关于可调控室内环境的感应关窗器设计

赵芳 魏争 付志宏 康嘉皓 古治文

摘要：感应自动关窗器通过对PIC单片机功能的应用，将驱动装置与各感应器连接并让感应器控制驱动装置以达到自动智能关窗，同时感应器与室内空调加湿器等家具连接，实现调控室内空气质量与温湿度，达到调控室内环境的目的。

关键词：关窗器;传感器控制;环境调控;

引言

近年来，智能家居概念逐渐深入到国民的生活之中，并持续影响人们的思维。大众开始尝试使用智能家居系统，并享受智能化为家居生活带来的舒适生活。5G网络的即将普及更是为智能家居注入活力，使其能实现更多功能。但目前有关自动关窗器及窗户的智能产品在调控室内环境方面的研究相对较少，因此我们决定设计一款与门窗有关的可调控室内环境的智能产品。我们从影响室内环境的因素为出发点，设计一种可调控室内环境的感应自动关窗器。感应自动关窗器就是以智能家居为应用背景研发的一套控制室内环境的产品，可以实现手机远程控制，为用户提供便利。

一、感应自动关窗器产品构架

感应自动调节关窗器感应区功能框架示意图

二、系统组成及工作步骤

感应自动关窗器的感应区主控系统包括单片机、传感器、云服务器和APP。系统开始工作后防盗传感器便开始独立运行，根据窗外红外线感应来判断是否有人闯入，若有则发出警报，并将数据直接传输给用户提示其报警。而其余感应器则共同工作，首先是风传感器和雨传感器将数据传输给单片机，根据室外有无风雨决定是否关窗;其后检测室内温湿数据，根据用户事先设定的温湿数据控制窗户开关并控制空调和加湿器的运行;最后单片机将数据处理完成后通过无线传感技术传输到云服务器，云服务器将处理好的数据传输到用户的智能移动设备上。这些数据包括室内的温湿度，空调、加湿器以及窗户的开关情况。由用户调整各设备的运行情况。此外为保障室内空气流通，主控系统会根据室内各窗户的当前情况来决定窗户是否开启。

三、设计方案

为了能达到对室内外环境的监测调控， 感应自动调节关窗器设计主体分为两个部分，即感应区部分和关窗器部分。

1.感应区

为了避免室外环境对室内环境的干扰，感应区分为室外监测区和室内调控区两部分。室外监测区负责监测室外环境变化，并以此控制窗户开启和关闭。室内调控区负责监测控制室内环境，使室内环境舒适度得到提高和改善。

（1）室外监测区

室外监测区包括两部分，即风传感器和雨传感器。

风传感器通过实时检测风速并将其转换为电信号，传输给单片机。主要装置有风轮、传感器电路。其主要原理是，将风轮对室外风速每分钟的记录数据传输给单片机，根据所编程序中设置的风轮转动圈数下限值，决定是否需要启动电机，以带动窗户移动，将其开启或关闭。

雨传感器我们则选用压电式雨滴传感器，根据雨滴落在雨传感器上时其压电振子产生压电效应使传感器内部发生振动，并将其转化为电信号[1];单片机检测到电信号后，便改变电机运作方式，从而实现对窗户的操控。此外单片机会统计室内各窗户开启状态，并将数据传输给用户，用户可通过控制窗户状态改变室内空气流通情况，保证空气清新，减少室内病菌和污染物数量，使室内环境健康舒适。

（2）室内调控区

室内调控区以温湿度传感器为主。

温湿度传感器用于检测室内温湿度，手动控制器由三个按键开关组成即开、关和暂停，该控制器能够让窗户选择在合适的时候打开或关闭，具体情况为：当室内温度在夏季处于20-24℃，冬季处于18-22℃，人体对外界的感觉比较舒适[2]。因此用户可根据这个范围内的温度设置属于自己的体感温湿度舒适区，之后APP会将用户设计好的数据传输回单片机，单片机根据该数据对比温湿传感器传输回来的数据对室内电器及窗户进行控制。

具体操作如下：若室内温度低于用户设计的温度舒适区或高于其设置区段2℃时：单片机会控制电机关闭窗户（关窗目的是为了降低能耗），并开启空调进行制热或制冷;若室内温度保持在用户设计的温度舒适区一小时以上，或高出设计区的温度在2℃以内时：单片机会根据室外监测区数据情况控制开启窗户，保证室内空气流通;当湿度低于设计区间时则开启加湿器，增加室内湿度。

通过以上各感应器的数据输入，单片机的数据处理和APP的数据输出，用户能够方便快捷的了解当前室内环境的各种情况，通过主控系统根据用户数据自动调节室内温、湿度以及室内气流情况达到对室内环境调控的目的，同时用户也能主动干预来提高其室内居住的舒适度。

2.关窗器

（1）关窗器种类及原理

目前关窗器基本分为两种，一种为链条式（其主要运用于悬窗），包括开窗器、支架螺丝、固定码、连窗块、卡销和螺丝;另一种为平移式（其主要用于推拉窗），包括开窗器电机导轨，外罩，窗扇连接件和堵头。其中链条式关窗器工作原理为：单片机将电信号传输给开窗器，适配器将家庭用电电压转化为额定电压，之后开窗器的核心部件之一电动正反转马达开始转动，并通过另一核心部件减速器装置把这一过程产生的力量传输给链条，最后链条伸出、收回实现窗户的开关动作;而平移式关窗器则是在电动正反转马达开始转动后带动电机在导轨处运作，电机带动窗户左右平动实现窗户的开关动作。

（2）功能介绍

两种关窗器虽然构造有所差异，但功能是相同的。其功能包括强电控制、无线控制、速度調节、过流保护、柔性开合等。

当设备刚启动或即将停止时，会有一个缓起缓停的柔性开合过程，该过程可避免冲击损坏玻璃，并且强电控制器开始控制电机工作;在运行过程中，若电流超过预设安全值，电机则会自动停止工作该过程避免了电机损坏，实现了对其过流保护;另外用户可根据需要调节不同的输出转速（开关窗的速度）进行速度调节。

若关窗器运行时其堵转力大于设定值，则电机可自动停机，避免了由此造成的设备或系统损坏。此外如果关窗器在正常工作中遇到障碍物的阻挡，电机会进行防夹手识别即自动反弹往相反方向运行防止用户夹伤，反弹五次后若不能正常通过则自动停止工作以避免损坏系统，而在关窗器工作前用户也可根据不同环境设定反弹力度。当设备遇到断电（或用户需要）时，用户可拉开卡锁或连接件，使窗户能够快速手动开启或者关闭。另外用户可利用手机控制关窗器工作从而实现无线控制。另外关窗器有自锁功能，在窗户关闭后外人无法通过外力在外面开启窗户，以此起到防盗作用。

四、总结

感应自动调节关窗器通过传感器对室内环境的感应，以控制屋内窗户的开启，从而来调控室内环境并且在风力达到一定程度的情况下实现自动关窗，避免屋内物品的损坏。这种对室内的调控也相对具有缺陷，例如在风向多变、风雨交加的情况下，产品缺乏相应的应变能力。但相较于目前市场上存在的关窗器，便于进行产品升级，紧跟市场趋势。在智能化方面，感应自动关窗器智能程度更高，而正是这种智能化帮助该产品实现对室内环境的调控，满足住户的对高质量生活的需求。

参考文献：

[1]李建秋，赵六奇，韩晓东.汽车电子学教程.清华大学出版社，2011

[2]《环境科学大辞典》编辑委员会.环境科学大辞典.中国环境科学出版社，1991

作者简介：

1、赵芳，女，1986 年7月生， 山西太原人。文学硕士，太原理工大学现代科技学院辅导员。

2、魏争，女，1987年1月生，山西汾阳人，法学硕士，太原理工大学现代科技学院心理健康教育与咨询中心负责人。

3、付志宏，男，1995年生，太原理工大学现代科技学院土木工程专业学生。

4、康嘉皓，男，1997年生，太原理工大学现代科技学院土木工程专业学生。

5、古治文，男，1997年生，太原理工大学现代科技学院，土木工程专业学生。