實用新型電動窗戶*

肖 萍，李仲龍，金書奎，也斯哈提·阿依肯，賽巴爾汗·阿孜木汗,馬旭飛

(新疆工程學(xué)院 機械工程系，新疆 烏魯木齊 830091)

0 引言

我國的自動開窗機市場近幾年發(fā)展迅速，特別是南方地區(qū)已經(jīng)涌現(xiàn)出很多自動開窗機生產(chǎn)企業(yè)，很多家庭、商場、體育場、工廠也都開始使用自動開窗機，在未來幾年自動開窗機需求量還會大量增加。目前市場上針對旋轉(zhuǎn)打開式窗戶設(shè)計的智能開窗裝置主要有鏈條式自動開窗機、連桿式電動開窗機、螺桿式電動開窗器等。本文提出了一種基于Arduino的噴氣式智能窗戶，其利用電動噴氣裝置、減速定位裝置、智能控制模塊、電磁鐵上鎖裝置四大組成部分實現(xiàn)了下雨天自動關(guān)窗、可燃?xì)怏w超標(biāo)后自動開窗以及手機控制窗戶的開和關(guān)等功能，解決了旋轉(zhuǎn)打開的窗戶無法通過一些機械結(jié)構(gòu)自由控制其開和關(guān)的問題。

1 新型實用電動窗戶的設(shè)計

本文設(shè)計的新型實用電動窗戶由窗框、窗戶轉(zhuǎn)軸、窗戶把手、窗戶本身、電動噴氣裝置、減速定位裝置、電磁鐵上鎖裝置、智能控制模塊等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在窗扇上安裝有電動噴氣裝置，其作用是為窗戶的開和關(guān)提供動力。電磁上鎖裝置裝到窗框上，其中被吸附部分裝到窗扇上，當(dāng)窗戶關(guān)閉后，觸動限位開關(guān)，電磁鎖通電鎖住窗戶。在窗框和窗扇之間有一個減速定位裝置，其作用是窗戶打開后使窗戶停在任意位置。智能控制模塊由主機、煙霧傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、光敏傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、遙控模塊、WIFI模塊和GSM模塊組成,其中主機可以放在房間的任何地方；電機驅(qū)動模塊、光敏傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、遙控模塊通過螺釘固定在窗扇的外側(cè)面，這樣在不影響窗戶開關(guān)的同時也不影響窗戶的美觀；煙霧傳感器模塊可以放在廚房靠近煤氣灶的地方；WIFI模塊和GSM模塊放在臥室，這樣可以提高傳感器檢測數(shù)據(jù)的精確性。

1.1 電動噴氣裝置

電動噴氣裝置主要由外殼、扇葉、無刷電動機、固定架等組成，如圖2所示，其工作原理如圖3所示。通電后，無刷電動機帶動扇葉高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向外噴出的氣流，由作用力和反作用力可知，氣流會給扇葉一個反方向的力，推動與噴氣部分相連的窗扇運動。由電機驅(qū)動模塊驅(qū)動的噴氣裝置分別裝在窗戶的內(nèi)、外兩側(cè),當(dāng)內(nèi)側(cè)噴氣裝置啟動后，產(chǎn)生一個關(guān)窗的力，推動窗戶關(guān)閉，同理，外側(cè)噴氣裝置啟動后會使窗戶打開。

圖1 實用新型電動窗戶結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 電動噴氣裝置組成

圖3 電動噴氣裝置工作原理

1.2 減速定位裝置

減速定位裝置如圖4所示，其上的連桿通過轉(zhuǎn)軸與窗扇相連，滑塊放在導(dǎo)軌內(nèi)與連桿連接，其作用是可使窗戶在任意位置處停住。

圖4 減速定位裝置

1.3 電磁鐵上鎖裝置

電磁鐵上鎖裝置主要由被吸附部件和產(chǎn)生磁力部分組成，如圖5所示。產(chǎn)生磁力部分裝到窗框上，被吸附部分裝到窗扇上，當(dāng)窗戶關(guān)閉后，觸動限位開關(guān)，電磁鎖通電，鎖住窗戶。

圖5 電磁鐵上鎖裝置

1.4 智能控制模塊

智能控制模塊由主機、煙霧傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、光敏傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、遙控模塊、WIFI模塊和GSM模塊組成，如圖6所示。

圖6 智能控制模塊組成

主機由一塊Arduino開發(fā)板、液晶LCD屏和無線接收發(fā)射裝置組成，其主要功能為接收和處理各傳感器模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并把處理的結(jié)果發(fā)送到電機驅(qū)動模塊。煙霧傳感器模塊由無線傳輸模塊和煙霧傳感器組成，煙霧傳感器檢測周圍氣體成分，無線傳輸模塊用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。遙控模塊由無線傳輸模塊和紅外接收頭組成，紅外接收頭用來接收遙控器發(fā)送的代碼，無線傳輸模塊則接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。WIFI模塊主要通過WIFI網(wǎng)絡(luò)與手機進(jìn)行通訊，可以開發(fā)手機APP，通過手機APP控制窗戶。GSM模塊可插2G/3G/4G手機卡，與手機進(jìn)行短信通訊，可實現(xiàn)在沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下通過發(fā)送手機短信來控制窗戶。電機驅(qū)動模塊主要通過外部天線接收到的數(shù)據(jù)來控制噴氣裝置上無刷電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，有外部電源接口，可接12 V電源，為電機運行供電。光敏傳感器模塊上裝有光敏電阻，其靈敏度可通過模塊上的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，該模塊主要用來檢測光線的強弱，可實現(xiàn)當(dāng)晚上忘記關(guān)窗時自動關(guān)窗。溫濕度傳感器模塊主要用來檢測空氣中水分的大小，可實現(xiàn)在下雨時的自動關(guān)窗。

各模塊之間的電路連接如圖7所示。該電路的優(yōu)點是每個模塊都配有獨立的電源，通過外部天線與主機進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，擺脫了電源線、數(shù)據(jù)傳輸線的束縛，可以將傳感器放在室內(nèi)任意位置。每個模塊都是獨立分開的，工作時獨立進(jìn)行，可以把煙霧傳感器放在靠近煤氣灶的地方，可以把光敏和溫濕度傳感器模塊放在窗戶旁，把遙控模塊放到離自己近的地方，這樣大大提高了傳感器檢測數(shù)據(jù)的精確性。同時由于模塊間的獨立性，當(dāng)某一個模塊損壞后，只需要更換一個新的模塊即可，不會影響到其他模塊的正常工作。GSM模塊可插手機卡以與手機間短信通訊，這樣即使在沒有WIFI網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)流量的情況下也可通過發(fā)送手機短信控制家中的窗戶。

圖7 各模塊電路連接圖

2 實物展示

新型實用電動窗戶實物如圖8所示。電動噴氣裝置通過主機進(jìn)行控制，能夠根據(jù)外部環(huán)境變化用手機和遙控器控制實現(xiàn)開窗和關(guān)窗操作，LCD顯示屏上顯示的為外部環(huán)境的溫度、濕度、亮度和煙霧濃度的值，主機分別與溫濕度傳感器、煙霧傳感器、光敏傳感器、藍(lán)牙模塊等連線，各傳感器將采集到的外部環(huán)境數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳送到主機內(nèi)部的Arduino開發(fā)板上，經(jīng)過開發(fā)板內(nèi)部程序的處理將其轉(zhuǎn)化為控制電機驅(qū)動模塊的二進(jìn)制信號，電機驅(qū)動模塊外接12 V電源，控制電動機的正反轉(zhuǎn)，執(zhí)行開關(guān)窗的操作。

圖8 新型實用電動窗戶實物

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的實用新型電動窗戶與其他的電動窗戶相比有以下優(yōu)點：

(1) 不需要通過電動機帶動一些復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)實現(xiàn)窗戶的開和關(guān)，減小了傳動結(jié)構(gòu)的體積。

(2) 產(chǎn)生的力方向始終與窗戶平面垂直，不會產(chǎn)生其他分力對窗戶造成不利影響，也不會因為機構(gòu)自鎖或卡住而使電動機燒壞。

(3) 當(dāng)停電或想通過手動去開窗或關(guān)窗時，不會像機械結(jié)構(gòu)的窗戶那樣因為機構(gòu)之間的摩擦和自身的重量使開關(guān)窗戶非常吃力，同樣也不會因為機械結(jié)構(gòu)之間的自鎖或卡住，而使窗戶無法手動關(guān)閉。

(4) 可移植性強，不需要對窗戶進(jìn)行重新改造，只需要在普通的窗戶內(nèi)外兩側(cè)安裝上噴氣裝置，便可根據(jù)

傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過中央控制器，智能地控制家中所有的窗戶。

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