基于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的智能窗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

費(fèi)葉琦 ， 朱 軒 ， 齊加勝 ， 周徐孝 ， 楊文謙 ， 吳晟豪

（1.南京理工大學(xué)紫金學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇 南京 210046；2.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

0 引言

隨著社會(huì)以及科技的快速發(fā)展，高效快捷的生活得到更多人的追捧，因此，智能家居逐漸進(jìn)入大眾視野。窗戶作為家居主體的一部分，是同外界進(jìn)行濕度、溫度及空氣交換的主要通道，與人們的日常生活以及健康息息相關(guān)[1]。在國(guó)內(nèi)，各類智能窗戶為生活帶來了各種便利，但因整體市場(chǎng)缺乏有效宣傳，人們對(duì)智能產(chǎn)品認(rèn)知度不高，同時(shí)由于產(chǎn)品價(jià)格偏高、維修不便等問題嚴(yán)重影響了此類產(chǎn)品的推廣。國(guó)外許多品牌智能窗產(chǎn)品涌入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，提高了此類產(chǎn)品在消費(fèi)群體的認(rèn)知，刺激了智能窗戶的市場(chǎng)消費(fèi)，故此，國(guó)內(nèi)越來越多的廠家、品牌投入資金和人力開展研發(fā)工作。如海森伯智能門窗品牌下的阿基米德智能窗擁有近百項(xiàng)專利和軟件著作權(quán)，并且相關(guān)產(chǎn)品已投放市場(chǎng)，該公司產(chǎn)品在加強(qiáng)窗戶隔音、密封等性能下，實(shí)現(xiàn)了窗戶觸控、智能除濕功能；重慶昂名建材公司推出的高性能智能門窗具有隔音、隔熱、防盜、防風(fēng)、防塵等功能，客戶可根據(jù)具體功能需求進(jìn)行定制；佛山阿爾維致力于打造高端智能節(jié)能門窗。但整體市場(chǎng)中此類產(chǎn)品價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、維修困難，且很難在現(xiàn)有窗戶上進(jìn)行智能改造[2]。基于此，筆者設(shè)計(jì)了本款智能窗，該窗可在傳統(tǒng)窗戶上進(jìn)行改進(jìn)，功能上結(jié)合樹莓派與云平臺(tái)技術(shù)，有自動(dòng)開合、特殊天氣檢測(cè)、紅外報(bào)警、異物防夾等功能，用戶可通過手機(jī)程序端更為便捷地查看當(dāng)前的窗戶狀態(tài)，并可遠(yuǎn)程控制其開合，且添加有語音控制功能，極大地提高了生活的智能化及便捷程度。

1 智能窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能窗結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)中包括機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制元件布局及運(yùn)行模式設(shè)定三個(gè)部分。

1.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能窗傳動(dòng)裝置中包括鋁材框架、雙層中空夾膠鋼化玻璃、風(fēng)力檢測(cè)傳感器、雨水檢測(cè)傳感器、紅外傳感器、樹莓派控制器、齒輪和電機(jī)等組成。傳統(tǒng)的平開式和推合式窗戶在長(zhǎng)時(shí)間使用后，老化和銹蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，易出現(xiàn)卡死或窗戶閉合不嚴(yán)等問題。本設(shè)計(jì)中傳動(dòng)裝置采用具有良好抗壓及防銹性能的斷橋鋁作為窗戶主體材料，傳動(dòng)采用更為穩(wěn)定的同步帶傳動(dòng)方式，并將同步帶固定在型材上，將手動(dòng)撥桿安裝在移動(dòng)窗框內(nèi)側(cè)的右上位，手動(dòng)撥桿上的凸緣配合同步帶中的卡槽，通過控制同步帶旁配置的電機(jī)來實(shí)現(xiàn)窗體的左右開合方式，極大提高了窗戶的壽命，并且簡(jiǎn)單的裝配設(shè)計(jì)便于窗體的整體拆卸、清洗及維護(hù)更新，如圖1和圖2所示。

圖1 傳動(dòng)裝置細(xì)節(jié)圖

圖2 智能窗戶三維建模示意圖

本設(shè)計(jì)為滿足設(shè)計(jì)要求選取電機(jī)GMP42-TEC4260，其額定功率為35W，轉(zhuǎn)速為50RP；同步帶型號(hào)為HTD3M。在實(shí)際安裝中應(yīng)根據(jù)窗戶位置、大小，選擇合適的電機(jī)、同步帶等相關(guān)零部件。

1.2 控制元件布局

智能窗體控制元件中包括雨滴傳感器、風(fēng)速傳感器、紅外傳感器及樹莓派等。

1）風(fēng)速傳感器安裝在窗戶型材外部最頂端。2）雨滴傳感器的具體安裝可視住戶實(shí)際情況來定，當(dāng)用戶處于無法控制窗戶的情況下，傳感器自動(dòng)工作采集信號(hào)，自我判斷對(duì)窗戶開、關(guān)的控制。3）兩紅外傳感器分別置于窗戶內(nèi)、外側(cè)邊。外側(cè)紅外傳感器可以檢測(cè)窗戶外側(cè)水平180°范圍異物信號(hào)，當(dāng)窗戶外有物體靠近時(shí)外置式紅外傳感器采集信號(hào)，信號(hào)傳輸至樹莓派中處理，實(shí)現(xiàn)窗戶的自動(dòng)開合，起到防盜作用；內(nèi)測(cè)紅外傳感器可以檢測(cè)窗戶垂直面所在的范圍，當(dāng)窗戶正在移動(dòng)過程中，有物體在紅外輻射范圍內(nèi)時(shí)，可使窗戶停止運(yùn)行，起到異物防夾作用。兩個(gè)紅外檢測(cè)范圍互相獨(dú)立，當(dāng)防盜、防夾功能信號(hào)沖突時(shí)，控制程序優(yōu)先執(zhí)行防夾功能，同時(shí)鎖死窗戶，給用戶發(fā)送相關(guān)窗戶狀態(tài)信號(hào)，需用戶在程序上重置或手動(dòng)在窗戶上解鎖。4）遇阻停止模塊中的兩個(gè)限位器置于窗戶框架兩側(cè)邊緣，當(dāng)窗戶達(dá)到限位器位置時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，窗戶鎖死。5）樹莓派置于型材內(nèi)側(cè)上方，與傳動(dòng)系統(tǒng)等高，由封條統(tǒng)一封裝，保證了整體窗戶的美觀性、實(shí)用性，并預(yù)留維修通道，便于元器件的更新與維護(hù)。

1.3 運(yùn)行模式

為滿足窗戶使用需求，設(shè)計(jì)了三種控制模式：

1）遠(yuǎn)程手機(jī)端APP控制，可通過手機(jī)操作界面下達(dá)動(dòng)作指令，長(zhǎng)按圖中麥克風(fēng)即可進(jìn)行語音控制，如圖3所示。

2）自動(dòng)關(guān)窗模式，即在家中無人情況下，遭遇雨雪、風(fēng)沙、強(qiáng)光、雷暴等惡劣天氣時(shí)，為保障住戶財(cái)產(chǎn)不受損失，在APP上給用戶發(fā)送關(guān)閉請(qǐng)求，若設(shè)定時(shí)間內(nèi)未得到用戶反饋，將會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)關(guān)閉功能。

3）手動(dòng)模式，在斷電而無法電控的特殊情況下，可通過手動(dòng)撥桿裝置，使窗體與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分離，切換至手動(dòng)模式，其中手動(dòng)撥桿安裝于同步帶外側(cè)，如圖4所示。

圖3 手機(jī)客戶端操作界面

圖4 手動(dòng)撥桿裝置

由三種控制模式實(shí)現(xiàn)了電機(jī)帶動(dòng)下窗戶順利開合，也能避免因電控元器件失靈或斷電等因素造成控制系統(tǒng)失效而無法關(guān)窗的情況。

2 智能窗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能窗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包括傳感系統(tǒng)和云端控制系統(tǒng)兩部分。用戶可通過手機(jī)APP的語音控制和按鈕控制向云端發(fā)送指令，再由云端識(shí)別指令轉(zhuǎn)發(fā)于執(zhí)行端，進(jìn)而完成智能窗開合動(dòng)作；智能窗也可由監(jiān)控傳感器數(shù)據(jù)，聯(lián)合云端實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，當(dāng)指令識(shí)別失敗，云端將發(fā)送短信提醒用戶并將錯(cuò)誤信息回傳給智能窗，由智能窗修正并重新發(fā)布指令。具體控制工作流程圖如圖5所示。

圖5 智能窗控制系統(tǒng)工作流程圖

2.1 傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雨滴傳感器采用壓電式，主要是通過接上5V電源后，感應(yīng)板上感應(yīng)是否有雨滴，將數(shù)據(jù)輸出至連接樹莓派GPIO，從而檢測(cè)雨量大?。伙L(fēng)速傳感器采用能兼容樹莓派、具有防雨淋設(shè)計(jì)的三杯式傳感器，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，高頻信號(hào)傳遞給樹莓派，樹莓派接收到因雨滴傳感器或風(fēng)速傳感器關(guān)窗信號(hào)后，提醒用戶窗戶是否需要執(zhí)行關(guān)窗命令，用戶通過手機(jī)端發(fā)出關(guān)窗指令則正常執(zhí)行，如當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)未得到用戶響應(yīng)時(shí)，控制器將實(shí)現(xiàn)無人為控制下的自動(dòng)關(guān)窗。

HC-SR501人體紅外傳感器實(shí)現(xiàn)防盜功能：工作時(shí)配合攝像頭在其監(jiān)控范圍內(nèi)，感應(yīng)有人持續(xù)在窗外活動(dòng)時(shí)，記錄數(shù)據(jù)輸出至樹莓派，在一定時(shí)間內(nèi)多次記錄后，樹莓派將激活蜂鳴器警告并發(fā)送短信提醒住戶監(jiān)控范圍內(nèi)有異常情況。當(dāng)短信被閑置，窗戶將會(huì)啟動(dòng)防盜功能，自動(dòng)關(guān)閉窗戶；同時(shí)，樹莓派通過連接的APP持續(xù)振鈴來提醒用戶查看屋外監(jiān)控或已錄制的視頻，直至窗戶外人離開一段時(shí)間后才會(huì)停止警報(bào)聲。

2.2 云端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在家庭局域網(wǎng)中為了實(shí)現(xiàn)手機(jī)控制智能窗戶，其中樹莓派作為執(zhí)行端，手機(jī)作為客戶端，租用服務(wù)器搭建云端，提前約定好相關(guān)命令，客戶端發(fā)送命令后，云端負(fù)責(zé)接收、轉(zhuǎn)發(fā)信息，執(zhí)行端接收、執(zhí)行指令，從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)用戶不在家中時(shí)，通過遠(yuǎn)程操作控制智能窗戶，實(shí)現(xiàn)其開合。

通過樹莓派外接傳感器的接口可實(shí)現(xiàn)功能模塊自主拓展，用戶可根據(jù)實(shí)際安裝的具體情況進(jìn)行調(diào)整位置和加裝功能模塊。如安裝天然氣相應(yīng)檢測(cè)傳感器，當(dāng)外界環(huán)境都是高溫天氣的時(shí)候，溫度傳感器將檢測(cè)出來，自動(dòng)將窗戶打開；或在燃?xì)庑孤┲率箍諝赓|(zhì)量下降到系統(tǒng)預(yù)設(shè)閾值（閾值未達(dá)到爆炸或引燃值）時(shí)，第一時(shí)間對(duì)用戶警報(bào)同時(shí)自動(dòng)開窗疏通空氣，保障住戶安全的居住環(huán)境。

3 樣機(jī)試制

智能窗戶樣機(jī)經(jīng)過多次的設(shè)計(jì)論證、建模、調(diào)整、測(cè)試，最終完成裝配，如圖6所示。此智能窗集現(xiàn)代傳感技術(shù)、無線傳輸技術(shù)等多種自動(dòng)控制手段于一體，由雨滴、風(fēng)速、強(qiáng)光等的反饋信號(hào)來實(shí)現(xiàn)窗戶的自動(dòng)開合，極大程度上改變了零部件更換困難且周期短、不夠美觀等問題。相較于目前市場(chǎng)的窗戶，本次設(shè)計(jì)的智能窗成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開合、維護(hù)方便、可遠(yuǎn)程操控的功能，能給用戶帶來更為便捷、舒適的體驗(yàn)，有極大的市場(chǎng)空間[3]。

圖6 智能窗樣機(jī)

4 展望

就目前市場(chǎng)上的智能窗戶結(jié)構(gòu)功能單一、價(jià)格昂貴、維修不便等問題，結(jié)合當(dāng)下市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)了云端智能控制窗，實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)?？稍诒驹O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上根據(jù)用戶需求增加多種功能模塊，如空氣質(zhì)量檢測(cè)、光線強(qiáng)度檢測(cè)等，基于現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)條件實(shí)現(xiàn)智能制造以滿足消費(fèi)者個(gè)性化、多元化的需求，從而降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[4]。通過不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足用戶生活品質(zhì)需求的同時(shí)，能在突發(fā)狀況下盡可能保障住戶安全并減少住戶損失。