iWindow自感應(yīng)低碳智能窗

楊爽　李海霞　張昊　劉曉川

摘 要：iWindow自感應(yīng)低碳智能窗可利用室內(nèi)外傳感設(shè)備，根據(jù)室內(nèi)最適溫度值，自動(dòng)調(diào)節(jié)窗戶的開合度，提供舒適的環(huán)境。同時(shí)根據(jù)室內(nèi)情況（有小孩爬窗）、戶外環(huán)境（包括雨雪、污染、盜賊情況）動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)窗戶的開關(guān)以及開合程度，保證安全和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：自感應(yīng)；iWindow；智能窗

0 引 言

在生活中，我們常會(huì)遇到有關(guān)窗戶的一些問題：春秋季節(jié)，晝夜溫差大，常常出現(xiàn)夜晚忘記關(guān)窗，第二天感冒的情況；也常常出現(xiàn)白天忘記開窗，室內(nèi)空氣不流通的情況。下雨天恰逢我們不在家的時(shí)候，無法及時(shí)關(guān)窗?？諝赓|(zhì)量不好時(shí)，沒有意識(shí)到應(yīng)該關(guān)窗。當(dāng)小孩爬窗時(shí)，家長不在身邊沒有及時(shí)制止出現(xiàn)安全問題。作為“城市病”的最典型特征，生活方式的高能耗與高污染是困擾現(xiàn)代人的主要問題和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。如何在享受便捷生活的同時(shí)，最大程度降低能耗，減少對環(huán)境的污染，是值得探索的關(guān)鍵問題。本項(xiàng)目從“窗戶”這一每個(gè)房屋必備的裝置入手，擬利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能控制算法，最大程度地展現(xiàn)這一與我們生活息息相關(guān)的設(shè)備的強(qiáng)大應(yīng)用潛能。

1 作品詳細(xì)介紹

iWindow自感應(yīng)低碳智能窗是一款利用ZigBee無線傳輸技術(shù)，集溫度、紅外、煙霧、雨滴等傳感器為一體的，能夠防止小孩爬窗、防盜，雨天自動(dòng)關(guān)窗，可在一定程度上調(diào)控室內(nèi)溫度，是一種安全、環(huán)保的智能窗戶。該智能窗的具體功能如下：

（1）智能調(diào)溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)窗戶的開合。通過室內(nèi)外的溫度傳感器傳輸數(shù)據(jù)，并由用戶自行設(shè)定最適溫度值，來實(shí)現(xiàn)窗戶的智能開合。圖1所示是開關(guān)窗的啟動(dòng)程序。

（2）防止小孩爬窗。室內(nèi)紅外傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控窗戶下方小孩可能攀爬的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)小孩攀爬窗戶時(shí)，立即報(bào)警并關(guān)窗至8 cm的位置，保證小孩不能穿過，又避免窗戶關(guān)閉時(shí)夾傷小孩。

（3）防盜賊爬窗。

（4）雨天自動(dòng)關(guān)窗。

（5）實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)外溫度和空氣質(zhì)量。用戶可以根據(jù)戶外環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)窗戶開合，避免劣質(zhì)空氣流入室內(nèi)。圖2所示是實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)外溫度示意圖。

（6）手動(dòng)控制窗戶的開關(guān)。通過按下單片機(jī)下的不同按鈕，實(shí)現(xiàn)對窗戶開關(guān)的控制，使得窗戶便于操作。

2 工作原理

本作品由四個(gè)模塊組成，包括：中央處理模塊、無線通信模塊、傳感器模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，功能框圖如圖3所示。

2.1 單片機(jī)處理模塊

單片機(jī)處理模塊采用了ATmega16型單片機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)對無線通信所獲得數(shù)據(jù)的處理，并通過驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)窗戶的開關(guān)。圖4所示就是單片機(jī)處理模塊圖。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊采用DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器、紅外傳感器、雨滴傳感器以及煙霧傳感器。傳感器與ZigBee模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)將傳感器設(shè)備接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并向ZigBee傳輸數(shù)據(jù)。其傳感器模塊如圖5所示。

2.3 ZigBee模塊

ZigBee模塊采用CC2530 ZigBee 無線數(shù)傳模塊，通過串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，該模塊支持點(diǎn)對點(diǎn)通信以及點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，能夠非?？焖俚貙?shí)現(xiàn)將設(shè)備接入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的目的。如圖6所示。

2.4 窗戶控制模塊

本模塊主要由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)窗戶的開關(guān)。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)量是與驅(qū)動(dòng)器輸出的脈沖個(gè)數(shù)一對一的，我們可以精確的通過改編脈沖個(gè)數(shù)決定步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而控制窗戶的位置。如圖7所示。

2.5 機(jī)構(gòu)選型

本產(chǎn)品采用絲杠螺母的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺母的直線運(yùn)動(dòng)，并且可以將絲杠藏在窗戶里面，增強(qiáng)了窗戶的美觀性。

3 作品創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度快

在條件良好時(shí)，空氣對流的溫度調(diào)節(jié)速度超過空調(diào)調(diào)溫速度；當(dāng)對流條件不好時(shí)，由于窗戶可以自動(dòng)開合，所以在人進(jìn)屋子前，智能窗已經(jīng)將溫度調(diào)節(jié)好，人們可以即刻感到舒適。

3.2 節(jié)能

本智能窗利用溫度調(diào)節(jié)前期的空氣對流換熱來替代空調(diào)調(diào)溫，完全省去了這一部分電耗，達(dá)到了節(jié)能的目的。

以下為節(jié)能數(shù)據(jù)計(jì)算過程：

基本參數(shù)：住宅面積100 m2；房屋高度3 m；室內(nèi)空氣比熱約1 kJ/（kg·℃）；空氣相對摩爾質(zhì)量29；空氣摩爾體積24.5 L/mol（取室溫25℃&一個(gè)大氣壓）

制冷和制熱系數(shù)都在3左右，每次用開窗空氣對流換熱代替空調(diào)換熱3℃即節(jié)能355.1 kJ/3*3/（3 600 kJ/度）=0.1度

3.3 保護(hù)人體健康

本產(chǎn)品可實(shí)時(shí)監(jiān)測屋外灰塵濃度、降雨情況，在惡劣條件下關(guān)窗，阻止惡劣空氣流入室內(nèi)。

3.4 保護(hù)幼兒安全

設(shè)置了紅外檢測開關(guān)，阻止了小孩爬窗跌落對小孩造成的傷害。

4 市場前景

據(jù)調(diào)查了解，現(xiàn)在的智能家居市場剛剛起步，市場上的智能窗戶大多還是概念化的產(chǎn)品，并沒有一款智能窗戶真正意義上走進(jìn)人們的生活。通過問卷調(diào)查以及走訪，我們發(fā)現(xiàn)我們設(shè)計(jì)的智能窗戶和市場上已有的概念化產(chǎn)品相比更加人性化，溫濕度調(diào)節(jié)作用使窗戶更加節(jié)能，PM2.5檢測讓窗戶對我們的健康更加有益，防盜、防小孩爬窗使窗戶更加安全，同時(shí)如果應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)也可以很好的實(shí)現(xiàn)手機(jī)控制的功能。