西安思源學(xué)院工學(xué)院 郭 旭 賈 先 曹勇飛 喬志華 高啟睿 馬 敏

針對傳統(tǒng)防護(hù)窗的不足之處，設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)代需求的智能防墜窗。本次設(shè)計(jì)的窗戶具有防墜落，美觀，易清洗，智能的功能。窗戶及防護(hù)窗主要由2個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，卷拉裝置可以使防護(hù)窗收起時(shí)隱藏在卷拉裝置中，不影響視線，拉出時(shí)擋在空缺處防墜落，起到保護(hù)作用；旋轉(zhuǎn)裝置可以使窗戶以30°開啟，保證安全且可以通風(fēng)換氣，窗戶易清洗。本窗戶采用多種傳感器加藍(lán)牙模塊與Arduino單片機(jī)組合，可以滿足用戶多種需求，達(dá)到全方面的智能化生活，玻璃采用電動(dòng)霧化設(shè)計(jì)，可以很好地保護(hù)住戶的隱私。

1 技術(shù)背景

防護(hù)窗在人們的生活中被廣泛使用，防護(hù)窗通常獨(dú)立安裝在窗戶外側(cè)，遮擋視線，風(fēng)吹雨淋，經(jīng)過一段時(shí)間會(huì)有安全風(fēng)險(xiǎn)。而且現(xiàn)在很多窗戶并沒有防風(fēng)、雨，自動(dòng)開合，高低溫變化，可燃?xì)怏w泄漏檢測和PM2.5檢測等功能。

本文根據(jù)傳統(tǒng)防護(hù)窗的不足設(shè)計(jì)了一種新型的隱藏式防護(hù)窗，能夠根據(jù)溫濕度、雨滴、PM2.5、可燃?xì)怏w打開/關(guān)閉窗戶的智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過Arduino單片機(jī)對傳感器電路檢測到的室內(nèi)可燃?xì)怏w，室外有無下雨、溫濕度、PM2.5的信號(hào)處理，輸出脈沖控制推桿以實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 打開和關(guān)閉窗戶。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能兒童防墜隱形窗機(jī)械部分包括卷拉裝置和旋轉(zhuǎn)裝置。

電路部分包括輸出及輸入設(shè)備，輸出設(shè)備有數(shù)據(jù)處理部分、電動(dòng)推桿和驅(qū)動(dòng)模塊；輸入設(shè)備有溫度和濕度、可燃?xì)怏w、雨滴、PM2.5傳感器、藍(lán)牙模塊。

在電路控制系統(tǒng)中，輸入部分是一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。傳感器和軟件預(yù)設(shè)值是根據(jù)環(huán)境值來設(shè)置的。每個(gè)傳感器都有相應(yīng)的變量，可以根據(jù)傳感器的設(shè)置將窗戶打開或關(guān)閉，也可以通過藍(lán)牙模塊來手動(dòng)控制窗戶開合狀態(tài)。

設(shè)計(jì)的兒童防墜窗的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。當(dāng)傳感器檢測到室內(nèi)和室外環(huán)境的變化時(shí)，該窗戶會(huì)自動(dòng)打開和關(guān)閉。在開啟和關(guān)閉窗戶的同時(shí)，防護(hù)窗被拉出與收回?？勺杂刹鹦兜姆雷o(hù)窗和窗的整體設(shè)計(jì)可以大大提高窗的密封性，確保安全，還可以防止蒼蠅和其他蟲類進(jìn)入房間，讓窗戶的整個(gè)框架簡單實(shí)用，更加精美。

圖1 兒童防墜窗的構(gòu)造示意圖

2.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

（1）卷拉裝置設(shè)計(jì)

卷拉裝置由外筒、圓柱螺旋彈簧、彈簧桿旋轉(zhuǎn)軸、端蓋組合而成，圓柱螺旋彈簧安裝在彈簧桿上，彈簧的一端連接在彈簧桿上，另一端連接在旋轉(zhuǎn)軸上，端蓋上設(shè)有防止轉(zhuǎn)動(dòng)軸在彈簧預(yù)緊力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)的鎖定組件。防護(hù)窗緊裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上。拉出防護(hù)窗時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使套在彈簧桿上的彈簧旋緊，收回防護(hù)窗時(shí)，彈簧力作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)軸反向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)防護(hù)窗卷回卷筒。

（2）旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)

考慮到房屋建筑中門窗的設(shè)計(jì)原理，旋轉(zhuǎn)窗采用雙框架結(jié)構(gòu)。在平開窗的上側(cè)設(shè)置有軸以與旋轉(zhuǎn)窗連接，下側(cè)安裝旋轉(zhuǎn)裝置與旋轉(zhuǎn)窗的連接，達(dá)到旋轉(zhuǎn)的功能。使窗戶在兼具水平打開功能的前提下，增加了旋轉(zhuǎn)功能。對于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使用了30°的單向開關(guān)，可以將其旋轉(zhuǎn)到不同的位置上來實(shí)現(xiàn)不同的打開效果。 內(nèi)外窗的集成，不但提高了窗戶的密封性，還減少了窗扇變形的可能性。

旋轉(zhuǎn)裝置包括旋轉(zhuǎn)軸、軸承、上旋轉(zhuǎn)體、下旋轉(zhuǎn)體、轉(zhuǎn)動(dòng)管體。內(nèi)框體的上，下表面均設(shè)有安裝孔，在安裝孔中安裝軸承，上、下旋轉(zhuǎn)體設(shè)置在窗框的上，下表面并貫穿側(cè)壁，旋轉(zhuǎn)軸的一端穿過旋轉(zhuǎn)管并延伸到軸承中。另一端連接在該窗戶框架的內(nèi)側(cè)壁上。

2.2 電路部分設(shè)計(jì)

（1）溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用DHT11溫濕度傳感器。其具有校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的功能。DHT11溫濕度傳感器包括電阻式溫濕度傳感器和連接到Arduino單片機(jī)的NTC檢測元件。在檢測信號(hào)的過程中傳感器調(diào)用OTP存儲(chǔ)器中以程序形式存在的校準(zhǔn)系數(shù)。因?yàn)槭褂脝尉€串行接口所以系統(tǒng)變得簡單，反應(yīng)靈敏。因其質(zhì)量好，體積小，功耗低，價(jià)格便宜，抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離可長達(dá)20m，連接方便，是最佳的選擇。

（2）粉塵傳感器

粉塵傳感器選用GP2Y1010AU0F粉塵濃度傳感器。它可在室外環(huán)境檢測空氣中PM2.5濃度。 含有灰塵的外部空氣通過風(fēng)扇進(jìn)入吸入口，并通過導(dǎo)向裝置進(jìn)入檢測室。檢測室的視野與暗室中的平行光成90°，從而創(chuàng)建敏感區(qū)域。有PM2.5經(jīng)過敏感區(qū)域，直角方向的散射光由狹縫發(fā)射到光電倍增管，光電倍增管接收后轉(zhuǎn)換為光電流。光電流積分電路把光電流轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)與散射光成正比。Arduino單片機(jī)通過單片機(jī)放大電路和A / D轉(zhuǎn)換電路計(jì)算PM2.5質(zhì)量濃度并輸出。

（3）雨滴傳感器

雨滴傳感器選用YL-83雨滴傳感器，它可以檢測是否下雨及雨的大小。當(dāng)連接到電源且傳感器板上沒有水，指示燈熄滅，DO輸出為高電平。如果傳感器板上有水，指示燈亮，DO輸出為低電平，水滴清除，然后將返回高電平。Arduino單片機(jī)的AD端口連接AO模擬輸出，以檢測雨量。DO TTL數(shù)字輸出端口連接到Arduino單片機(jī)以檢測是否下雨。

（4）可燃?xì)怏w傳感器

可燃?xì)怏w傳感器選用MQ-5可燃?xì)怏w傳感器。傳感器中的氣體敏感材料為二氧化錫，它在清潔空氣中的電導(dǎo)率較低。如果空氣中存在易燃?xì)怏w，易燃?xì)怏w的濃度增加，傳感器的電導(dǎo)率會(huì)隨之增加。它對多種可燃?xì)怏w具有良好的敏感性，并具有使用壽命長，價(jià)格低和電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)語言為C語言。其具有結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)和可移植性等優(yōu)點(diǎn)，并且可以滿足開發(fā)需求。

3.1 傳感器狀態(tài)值的確定

（1）溫濕度傳感

使用溫濕度傳感器測量室外溫濕度,變量c代表溫度的狀態(tài)，當(dāng)室外溫度＜10℃或＞28℃, 變量c為0。當(dāng)溫度在10℃～28℃之間時(shí)，變量c為1，在溫度不適宜時(shí)自動(dòng)關(guān)窗。室外濕度冬季一般為30%-80%，夏季為30%-60%，變量a代表濕度的狀態(tài)，當(dāng)室外濕度＜80%時(shí)，自動(dòng)開窗，變量a為0；當(dāng)室外濕度在80%-100%時(shí)，自動(dòng)關(guān)窗，變量a為1。

（2）粉塵傳感

使用粉塵傳感器測量室外PM2.5，當(dāng)室外PM2.5小于75，變量b為0。當(dāng)PM2.5大于75，變量b為1，從而達(dá)到能在室外空氣質(zhì)量不好的情況下自動(dòng)關(guān)窗。

（3）可燃?xì)怏w傳感

使用可燃?xì)怏w傳感器測量室內(nèi)可燃?xì)怏w值，當(dāng)室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度小于5%，變量d為1，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度大于5%，變量d為0。

（4）雨滴傳感使用雨滴傳感器測量室外有沒有下雨，室外下雨，變量e為1。室外無雨，變量e為0。

3.2 控制算法

濕度、PM2.5、溫度、可燃?xì)怏w、雨滴的優(yōu)先級(jí)為:可燃?xì)怏w(d)＞PM2.5(b)＞雨滴(e)＞溫度(c)＞濕度(a),將這5個(gè)變量組成1個(gè)新的變量NUM:NUM=，用戶可以根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)值，自行調(diào)整窗戶的狀態(tài)。程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖