智能窗户控制系统

党 倩，蔡誉涵，郝雨苗

（西北大学，陕西 西安 710127）

0 引 言

现阶段使用的窗户功能较为单一，在家用窗户市场上，窗户的功能多为遮挡和保温，在安全防护和舒适度方面并未实现较大突破。在安全防护方面，较多厂家选择安装防护网，而现在许多小区的物业出于多方面考虑，不允许安装防护网。但是随着城市化进程的不断深入，楼层越来越高，缺少防护网的保护，高空坠物是很大的安全隐患。与此同时，为了便利居民生活，天然气进入每家每户，如果出现忘记关闭天然气的情况，将严重威胁人们的生命、财产安全，而最好的防护方法就是空气流通。当前家中安装的报警器只具备报警功能，而在舒适度方面，由于天气千变万化，传统窗户无法满足实时、便捷开关的需求。

在信息化时代，家居市场也受到了信息化的巨大影响，智能家居进入人们的视野，并且不断发展进步；而窗户作为室内与室外连通的重要工具，对其进行智能化改造尤为重要。随着房地产的不断发展，消费者消费水平的不断提高，家用窗户市场和智能家居市场也在不断发展。因此，文中设计了智能窗户控制系统，以期有所突破。

1 智能窗户控制系统功能简介

防高空坠物：当系统检测到物体有超过40%的比例暴露于室外时，会触发报警装置，并采取应急保护措施，防止高空坠物，保障安全。

远程控制：通过手动、遥控、手机客户端远程操作等模式，使窗户自动开合。

智能采光：当天气变化时，窗户会根据光线强弱自动开合，保持室内环境舒适。

防风防雨：当遇到突发暴风、暴雨天气，窗户会自动关闭，防止风雨进入室内，避免风雨损坏室内物品。

保持室内空气流通：当室内的温度、湿度、空气质量达到用户设定数值时，窗户可自动开合实现通风换气。

2 智能窗户控制系统的结构设计

2.1 系统组成及特点

系统主要模块包括：中央控制模块、传感器检测模块、数据传输转换模块、警报器模块等，用于实现对室内外环境变化的快速检测、迅速处理及有效监控，在周围环境发生变化时能及时采取相应措施，实现智能控制。

2.2 硬件设计

2.2.1 机械结构设计

目前大多数窗户需要手动开合，难免会出现在恶劣天气情况下忘记关窗户或者日常高空坠物的问题。为此，将动力系统安装于窗户中，通过实时采集信号或用户指令控制窗户的开合；在窗户附近的墙壁上安装小型开窗机，采用滑轮导轨装置和光电开关，利用无线信号模块接收遥控信号或手机远程程序信号，再传递给中央控制器，由中央控制器控制所述传动装置的运动，从而实现窗户的开合；在窗户外侧窗框上安装由聚乙烯、尼龙等合成纤维制成的网兜状结构设施，当满足设定条件时，触发报警装置，并迅速弹出保护网兜，避免物体坠落。

2.2.2 系统硬件设计

STC89C52单片机：STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有可编程FLASH存储器。STC89C52可降至0 Hz静态逻辑操作，支持2种软件，可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护模式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。单片机最高运行频率为35 MHz。

控制系统：该控制系统用于实现对窗户的自动控制，可以智能检测物体处于窗户外的比例，实现高空防坠，也可根据用户提前设定的环境参数及工作模式实现窗户的开合控制。该系统以STC89C52作为主控制器，用于采集传感器的模拟信号，并通过串口与其他智能设备互通。系统由电源、数码显示模块、控制键盘、窗状态检测电路、窗驱动控制接口、数据检测传感电路（湿度传感电路、温度传感电路、光照强度传感电路、空气质量传感器、风力传感器、红外防坠传感器、分贝传感器）等组成。

电路模块设计：本系统将1个温湿度传感器、1个空气质量传感器、1个光照强度传感器、1个分贝传感器安装于室内某个地方；将1个风力传感器、1个红外防坠传感器安装于窗户玻璃上，警报器采用普通蜂鸣器即可，用于实现紧急情况下（即检测到物体有掉落趋势时）的报警。传感器在检测到信号时将其传送给主控单元。

2.3 软件设计

本系统使用C语言编写控制模块程序，主要包括传感器程序和电机判断驱动程序。C语言具有简洁紧凑、灵活方便、运算符和数据结构丰富、生成代码质量高、程序执行效率高等优点，且C语言是结构式语言，层次清晰， 便于使用、维护以及调试，允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作，其易移植的优点能够满足开发者的需要。

该系统可通过基于云端的实时交互能力与用户智能手机终端APP连接，云端服务器经过数据处理分析，用户可通过手机对家庭环境进行监控和管理，提高室内的舒适度和安全性。

3 智能窗户控制系统的工作原理

智能窗户的主要功能为防止高空坠物、检测室内空气质量、智能遥控开关、智能传递信息以及感应天气变化并自动调节。故本设计在实现时需用到红外线感应器、气体传感器、遥控器、温度传感器、雨水探测装置等一系列机械传动装置，以优化室内舒适度，提高居家生活质量。

3.1 红外线感应器

智能窗户中的红外线感应器利用红外辐射、红外线反射等原理实现。红外线感应器可以探测物体红外光谱变化，检测物体暴露出窗户的比例，而当物体的40%超出窗户时，感应器便会将数据上传至主机，同时智能窗户会及时弹出一个强度大、耐冲击性好、耐磨性强、网目尺寸稳定柔软的网兜，及时保护人或物体以防止坠落，加强安全防护。

3.2 气体传感器

智能窗户通过气体传感器的探头对空气中的甲烷、液化气、酒精、烟雾等气体进行采样、分析，从而检测室内是否有煤气泄漏或发生火灾等情况。智能窗户一旦发现某种危害气体的浓度超过一定比例，便会及时自动开窗，并发出警报提醒用户。

3.3 遥控器

无线遥控器的原理是利用发射机将控制的电信号编码，再通过调制、调幅等过程，将其转化为无线信号发送出去；在接收端，当收到载有信息的无线信号后，经历放大、解码等过程，将其恢复为最初的电信号，再将该电信号进行功率放大从而驱动相关电气元件，实现无线遥控。在智能窗户系统中，利用无线遥控器可远程控制窗户的开合。

3.4 温度传感器

温度传感器利用金属膨胀、电阻传感、热电偶传感等原理测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速等对象的表面温度。在智能窗户系统中，可以利用温度传感器比较室内与室外的温度，从而采取相应的措施控制窗户的开合。

3.5 雨水探测装置

雨水传感器通过光强传感器和发光二极管实现其功能。原理：利用发光二极管通过窗户的玻璃发出一道光束，并检测反射回来的光束是否存在散射现象，从而判断是否有雨水出现；同时发光二极管配合测量玻璃上的雨水密度，当玻璃上雨滴较多时，反射光束增强，当玻璃上无雨滴时，反射光线较少。通过此原理，智能窗户可以根据天气变化自动开合。

4 智能窗户控制系统的创新点

（1）本设计采用红外线感应器、气体传感器、温湿度传感器、雨水探测器等装置，净化室内空气，调节室内温湿度，防止高空坠物，为人们提供了一个舒适、安全、个性化的居住空间。

（2）本设计具有云端实时交互功能，可与智能手机终端APP连接。

（3）本设计将防护网嵌入窗户，既可以满足物业的要求，又具备防护功能。

5 结 语

本设计通过对传统窗户的智能化和信息化改造，成功实现了设计的各项功能。该智能窗户控制系统在安全防护、舒适度与信息化方面都有突破，实现了在风雨天气、煤气泄漏、高空坠物、遥控等条件下智能窗户的智能控制，使其更加智能化、人性化。但该智能窗户控制系统仍然有较大提升空间，希望通过后期的改进，能够为用户的生活提供更多保障。