檢測器檢測到后，自動開窗[5]。

圖5 光照強度傳感器

2）空氣質量檢測器。圖6中的傳感器由一個灰塵傳感器和一個顯示評估板組成。評估板上的七段數碼管若顯示P50則代表PM2.5數值為50，若顯示則C20代表溫度20 ℃。每9秒一輪循環往復，PM2.5每輪顯示8 s，溫度每輪顯示1 s。開始運行時PM2.5顯示從0往上漲（空氣越差數字上漲越快，反之越慢）直到最終數字穩定時為當前空氣的質量，溫度顯示與之相同，值板上2個LED每2秒快閃一次。

圖6 空氣質量檢測器

PM2.5顯示數值在0～50之間，則空氣質量為優；顯示數值在50～100之間則空氣質量為良；顯示數值在100～130之間，空氣質量為輕度污染；顯示數值在130～170之間，則屬于中度污染；顯示數值在170～250之間，則空氣質量為重度污染；顯示數值若大于250，則空氣質量為嚴重污染。

當室內空氣質量較差時，空氣檢測器檢測數值大于100后，將自動開窗通風，疏散有害物質。

3）雨滴傳感器。圖7是雨滴傳感器，下雨時，雨滴傳感器感應到有雨水降落便會自動關窗，以免雨水進入屋內，淋濕屋內物品。

圖7 雨滴傳感器

4）風力傳感器。圖8中的風力傳感器由麥克風傳感器代替，麥克風傳感器可檢測周圍聲音強度，識別聲音有無（根據振動原理）。因為真正的風力傳感器過大，而風吹物體，物體會振動，所以用麥克風傳感器代替，此傳感器可調節其靈敏程度，即調節感應風力臨界點。

圖8 風力傳感器

風力傳感器的作用是當窗外風力超過3級，模擬風力傳感器將感應到，窗戶將會自動關閉，以免吹亂屋內物品或將其他灰塵雜物帶入室內。

5）超聲波傳感器。圖9中紅框框出的部分是超聲波傳感器，接到ROBO TXT Controller輸入端I1，并將I1端口設置為Ultrasonic模式，觀察信號端輸出，即可測出傳感器與障礙物的距離[6]。通過設置相應的閾值，窗戶將自動關閉，阻止其他物體進入室內。

圖9 超聲波傳感器

2 工作流程

本課題組設計的這款機電一體化智能推拉窗的工作流程如圖10所示。

圖10 工作流程圖

智能推拉窗的工作流程：下雨或者刮大風時自動關窗，當外界下雨時雨滴檢測器能夠有效及時地檢測出下雨情況并立即關閉窗戶；當外界出現大風天氣時，風力傳感器能夠迅速測出風力大小并判斷是否要關閉窗戶[7]。

光照強時自動開窗，當外界陽光照射到光照強度檢測器上時，檢測器能及時判斷外界光照強度大小并在光照強烈時打開窗戶，而當光照強度下降時又能夠及時關閉窗戶。

室內空氣質量差時自動開窗，當室內空氣質量檢測器檢測到室內空氣環境較差時，能夠迅速打開窗戶方便與外界空氣進行交換，或者室內檢測出有毒氣體例如煤氣則可以迅速開窗通風防止出現意外[8]。

窗外有物體靠近時自動關窗，當超聲波傳感器檢測到外界有物體靠近時，可以迅速關 閉窗戶防止出現意外。

3 推廣應用價值

本產品有以下創新點：

1）窗戶自動開與關是由主電機通過齒輪傳動和螺旋傳動實現的，具有傳動平穩、傳動效率高、使用壽命長、承載能力強等優點[9]。

2）手動/自動切換是由副電機通過錐齒輪轉動和螺旋來控制的，具有傳動平穩、維護簡便、自動鎖定等優點。

3）窗戶兩側設計了固定插銷，在暴雨或臺風等惡劣天氣時，窗戶可鎖緊，使裝置更加安全可靠。4）本作品屬于外加裝置，不會破壞窗戶整體結構。5）此推拉窗可在高層住宅中廣泛推廣使用，可作為預防高空拋物行為的有效裝置[10]。

4 小結

現在商品房出售均為精裝修房，而家居裝修中，窗戶不可或缺，比起一般家居，智能家居更受歡迎，而智能窗就是其中之一。對于外出忙碌的人們，更愿意、更需要智能家居來提高生活質量，而智能機電一體化推拉窗就是一個很好的選擇，其使用靈活，安全可靠，市場前景廣闊。未來，智能窗可以采用更加先進的通信技術，與其他智能化建筑設備緊密結合，形成更加智能化的建筑智能控制系統。