实用新型电动窗户*

肖 萍，李仲龙，金书奎，也斯哈提·阿依肯，赛巴尔汗·阿孜木汗,马旭飞

(新疆工程学院 机械工程系，新疆 乌鲁木齐 830091)

0 引言

我国的自动开窗机市场近几年发展迅速，特别是南方地区已经涌现出很多自动开窗机生产企业，很多家庭、商场、体育场、工厂也都开始使用自动开窗机，在未来几年自动开窗机需求量还会大量增加。目前市场上针对旋转打开式窗户设计的智能开窗装置主要有链条式自动开窗机、连杆式电动开窗机、螺杆式电动开窗器等。本文提出了一种基于Arduino的喷气式智能窗户，其利用电动喷气装置、减速定位装置、智能控制模块、电磁铁上锁装置四大组成部分实现了下雨天自动关窗、可燃气体超标后自动开窗以及手机控制窗户的开和关等功能，解决了旋转打开的窗户无法通过一些机械结构自由控制其开和关的问题。

1 新型实用电动窗户的设计

本文设计的新型实用电动窗户由窗框、窗户转轴、窗户把手、窗户本身、电动喷气装置、减速定位装置、电磁铁上锁装置、智能控制模块等组成，其结构示意图如图1所示。在窗扇上安装有电动喷气装置，其作用是为窗户的开和关提供动力。电磁上锁装置装到窗框上，其中被吸附部分装到窗扇上，当窗户关闭后，触动限位开关，电磁锁通电锁住窗户。在窗框和窗扇之间有一个减速定位装置，其作用是窗户打开后使窗户停在任意位置。智能控制模块由主机、烟雾传感器模块、电机驱动模块、光敏传感器模块、温湿度传感器模块、遥控模块、WIFI模块和GSM模块组成,其中主机可以放在房间的任何地方；电机驱动模块、光敏传感器模块、温湿度传感器模块、遥控模块通过螺钉固定在窗扇的外侧面，这样在不影响窗户开关的同时也不影响窗户的美观；烟雾传感器模块可以放在厨房靠近煤气灶的地方；WIFI模块和GSM模块放在卧室，这样可以提高传感器检测数据的精确性。

1.1 电动喷气装置

电动喷气装置主要由外壳、扇叶、无刷电动机、固定架等组成，如图2所示，其工作原理如图3所示。通电后，无刷电动机带动扇叶高速旋转，产生向外喷出的气流，由作用力和反作用力可知，气流会给扇叶一个反方向的力，推动与喷气部分相连的窗扇运动。由电机驱动模块驱动的喷气装置分别装在窗户的内、外两侧,当内侧喷气装置启动后，产生一个关窗的力，推动窗户关闭，同理，外侧喷气装置启动后会使窗户打开。

图1 实用新型电动窗户结构示意图

图2 电动喷气装置组成

图3 电动喷气装置工作原理

1.2 减速定位装置

减速定位装置如图4所示，其上的连杆通过转轴与窗扇相连，滑块放在导轨内与连杆连接，其作用是可使窗户在任意位置处停住。

图4 减速定位装置

1.3 电磁铁上锁装置

电磁铁上锁装置主要由被吸附部件和产生磁力部分组成，如图5所示。产生磁力部分装到窗框上，被吸附部分装到窗扇上，当窗户关闭后，触动限位开关，电磁锁通电，锁住窗户。

图5 电磁铁上锁装置

1.4 智能控制模块

智能控制模块由主机、烟雾传感器模块、电机驱动模块、光敏传感器模块、温湿度传感器模块、遥控模块、WIFI模块和GSM模块组成，如图6所示。

图6 智能控制模块组成

主机由一块Arduino开发板、液晶LCD屏和无线接收发射装置组成，其主要功能为接收和处理各传感器模块发送来的数据，并把处理的结果发送到电机驱动模块。烟雾传感器模块由无线传输模块和烟雾传感器组成，烟雾传感器检测周围气体成分，无线传输模块用来接收和发送数据。遥控模块由无线传输模块和红外接收头组成，红外接收头用来接收遥控器发送的代码，无线传输模块则接收和发送数据。WIFI模块主要通过WIFI网络与手机进行通讯，可以开发手机APP，通过手机APP控制窗户。GSM模块可插2G/3G/4G手机卡，与手机进行短信通讯，可实现在没有网络的情况下通过发送手机短信来控制窗户。电机驱动模块主要通过外部天线接收到的数据来控制喷气装置上无刷电动机的转速和转向，有外部电源接口，可接12 V电源，为电机运行供电。光敏传感器模块上装有光敏电阻，其灵敏度可通过模块上的电位器进行调节，该模块主要用来检测光线的强弱，可实现当晚上忘记关窗时自动关窗。温湿度传感器模块主要用来检测空气中水分的大小，可实现在下雨时的自动关窗。

各模块之间的电路连接如图7所示。该电路的优点是每个模块都配有独立的电源，通过外部天线与主机进行数据的传输，摆脱了电源线、数据传输线的束缚，可以将传感器放在室内任意位置。每个模块都是独立分开的，工作时独立进行，可以把烟雾传感器放在靠近煤气灶的地方，可以把光敏和温湿度传感器模块放在窗户旁，把遥控模块放到离自己近的地方，这样大大提高了传感器检测数据的精确性。同时由于模块间的独立性，当某一个模块损坏后，只需要更换一个新的模块即可，不会影响到其他模块的正常工作。GSM模块可插手机卡以与手机间短信通讯，这样即使在没有WIFI网络和数据流量的情况下也可通过发送手机短信控制家中的窗户。

图7 各模块电路连接图

2 实物展示

新型实用电动窗户实物如图8所示。电动喷气装置通过主机进行控制，能够根据外部环境变化用手机和遥控器控制实现开窗和关窗操作，LCD显示屏上显示的为外部环境的温度、湿度、亮度和烟雾浓度的值，主机分别与温湿度传感器、烟雾传感器、光敏传感器、蓝牙模块等连线，各传感器将采集到的外部环境数据通过数据线传送到主机内部的Arduino开发板上，经过开发板内部程序的处理将其转化为控制电机驱动模块的二进制信号，电机驱动模块外接12 V电源，控制电动机的正反转，执行开关窗的操作。

图8 新型实用电动窗户实物

3 结束语

本文设计的实用新型电动窗户与其他的电动窗户相比有以下优点：

(1) 不需要通过电动机带动一些复杂的机械结构运转实现窗户的开和关，减小了传动结构的体积。

(2) 产生的力方向始终与窗户平面垂直，不会产生其他分力对窗户造成不利影响，也不会因为机构自锁或卡住而使电动机烧坏。

(3) 当停电或想通过手动去开窗或关窗时，不会像机械结构的窗户那样因为机构之间的摩擦和自身的重量使开关窗户非常吃力，同样也不会因为机械结构之间的自锁或卡住，而使窗户无法手动关闭。

(4) 可移植性强，不需要对窗户进行重新改造，只需要在普通的窗户内外两侧安装上喷气装置，便可根据

传感器采集到的数据，通过中央控制器，智能地控制家中所有的窗户。

参考文献：

[1] 吕国泰，白朋友.电子技术[M].第3版.北京：高等教育出版社，2010.

[2] 李春彪.电路电工基础与实训[M].第2版.北京:北京大学出版社，2008.

[3] 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2010．

[4] 纪明刚.濮良贵.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006．

[5] 邱宣怀.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2003．