智能升降窗的研究与设计思路

王丛丛

（山东工程职业技术大学 山东 济南 250200）

1 引言

目前，智能建筑、智能豪宅、智能家电、智能机器人和智能家居，涵盖了生活的方方面面[1]。据调查，大部分人都希望窗户的采光性好，在天气晴朗时，能够及时打开窗户通风，保持室内空气新鲜。但对于大部分家庭来说，特别是上班族，没有时间让我们根据天气变换随时开关窗户，打开窗户后出门又存在一定的安全隐患，基于这种情况，本文研究了升降式智能窗系统。

2 智能家居介绍

当今社会竞争激烈，生活节奏比较快，人们的生活条件也在不断提高，人们不想花过多的时间在生活琐事上，而是依赖自动化、智能化的家居产品，拥有它们，可以让我们有更多的时间去休息，去休闲，智能家居应运而生。智能家居（Smart Home）具有安全可靠、方便快捷、时尚美观的功能[2]。家居具备智能化、自动化功能，将被赋予生命，不再是单纯的房子，它能够帮助我们节约时间，帮助我们来管理家用电器，实现节能、安全、高效和舒适的功能，让我们的生活变得更幸福。

如今，智能家居是人们比较关注的话题，许多智能家居公司崛地而起，智能家居的发展方向就是利用网络等信息通信手段来实现对家具、电器，如空调、热水器、窗户等家具设备的智能化控制[3]。不管我们在哪里，他们能够根据我们的意愿，按照设定的程序进行工作。智能家居受到大众认可和好评的重要原因就是能够实现智能化和远程控制功能。在科技飞速发展的今天，有好多公司和机构看到了智能家具的市场前景，纷纷对其进行研究。

近几年，无论城市还是农村，都被网络覆盖，网络发展速度很快，尤其是无线网络。智能家居如果实现网络化，就能够实现远程遥控，可以随时通过网络打开或者关闭家居中的电视、热水器、空调、灯具、窗户窗帘等。也可提前编制程序，对家居实行定时控制。总之利用计算机多种功能和手段来对家居进行控制，会使我们的生活更加舒适、方便和安全。

市场上很多电器设备，如热水器、空调、电视都叫做智能家电，为了提供给人们舒适幸福的生活作出了贡献。但在我们的家居中，窗户却没有实现智能化。在我们城市里，高档小区和智能化小区处处可见，但我们发现几乎所有的窗户都是普通手拉式或者滑轮式，与自动化没有一点关系，更别说是智能化了。这给我们的生活带来很多不便，比如上班出门时天气晴朗，打开窗户通风，如果天气突变，有风或者下雨，我们却不能及时赶回家去关闭窗户，将会给我们的家带来破坏。如果我们安装了升降式智能窗，这些问题就会迎刃而解。

3 智能窗研究的发展现状

目前，有智能窗的设计和研究，实现了窗户的智能化控制、防盗、防雨等功能。浙江师范大学的庄渊昭采用AT89C2051 单片机控制系统实现了窗户机的半自动控制、自动控制、红外线遥控控制功能；四川理工学院的高峰用S3C2440 处理器为主控制芯片和在实时操作系统u C／OS-Ⅱ下通过多路传感器进行各种信号采集，结合GSM 和电动开窗器，实现了多功能智能防盗门窗系统；嘉兴学院机电工程学院的马泽文设计了一种具备湿度感应自动升降功能的智能防雨帘控制系统。目前，智能窗的研究主要集中在某一功能上，很少有关于防盗、防雨、防煤气，自动、手动控制的综合研究。因此，研究一种集成多种功能的智能窗户为人们创造一个安全、方便、舒适的智能居家环境具有重要意义。

预期的成果是一台灵敏度高、稳定性强、应用领域广的集成多功能的智能窗户，主要实现防盗控制、防雨控制、防煤气控制、红外遥控、数码显示等功能。

4 研究的目的意义

现在的年轻人生活节凑快，假期和周末以休闲和娱乐为主，生活水平的提高对智能家居的要求也越高，家居智能化是家具发展的必然趋势[4]。

门窗作为我们家居的“眼睛”和“呼吸系统”，可以让我们室内的采光更好、空气更新鲜。如果能实现智能控制，不管人们是否在家，都可以根据天气情况，快捷方便地打开或者关闭门窗，让我们拥有一个舒适、健康的生活环境。

5 主要研究内容

本文采用单片机实现窗户的智能升降功能，选用的单片机为P89LPC935。用不同功能的传感器采集环境信息，将红外遥控和GSM 通信应用到升降式智能窗中，实现了智能窗的环境信息检测、防盗报警、窗户开关的自动和远程控制。

本研究的主要内容包括：

（1）介绍了智能窗现在的实际情况（功能和缺点），为什么要研究本课题的原因和意义，预期达到的研究效果。

（2）智能窗系统整体方案的研究与设计，在明确了智能窗的功能需求和设计原则，分别给出了机械传动系统和自动控制系统的设计方案。

（3）完成机械传动系统的设计。

（4）完成智能窗系统中自动控制部分的硬件设计。

（5）智能窗系统中自动控制部分的软件设计，包括系统总体软件和各模块实现的软件设计。

6 智能门窗控制系统组成

以人性化为核心是智能家居的发展目标。智能门窗作为智能家居的一部分，具备智能、环保、节能、便捷等功能，深受人们的喜爱。

智能门窗控制系统主要由以下几部分组成：

主机：主机作为智能控制中心，主要元件是微控制器为核心的电气测控单元。

传感器：该系统具备防雨、防盗等功能，应用的传感器是红外传感器、湿度传感器等。

报警装置：有灯光示警等不同形式。

遥控器：选用的是红外遥控器。

机械传动装置：电机、螺杆、螺母、曲柄连杆机构。

本次课题研究的智能门窗属于高科技产品，在设计中应用到了声、光、机、电、通讯等各方面的技术，具有安防系统和建材完美结合的特点。本系统智能、安全、方便，价格适中，很多平民家庭也可以接受，使用升降式智能窗会让我们的家更上档次，更舒适。

智能门窗控制系统主要有以下特点：

（l）遥控开关窗。

无线遥控器可开关窗门。天气晴朗时，打开窗户，让窗户停在所需位置，阳光进来，可以让室内空气新鲜，为我们的生活带来方便、时尚和健康。

（2）自动防风、防雨。

家中没有人，大风忽然来袭，传感器能够察觉到，可以把信息传给智能主控制器，智能主控制器自动发出控制指令给伺服电机，电机带到机械机构，把窗户关闭，防止风沙、尘埃、轻浮杂物等物质进入室内。

下雨时，若窗户是打开状态，家中的墙、地面有可能会因为雨水的侵袭而造成破坏和损失，有了湿度传感器，在下雨时，它将自动检测该信息并传递给微电脑，发出控制命令，关闭窗户。有了升降式智能窗，不管我们在不在家，家居都不会因为风雨而损坏，可以解决出门不关窗的后顾之忧，让你拥有一个卫生、美好的家。

（3）人性化防盗。

家中无人，有小偷“光顾”时，传感器只要检测到有人靠近，窗门就会自动关闭，为了避免发生误会，窗户关闭但不报警，只是以某种形式示警，如红色警灯闪烁[5]。警示若不能引起小偷重视，继续行窃，智能门窗就会发出高分贝声音或者其他形式的示警，同时并把情报通过电话或者无线网络告知主人和安保人员，情报还会显示警情发生的具体位置。

（4）远程与定时控制。

利用智能升降窗远程控制功能，人们可以在有电话的任何地方，对其进行控制，如上班时可以在单位用电话远程控制窗户的开关。我们也可以对窗户系统进行定时设置，按照设置时间自动打开或者关闭。

（5）可燃气体泄漏报警。

若家中厨房煤气、天然气发生泄漏时，升降智能窗会自动打开，将可燃气体排到室外，并通过声音报警告诉主人，这样房间里的人就不会因气体泄漏而中毒，也不会发生火灾、爆炸之类的事情。

7 系统功能需求和设计原则

在社会信息化，科学技术突飞猛进的今天，人们的生活习惯、生活方式都发生了很大的变化，对居家用品的要求也越来越高。追求的是家具的科技化、智能化、节能化和环保化以及舒适性。窗户作为家具中的重要一员，在满足美观性、光亮性、舒适性的基础上，对窗户的功能要求也逐渐提高[4]。

本课题主要研究升降式智能窗的设计与实现，智能窗户要实现的功能主要包括：

（1）远程控制功能。我们通过手机、电脑直接查看窗户的开关，并可以随时改变其开关的状态。

（2）监控操纵功能。能通过计算机显示当前窗户状态，控制窗户的升降速度。

（3）窗户玻璃的升降功能。自动、手动控制窗户玻璃的升降，手动控制可以通过遥控、按键、人工手摇的方式实现。

（4）防雨功能。具有雨水检测功能，下雨时会自动关闭窗户。

（5）防盗功能。有小偷要进入居室盗窃时自动关闭窗户的防盗、报警功能。

（6）防中毒、爆炸功能。煤气泄漏会自动打开窗户的预警功能。

综上所述，智能家居系统可以大大提高人们的生活质量。智能家居、智能门窗的观念被更多的小区和更多的人接受，智能家居会有很大的市场，因此智能家居系统的研究和改进是非常有必要的。本文设计了一种基于单片机的升降式智能窗控制系统，实现了窗户的遥控开关、防雨、防盗、远程控制等功能，使人们的生活更加灵活便利，安全、舒适。