范振全，侯曉霞

(德州學院機電工程學院，山東 德州 253023)

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智能窗戶的研究與設計*

范振全，侯曉霞

(德州學院機電工程學院，山東 德州 253023)

摘要：研究設計了智能窗戶，其可以根據(jù)室外天氣的變化，自動控制窗戶的開關并且順便改善了室內的空氣狀況，保護居民室內東西不受損壞的同時使居民生活更加舒適。

關鍵詞：窗戶；GSM短信模塊；溫濕度傳感器；灰塵傳感器；風力檢測；電機驅動

隨著經濟的發(fā)展，人們的物質生活水平越來越高，日常生活用品的實用性、便捷性顯得尤為重要。目前窗戶應用最廣的還是推拉式的鋁合金窗戶，外邊刮大風、下雨時因為出門在外沒有關好窗戶弄得家里一團糟，也許在城市內這個問題不是很顯著，但是在農村依舊是人們傷腦筋的事情。而且現(xiàn)在環(huán)境狀況很差，什么時候開窗通風都成為人們需要考慮的事情。綜合上述原因，進行了智能窗戶的研究與設計，通過在目前通用推拉式鋁合金窗戶的基礎上進行必要的結構改造以及軟件程序設計，使窗戶集實用、智能、便捷、自動，更好地應用于市場。

1設計方案

智能窗戶設計主要包括減速電機驅動部分，溫濕度傳感器，灰塵傳感器，風力檢測部分，GSM短信模塊及系統(tǒng)整體的Keil程序設計六個方面。

1.1減速電機驅動部分

智能窗戶的自動化實現(xiàn)靠窗戶兩邊的兩個減速電機來實現(xiàn)推拉，兩電機的控制由Risym L298N電機驅動板模塊決定，單片機根據(jù)處理對比各種傳感器傳遞來的AD信號，提供給驅動高低電平，達到控制驅動的目的[1]。

1.2GSM短信模塊

GSM短信模塊在智能窗戶中起與外界通訊的作用，將模塊安裝在窗戶內側，通過單片機將其與溫濕度傳感器、灰塵傳感器、風力檢測部分三部分聯(lián)系起來，各模塊接收到的信號傳送到單片機，由單片機做出判斷是否需要發(fā)送短信詢問主人，設置一定的等待時間，若主人無回復，根據(jù)天氣狀況默認開關。短信模塊不受時間，地點，距離的限制，實用快捷[2]。

1.3溫濕度傳感器

在窗戶外部安裝溫濕度傳感器對外界的環(huán)境空氣進行溫度、濕度上的檢測，把檢測到的數(shù)據(jù)傳到單片機。當外界風雨欲來時，空氣中的濕度會明顯增大，當檢測到的濕度值超過預定單片機內默認值時，會自動地將窗戶關閉，與此同時，與其相連的GSM短信模塊會將這一信息傳輸?shù)轿覀兪謾C上，通知我們“窗戶已經關閉，是否進行此操作”，我們可以選擇“是”或者“否”來對其進行控制是否關閉窗戶。雨停后，溫濕傳感器檢測到數(shù)值上的下降，然后再發(fā)送信息到手機，詢問是否將窗戶打開。若用戶想趁雨后室外空氣清新疏通一下室內的空氣這會變得隨心所欲。實現(xiàn)了人工智能的要求，從而避免了因為下雨會將窗戶旁的物品淋濕的問題。

1.4灰塵傳感器

在窗戶外部安裝灰塵傳感器可對外界的空氣質量進行監(jiān)測，灰塵傳感器(GP2Y1010AU0F)是專業(yè)檢測灰塵濃度的傳感器，應用廣泛。

該裝置中，一個紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，對角布置成允許其檢測到在空氣中的灰塵反射光。該傳感器具有極低的電流消耗(最大20 mA，11 mA典型的)，可以搭載高達7VDC的傳感器。輸出的是一個模擬電壓正比于所測得的粉塵濃度，敏感性為0.5 V/0.1 mg/m3。

檢測原理如圖1，傳感器中心有個洞可以讓空氣自由流過，定向發(fā)射LED光，通過檢測經過空氣中灰塵折射過后的光線來判斷灰塵的含量獲得測試數(shù)據(jù)(如圖2)，將測試得到的數(shù)據(jù)與空氣質量對比(如圖3)，判斷出空氣質量狀況。

圖1　檢測原理示意圖

圖2測試數(shù)據(jù)示意圖

圖3測試數(shù)據(jù)與空氣質量對照示意圖

設置單片機的默認值為300，當傳感器檢測到的值大于300時，窗戶會自動關閉。檢測值下降時，短信模塊發(fā)送短信詢問戶主“空氣質量好，是否要打開窗戶”，戶主回復是則窗戶打開，反之依舊關閉[3]。

1.5風力檢測部分

在窗戶外部安裝小型風力發(fā)電機，當外界環(huán)境起風時會帶動它進行發(fā)電，然后會點亮與之相連的密封的LED燈，密封空間內光亮的變化引起光敏電阻的變化，將光敏電阻采集到的AD信號傳輸?shù)絾纹瑱C，由單片機判斷處理，最后對電機驅動進行控制，關上窗戶。

1.6Keil程序設計

我們采用的控制系統(tǒng)是51系列的STC12C5A60S2單片機，使用的電腦編程軟件為Keil,程序下載軟件為STC，三者相互協(xié)作完成程序的運行。

智能窗戶的程序設計：首先DHT11溫濕度模塊傳感器、灰塵傳感器、風力檢測部分，采集到的數(shù)值全部通過5110液晶顯示屏表現(xiàn)出來，當傳感器采集到的溫濕度信號，與Keil程序里設定的數(shù)值不一樣時，STC12C5A60S2單片機就會通

過傳遞高低電平給電機驅動來控制電機的工作[4]，達到整個智能系統(tǒng)的自動化。

2特點

1) 實用性：現(xiàn)如今市面上的智能窗戶都是一套整體的窗戶，價格昂貴，大多都需要將原來的窗戶拆除后再安裝，成本大。我們設計研究的智能窗戶只是對現(xiàn)有的窗戶進行改裝，在達到相同效果的情況下，與其他智能窗戶相比有成本低，安裝簡單，使用方便等特點。

2) 自動性：安裝該窗戶后，在惡劣天氣情況下，即使家中無人也不需要再擔心室內的物品會損壞了，從根本上解決了人們擔心的問題，實現(xiàn)了人工智能自動的特點。

3) 安全性：安裝該窗戶后，在惡劣天氣情況下，即使家中無人也不需要再擔心室內的物品會損壞了，從根本上解決了以上我們提到的問題。安裝該系統(tǒng)以后，也使室內的空氣狀況大大改善，有益家人身體健康。

以上三大特點使目前的鋁合金窗戶能夠更好地滿足廣大人民群眾的需求，更快地引領窗戶市場。

參考文獻

[1]劉全忠.電子技術[M].第2版.北京:高等教育出版社,2004.

[2]侯亮，唐任仲，徐燕申.產品模塊化設計理論、技術與應用研究進展[J].機械工程學報,2004,40(1):56-60.

[3]謝自美.電子電路設計、實驗、測試[M].第2版.武漢：華中科技大學出版社，2006.

[4]全國大學生電子設計競賽組委會.第五屆全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編[M].北京：北京理工大學出版社,2006：94-99.

Research and Design of Smart Window

Fan Zhenquan, Hou Xiaoxia

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,DezhouUniversity,DezhouShandong253023,China)

Abstract:It is necessary to study and design smart windows, for a lot of problems may occur when nobody is at home. According to the outdoor weather changes, the system can automatic control the window switch and by the way to improve the indoor air conditions. The interior things of inhabitants is protected from damage while make the living more comfortable.

Key words:GSM SMS module; temperature and humidity sensor; dust sensor; wind detecting; motor drive

收稿日期：2016-03-29

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201410448040)

作者簡介：范振全(1995- )，男，山東德州人，本科生，研究方向為機械設計。

文章編號：1674- 4578(2016)03- 0086- 01

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A