孟書杰 何文敢 劉恩軍 孟子流 王繼紅

河南省建筑科學研究院有限公司（450053）

一種自動開關窗裝置的研制

孟書杰 何文敢 劉恩軍 孟子流 王繼紅

河南省建筑科學研究院有限公司（450053）

自動開關窗裝置方便、智能、操作靈活，可廣泛應用于家庭、教室、辦公室等場所，有助于提高室內(nèi)空氣質(zhì)量，保護室內(nèi)人員的身體健康，具有極大的社會效益和經(jīng)濟效益。

現(xiàn)代化進程；傳統(tǒng)聚落；保護與更新

0 引言

為了改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，人們?nèi)匀徊扇￠_窗通風的方式來促進空氣流通，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。但是人們不能準確地把握開窗、關窗的最佳時機，往往把污染嚴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閉窗戶，一旦刮風下雨就會造成室內(nèi)一團糟。因此，在正確的時間打開或關閉窗戶，有效地促進室內(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)外空氣情況自動開關窗戶、能夠遠程操控的自動開關窗裝置就顯得越發(fā)重要。

1 裝置簡介

自動開關窗裝置由推拉機構(gòu)、動力機構(gòu)和控制器三部分構(gòu)成（如圖1所示）。

圖1 自動開關窗裝置原理示意圖

1.1 推拉機構(gòu)

推拉機構(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5電路連接的控制器6、通過線路與控制器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和紅外測距傳感器8。伸出腔體2外的推拉桿10的頂端設有安裝孔9，用以自動開關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相對應位置處固定安裝一個鍵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5的電機軸相配套的齒輪與電機軸固定連接，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鎖緊窗框和自動開關窗裝置；當突然停電時，手動解鎖鎖緊器4，可人為地開、關窗戶，避免由停電引起的自動開關窗裝置不能工作、窗戶不能打開或不能關閉的事件發(fā)生。

1.2 動力機構(gòu)

動力機構(gòu)是與絲杠連接的電機，控制機構(gòu)是與電機電路連接的控制器、通過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，電機轉(zhuǎn)動，帶動齒輪同步旋轉(zhuǎn)，齒輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動絲杠3進行軸向運動。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動，從而帶動推拉桿10的伸縮，達到開關窗戶的目的。與電機5和控制器6電路連接的編碼器7，采用增量式編碼器，檢測電機的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度等，并輸出脈沖信號反饋給控制器6，控制器6通過計算得到需要的電機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，從而控制電機的啟動和停止，實現(xiàn)精確控制窗戶打開的大小。紅外測距傳感器8實時檢測窗戶附近障礙物的遠近，并反饋給控制器6，控制器6先通過系統(tǒng)軟件的設計判斷障礙物是否在窗戶的行程內(nèi)，以免窗戶開關的過程中碰落障礙物發(fā)生危險。

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、通過線路分別與電機和CPU連接的電機驅(qū)動電路、供電電路、液晶顯示屏、按鍵電路（如圖2所示）。

放大電路通過線路與紅外測距傳感器相連，GPRS通訊模塊通過UART通訊端口與CPU相連，按鍵電路通過線路與CPU連接，實現(xiàn)對影響自動開關窗裝置自動運行的參數(shù)設置和裝置的手動控制，并將設置的參數(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

將自動開關窗裝置、帶有GPRS通訊模塊的室內(nèi)空氣監(jiān)測裝置和室外空氣監(jiān)測裝置通過3G/4G移動通信網(wǎng)絡、云服務器與終端設備連通（如圖3所示）。將窗戶的開關狀態(tài)、窗戶打開的大小、室內(nèi)外空氣污染物的監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息實時地傳至云服務器，供終端設備進行遠程訪問、查看，實現(xiàn)對窗戶的自動控制和終端設備對窗戶的遠程手動控制。

圖3 移動互聯(lián)網(wǎng)通訊工作模式示意圖

在窗戶上安裝自動開關窗裝置，同時在室內(nèi)外分別安裝一個室內(nèi)空氣監(jiān)測裝置11和室外空氣監(jiān)測裝置12，同一棟樓上的多個室內(nèi)可共享一個室外空氣監(jiān)測裝置12。在窗戶16的每個窗扇上安裝一個自動開關窗裝置1，自動開關窗裝置比較云服務器上室內(nèi)外空氣污染物的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)預先設置的參數(shù)優(yōu)先級，自動地進行開窗或關窗的操作。終端設備也可以通過訪問云服務器遠程手動地控制窗戶的打開和關閉（如圖4所示）。

圖4 自動開關窗裝置布局示意圖

室內(nèi)空氣監(jiān)測裝置監(jiān)測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)需要適當添加或刪除某個監(jiān)測參數(shù)。室外空氣監(jiān)測裝置監(jiān)測的主要空氣污染物參數(shù)包括雨雪、風速、溫度、濕度、CO2、甲醛、TVOC等，可根據(jù)需要適當?shù)奶砑踊騽h除某個監(jiān)測參數(shù)。室內(nèi)外空氣監(jiān)測裝置將監(jiān)測到的空氣污染物數(shù)據(jù)通過3G/4G移動通信網(wǎng)絡傳至云服務器，比較云服務器上室內(nèi)外空氣污染物的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)預先設置的參數(shù)優(yōu)先級，自動地進行開窗或關窗的操作。終端設備也可以通過查看云服務器上存儲的窗戶狀態(tài)、室內(nèi)外空氣污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)，遠程手動地進行開關窗操作。