智能升降窗的研究與設(shè)計思路

王叢叢

（山東工程職業(yè)技術(shù)大學(xué) 山東 濟(jì)南 250200）

1 引言

目前，智能建筑、智能豪宅、智能家電、智能機(jī)器人和智能家居，涵蓋了生活的方方面面[1]。據(jù)調(diào)查，大部分人都希望窗戶的采光性好，在天氣晴朗時，能夠及時打開窗戶通風(fēng)，保持室內(nèi)空氣新鮮。但對于大部分家庭來說，特別是上班族，沒有時間讓我們根據(jù)天氣變換隨時開關(guān)窗戶，打開窗戶后出門又存在一定的安全隱患，基于這種情況，本文研究了升降式智能窗系統(tǒng)。

2 智能家居介紹

當(dāng)今社會競爭激烈，生活節(jié)奏比較快，人們的生活條件也在不斷提高，人們不想花過多的時間在生活瑣事上，而是依賴自動化、智能化的家居產(chǎn)品，擁有它們，可以讓我們有更多的時間去休息，去休閑，智能家居應(yīng)運而生。智能家居（Smart Home）具有安全可靠、方便快捷、時尚美觀的功能[2]。家居具備智能化、自動化功能，將被賦予生命，不再是單純的房子，它能夠幫助我們節(jié)約時間，幫助我們來管理家用電器，實現(xiàn)節(jié)能、安全、高效和舒適的功能，讓我們的生活變得更幸福。

如今，智能家居是人們比較關(guān)注的話題，許多智能家居公司崛地而起，智能家居的發(fā)展方向就是利用網(wǎng)絡(luò)等信息通信手段來實現(xiàn)對家具、電器，如空調(diào)、熱水器、窗戶等家具設(shè)備的智能化控制[3]。不管我們在哪里，他們能夠根據(jù)我們的意愿，按照設(shè)定的程序進(jìn)行工作。智能家居受到大眾認(rèn)可和好評的重要原因就是能夠?qū)崿F(xiàn)智能化和遠(yuǎn)程控制功能。在科技飛速發(fā)展的今天，有好多公司和機(jī)構(gòu)看到了智能家具的市場前景，紛紛對其進(jìn)行研究。

近幾年，無論城市還是農(nóng)村，都被網(wǎng)絡(luò)覆蓋，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展速度很快，尤其是無線網(wǎng)絡(luò)。智能家居如果實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，就能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，可以隨時通過網(wǎng)絡(luò)打開或者關(guān)閉家居中的電視、熱水器、空調(diào)、燈具、窗戶窗簾等。也可提前編制程序，對家居實行定時控制?？傊糜嬎銠C(jī)多種功能和手段來對家居進(jìn)行控制，會使我們的生活更加舒適、方便和安全。

市場上很多電器設(shè)備，如熱水器、空調(diào)、電視都叫做智能家電，為了提供給人們舒適幸福的生活作出了貢獻(xiàn)。但在我們的家居中，窗戶卻沒有實現(xiàn)智能化。在我們城市里，高檔小區(qū)和智能化小區(qū)處處可見，但我們發(fā)現(xiàn)幾乎所有的窗戶都是普通手拉式或者滑輪式，與自動化沒有一點關(guān)系，更別說是智能化了。這給我們的生活帶來很多不便，比如上班出門時天氣晴朗，打開窗戶通風(fēng)，如果天氣突變，有風(fēng)或者下雨，我們卻不能及時趕回家去關(guān)閉窗戶，將會給我們的家?guī)砥茐?。如果我們安裝了升降式智能窗，這些問題就會迎刃而解。

3 智能窗研究的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，有智能窗的設(shè)計和研究，實現(xiàn)了窗戶的智能化控制、防盜、防雨等功能。浙江師范大學(xué)的莊淵昭采用AT89C2051 單片機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)了窗戶機(jī)的半自動控制、自動控制、紅外線遙控控制功能；四川理工學(xué)院的高峰用S3C2440 處理器為主控制芯片和在實時操作系統(tǒng)u C／OS-Ⅱ下通過多路傳感器進(jìn)行各種信號采集，結(jié)合GSM 和電動開窗器，實現(xiàn)了多功能智能防盜門窗系統(tǒng)；嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院的馬澤文設(shè)計了一種具備濕度感應(yīng)自動升降功能的智能防雨簾控制系統(tǒng)。目前，智能窗的研究主要集中在某一功能上，很少有關(guān)于防盜、防雨、防煤氣，自動、手動控制的綜合研究。因此，研究一種集成多種功能的智能窗戶為人們創(chuàng)造一個安全、方便、舒適的智能居家環(huán)境具有重要意義。

預(yù)期的成果是一臺靈敏度高、穩(wěn)定性強、應(yīng)用領(lǐng)域廣的集成多功能的智能窗戶，主要實現(xiàn)防盜控制、防雨控制、防煤氣控制、紅外遙控、數(shù)碼顯示等功能。

4 研究的目的意義

現(xiàn)在的年輕人生活節(jié)湊快，假期和周末以休閑和娛樂為主，生活水平的提高對智能家居的要求也越高，家居智能化是家具發(fā)展的必然趨勢[4]。

門窗作為我們家居的“眼睛”和“呼吸系統(tǒng)”，可以讓我們室內(nèi)的采光更好、空氣更新鮮。如果能實現(xiàn)智能控制，不管人們是否在家，都可以根據(jù)天氣情況，快捷方便地打開或者關(guān)閉門窗，讓我們擁有一個舒適、健康的生活環(huán)境。

5 主要研究內(nèi)容

本文采用單片機(jī)實現(xiàn)窗戶的智能升降功能，選用的單片機(jī)為P89LPC935。用不同功能的傳感器采集環(huán)境信息，將紅外遙控和GSM 通信應(yīng)用到升降式智能窗中，實現(xiàn)了智能窗的環(huán)境信息檢測、防盜報警、窗戶開關(guān)的自動和遠(yuǎn)程控制。

本研究的主要內(nèi)容包括：

（1）介紹了智能窗現(xiàn)在的實際情況（功能和缺點），為什么要研究本課題的原因和意義，預(yù)期達(dá)到的研究效果。

（2）智能窗系統(tǒng)整體方案的研究與設(shè)計，在明確了智能窗的功能需求和設(shè)計原則，分別給出了機(jī)械傳動系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。

（3）完成機(jī)械傳動系統(tǒng)的設(shè)計。

（4）完成智能窗系統(tǒng)中自動控制部分的硬件設(shè)計。

（5）智能窗系統(tǒng)中自動控制部分的軟件設(shè)計，包括系統(tǒng)總體軟件和各模塊實現(xiàn)的軟件設(shè)計。

6 智能門窗控制系統(tǒng)組成

以人性化為核心是智能家居的發(fā)展目標(biāo)。智能門窗作為智能家居的一部分，具備智能、環(huán)保、節(jié)能、便捷等功能，深受人們的喜愛。

智能門窗控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

主機(jī)：主機(jī)作為智能控制中心，主要元件是微控制器為核心的電氣測控單元。

傳感器：該系統(tǒng)具備防雨、防盜等功能，應(yīng)用的傳感器是紅外傳感器、濕度傳感器等。

報警裝置：有燈光示警等不同形式。

遙控器：選用的是紅外遙控器。

機(jī)械傳動裝置：電機(jī)、螺桿、螺母、曲柄連桿機(jī)構(gòu)。

本次課題研究的智能門窗屬于高科技產(chǎn)品，在設(shè)計中應(yīng)用到了聲、光、機(jī)、電、通訊等各方面的技術(shù)，具有安防系統(tǒng)和建材完美結(jié)合的特點。本系統(tǒng)智能、安全、方便，價格適中，很多平民家庭也可以接受，使用升降式智能窗會讓我們的家更上檔次，更舒適。

智能門窗控制系統(tǒng)主要有以下特點：

（l）遙控開關(guān)窗。

無線遙控器可開關(guān)窗門。天氣晴朗時，打開窗戶，讓窗戶停在所需位置，陽光進(jìn)來，可以讓室內(nèi)空氣新鮮，為我們的生活帶來方便、時尚和健康。

（2）自動防風(fēng)、防雨。

家中沒有人，大風(fēng)忽然來襲，傳感器能夠察覺到，可以把信息傳給智能主控制器，智能主控制器自動發(fā)出控制指令給伺服電機(jī)，電機(jī)帶到機(jī)械機(jī)構(gòu)，把窗戶關(guān)閉，防止風(fēng)沙、塵埃、輕浮雜物等物質(zhì)進(jìn)入室內(nèi)。

下雨時，若窗戶是打開狀態(tài)，家中的墻、地面有可能會因為雨水的侵襲而造成破壞和損失，有了濕度傳感器，在下雨時，它將自動檢測該信息并傳遞給微電腦，發(fā)出控制命令，關(guān)閉窗戶。有了升降式智能窗，不管我們在不在家，家居都不會因為風(fēng)雨而損壞，可以解決出門不關(guān)窗的后顧之憂，讓你擁有一個衛(wèi)生、美好的家。

（3）人性化防盜。

家中無人，有小偷“光顧”時，傳感器只要檢測到有人靠近，窗門就會自動關(guān)閉，為了避免發(fā)生誤會，窗戶關(guān)閉但不報警，只是以某種形式示警，如紅色警燈閃爍[5]。警示若不能引起小偷重視，繼續(xù)行竊，智能門窗就會發(fā)出高分貝聲音或者其他形式的示警，同時并把情報通過電話或者無線網(wǎng)絡(luò)告知主人和安保人員，情報還會顯示警情發(fā)生的具體位置。

（4）遠(yuǎn)程與定時控制。

利用智能升降窗遠(yuǎn)程控制功能，人們可以在有電話的任何地方，對其進(jìn)行控制，如上班時可以在單位用電話遠(yuǎn)程控制窗戶的開關(guān)。我們也可以對窗戶系統(tǒng)進(jìn)行定時設(shè)置，按照設(shè)置時間自動打開或者關(guān)閉。

（5）可燃?xì)怏w泄漏報警。

若家中廚房煤氣、天然氣發(fā)生泄漏時，升降智能窗會自動打開，將可燃?xì)怏w排到室外，并通過聲音報警告訴主人，這樣房間里的人就不會因氣體泄漏而中毒，也不會發(fā)生火災(zāi)、爆炸之類的事情。

7 系統(tǒng)功能需求和設(shè)計原則

在社會信息化，科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，人們的生活習(xí)慣、生活方式都發(fā)生了很大的變化，對居家用品的要求也越來越高。追求的是家具的科技化、智能化、節(jié)能化和環(huán)?；约笆孢m性。窗戶作為家具中的重要一員，在滿足美觀性、光亮性、舒適性的基礎(chǔ)上，對窗戶的功能要求也逐漸提高[4]。

本課題主要研究升降式智能窗的設(shè)計與實現(xiàn)，智能窗戶要實現(xiàn)的功能主要包括：

（1）遠(yuǎn)程控制功能。我們通過手機(jī)、電腦直接查看窗戶的開關(guān)，并可以隨時改變其開關(guān)的狀態(tài)。

（2）監(jiān)控操縱功能。能通過計算機(jī)顯示當(dāng)前窗戶狀態(tài)，控制窗戶的升降速度。

（3）窗戶玻璃的升降功能。自動、手動控制窗戶玻璃的升降，手動控制可以通過遙控、按鍵、人工手搖的方式實現(xiàn)。

（4）防雨功能。具有雨水檢測功能，下雨時會自動關(guān)閉窗戶。

（5）防盜功能。有小偷要進(jìn)入居室盜竊時自動關(guān)閉窗戶的防盜、報警功能。

（6）防中毒、爆炸功能。煤氣泄漏會自動打開窗戶的預(yù)警功能。

綜上所述，智能家居系統(tǒng)可以大大提高人們的生活質(zhì)量。智能家居、智能門窗的觀念被更多的小區(qū)和更多的人接受，智能家居會有很大的市場，因此智能家居系統(tǒng)的研究和改進(jìn)是非常有必要的。本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)的升降式智能窗控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了窗戶的遙控開關(guān)、防雨、防盜、遠(yuǎn)程控制等功能，使人們的生活更加靈活便利，安全、舒適。