iWindow自感应低碳智能窗

杨爽　李海霞　张昊　刘晓川

摘 要：iWindow自感应低碳智能窗可利用室内外传感设备，根据室内最适温度值，自动调节窗户的开合度，提供舒适的环境。同时根据室内情况（有小孩爬窗）、户外环境（包括雨雪、污染、盗贼情况）动态调节窗户的开关以及开合程度，保证安全和实用性。

关键词：自感应；iWindow；智能窗

0 引 言

在生活中，我们常会遇到有关窗户的一些问题：春秋季节，昼夜温差大，常常出现夜晚忘记关窗，第二天感冒的情况；也常常出现白天忘记开窗，室内空气不流通的情况。下雨天恰逢我们不在家的时候，无法及时关窗。空气质量不好时，没有意识到应该关窗。当小孩爬窗时，家长不在身边没有及时制止出现安全问题。作为“城市病”的最典型特征，生活方式的高能耗与高污染是困扰现代人的主要问题和严峻挑战。如何在享受便捷生活的同时，最大程度降低能耗，减少对环境的污染，是值得探索的关键问题。本项目从“窗户”这一每个房屋必备的装置入手，拟利用无线传感器网络及智能控制算法，最大程度地展现这一与我们生活息息相关的设备的强大应用潜能。

1 作品详细介绍

iWindow自感应低碳智能窗是一款利用ZigBee无线传输技术，集温度、红外、烟雾、雨滴等传感器为一体的，能够防止小孩爬窗、防盗，雨天自动关窗，可在一定程度上调控室内温度，是一种安全、环保的智能窗户。该智能窗的具体功能如下：

（1）智能调温系统实现窗户的开合。通过室内外的温度传感器传输数据，并由用户自行设定最适温度值，来实现窗户的智能开合。图1所示是开关窗的启动程序。

（2）防止小孩爬窗。室内红外传感器实时监控窗户下方小孩可能攀爬的区域，发现小孩攀爬窗户时，立即报警并关窗至8 cm的位置，保证小孩不能穿过，又避免窗户关闭时夹伤小孩。

（3）防盗贼爬窗。

（4）雨天自动关窗。

（5）实时显示室内外温度和空气质量。用户可以根据户外环境动态调节窗户开合，避免劣质空气流入室内。图2所示是实时显示室内外温度示意图。

（6）手动控制窗户的开关。通过按下单片机下的不同按钮，实现对窗户开关的控制，使得窗户便于操作。

2 工作原理

本作品由四个模块组成，包括：中央处理模块、无线通信模块、传感器模块、步进电机驱动模块，功能框图如图3所示。

2.1 单片机处理模块

单片机处理模块采用了ATmega16型单片机，用于实现对无线通信所获得数据的处理，并通过驱动器控制步进电机实现窗户的开关。图4所示就是单片机处理模块图。

2.2 传感器模块

传感器模块采用DHT11数字式温湿度传感器、红外传感器、雨滴传感器以及烟雾传感器。传感器与ZigBee模块进行通信，实现将传感器设备接入ZigBee网络，并向ZigBee传输数据。其传感器模块如图5所示。

2.3 ZigBee模块

ZigBee模块采用CC2530 ZigBee 无线数传模块，通过串口与单片机进行通信，该模块支持点对点通信以及点对多点网络，能够非常快速地实现将设备接入到ZigBee网络的目的。如图6所示。

2.4 窗户控制模块

本模块主要由步进电机提供动力，驱动窗户的开关。步进电机的旋转量是与驱动器输出的脉冲个数一对一的，我们可以精确的通过改编脉冲个数决定步进电机的旋转角度，进而控制窗户的位置。如图7所示。

2.5 机构选型

本产品采用丝杠螺母的结构，其优点在于，将电机的旋转运动转化为螺母的直线运动，并且可以将丝杠藏在窗户里面，增强了窗户的美观性。

3 作品创新点

3.1 调节室内温度快

在条件良好时，空气对流的温度调节速度超过空调调温速度；当对流条件不好时，由于窗户可以自动开合，所以在人进屋子前，智能窗已经将温度调节好，人们可以即刻感到舒适。

3.2 节能

本智能窗利用温度调节前期的空气对流换热来替代空调调温，完全省去了这一部分电耗，达到了节能的目的。

以下为节能数据计算过程：

基本参数：住宅面积100 m2；房屋高度3 m；室内空气比热约1 kJ/（kg·℃）；空气相对摩尔质量29；空气摩尔体积24.5 L/mol（取室温25℃&一个大气压）

制冷和制热系数都在3左右，每次用开窗空气对流换热代替空调换热3℃即节能355.1 kJ/3*3/（3 600 kJ/度）=0.1度

3.3 保护人体健康

本产品可实时监测屋外灰尘浓度、降雨情况，在恶劣条件下关窗，阻止恶劣空气流入室内。

3.4 保护幼儿安全

设置了红外检测开关，阻止了小孩爬窗跌落对小孩造成的伤害。

4 市场前景

据调查了解，现在的智能家居市场刚刚起步，市场上的智能窗户大多还是概念化的产品，并没有一款智能窗户真正意义上走进人们的生活。通过问卷调查以及走访，我们发现我们设计的智能窗户和市场上已有的概念化产品相比更加人性化，温湿度调节作用使窗户更加节能，PM2.5检测让窗户对我们的健康更加有益，防盗、防小孩爬窗使窗户更加安全，同时如果应用于智能家居系统也可以很好的实现手机控制的功能。