智能天氣監(jiān)測(cè)防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

束巖松 蔣柳君 高晨譯 廖雨婳 唐豪

關(guān)鍵詞：天氣監(jiān)測(cè);防護(hù)窗;傳感器;L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

中國(guó)分類號(hào)：TH122 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)居家生活的質(zhì)量要求也在不斷提升。然而在暴雨頻發(fā)的南方和颶風(fēng)猖獗的北方，頻繁的開關(guān)窗也成了令許多人困擾的問題。

如今國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的智能防護(hù)窗主要有以下幾種形式：

（1）推拉式或提拉式。該類裝置主要通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)防護(hù)窗在滑軌上移動(dòng)進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)開關(guān)窗戶的目的。該裝置視野開闊，采光效果好，但由于單次只有一面窗頁(yè)可進(jìn)行通風(fēng)，故存在通風(fēng)面積較小的缺點(diǎn)。

（2）平開式。該裝置主要通過控制轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的方式進(jìn)而帶動(dòng)整塊窗頁(yè)開合。平開式的窗頁(yè)可全部同時(shí)打開，具有通風(fēng)面積大的優(yōu)點(diǎn)。然而由于裝置受轉(zhuǎn)軸限制，窗幅較小，因此視野極不開闊。

（3）卷簾式或防護(hù)罩式。這兩類裝置采用收縮擋布或者拉動(dòng)防護(hù)罩的方式在極端天氣的情況下進(jìn)行防護(hù)。這兩類裝置通風(fēng)面積大，視野開闊。但因?yàn)槠鋵?duì)聲音和溫度的阻隔能力極差，且防風(fēng)防雨能力較弱，因此仍不被市場(chǎng)所接受。

為了更好的解決現(xiàn)有技術(shù)尚存的弊病，本文介紹了一種智能天氣監(jiān)測(cè)防護(hù)裝置。該裝置具有窗幅和通風(fēng)面積大的優(yōu)勢(shì)，且擁有較好的隔音隔熱能力?？梢酝ㄟ^傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)戶外的風(fēng)速和降水，達(dá)到控制門窗自動(dòng)開關(guān)的效果，以解決門窗關(guān)閉不及時(shí)的問題，避免企業(yè)和家庭受到經(jīng)濟(jì)上的損失和不必要的麻煩。

1工作原理

本裝置由防護(hù)組件、雨滴檢測(cè)器和風(fēng)速檢測(cè)器三部分組成。其中，防護(hù)組件主要包括護(hù)板塊，滑軌，單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和牽引繩等重要部件。裝置主要以傳感器為主要的信號(hào)采集手段，并將所采集的天氣信號(hào)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行集中處理，最后由單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)防護(hù)。

防護(hù)組件主要由方形外框，底座和防護(hù)板塊組成。方形外框安裝在裝置的外側(cè)，主要主要起固定支撐裝置運(yùn)行的作用。在方形外框的上下兩端安有滑軌，用以防護(hù)窗的導(dǎo)向。在滑軌的前端和尾端位置分別安有兩個(gè)光電傳感器，用來監(jiān)測(cè)防護(hù)窗的位置并以此控制電機(jī)的開停。在上下兩滑軌間設(shè)有防護(hù)板塊，可保護(hù)室內(nèi)免受風(fēng)雨侵?jǐn)_。防護(hù)板塊由若干矩形玻璃塊通過彈簧合頁(yè)連接而成，可以在裝置收縮時(shí)提供一個(gè)扭矩，并幫助板塊依次折疊收縮至底座末端位置。在首端的防護(hù)板塊上連有兩根牽引繩，其中一條懸置于板塊中間，另一條被埋于底座滑軌內(nèi)。而牽引繩的另一端分別與兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，可以通過電機(jī)牽引板塊的伸展和收縮，進(jìn)而達(dá)到裝置智能防護(hù)的效果。

在在設(shè)備的底座內(nèi)安有L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊可對(duì)傳感器接收的信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速，啟動(dòng)性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，工作電壓可達(dá)到36V，4A。模塊可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，能夠滿足裝置的運(yùn)行需求。在底座尾部依次安有導(dǎo)向塊，導(dǎo)向滑輪和限位塊。導(dǎo)向塊呈“八”字型結(jié)構(gòu)，其中靠近滑軌一端的間距要小于另一端的間距。當(dāng)進(jìn)行關(guān)窗操作時(shí)，防護(hù)板塊會(huì)沿導(dǎo)向塊按特定軌跡進(jìn)行收縮，避免窗頁(yè)滑出框外。在導(dǎo)向滑輪的內(nèi)部安有軸承，其外部套有塑膠皮套。當(dāng)某片窗頁(yè)的末端抵上導(dǎo)向滑輪時(shí)，會(huì)隨導(dǎo)向滑輪滑至裝置尾部并折疊收縮，避免防護(hù)板塊與導(dǎo)向塊產(chǎn)生摩擦，造成裝置磨損。

在底座末端兩側(cè)平行安裝有兩個(gè)限位塊，其間距與防護(hù)板塊的寬度相適配，可以有效防止窗頁(yè)被外力推至框外，致使裝置損壞。此外，該裝置還外接有手動(dòng)搖頭開關(guān)，并內(nèi)置有藍(lán)牙信號(hào)接收器，操作者可以根據(jù)自身需求選擇不同的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

3雨滴檢測(cè)器

雨滴檢測(cè)器由雨滴傳感器，蓄水盒及排水閥組成。雨滴傳感器位于蓄水盒底部，主要用于檢測(cè)戶外是否降雨，并由控制單元對(duì)所測(cè)信號(hào)進(jìn)行變換，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與防護(hù)。其工作電壓為3.3V～5V;具有信號(hào)干凈，波形好，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

蓄水盒為方形空盒。當(dāng)雨天盒內(nèi)積水時(shí)，檢測(cè)器會(huì)將降水信息反饋給L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)而啟動(dòng)裝置。在蓄水盒底部安有排水閥，防護(hù)板塊處于收縮狀態(tài)時(shí)，蓄水盒關(guān)閉并進(jìn)行蓄水。當(dāng)突降驟雨，防護(hù)板展開防護(hù)時(shí)，蓄水盒將開閥排水，并等待驟雨停止后再次開窗并進(jìn)行蓄水。

4風(fēng)速檢測(cè)器

風(fēng)速檢測(cè)器采用的是傳統(tǒng)的三杯旋轉(zhuǎn)架結(jié)構(gòu)。其內(nèi)置的風(fēng)速傳感器能將風(fēng)速線性地變換成旋轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)速。整個(gè)風(fēng)速傳感器對(duì)惡劣環(huán)境有良好的適應(yīng)性，且具有體積小巧、響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)傳輸效率高、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，確保機(jī)械裝置能準(zhǔn)確接收風(fēng)速信號(hào)并快速的進(jìn)入相應(yīng)工作狀態(tài)。同時(shí)為了降低最小啟動(dòng)風(fēng)速，裝置采用了特殊材料的輕質(zhì)風(fēng)杯，使所測(cè)數(shù)據(jù)的精度得到提升。

此外，該裝置還可以人為設(shè)定啟動(dòng)風(fēng)速，以適應(yīng)不同地區(qū)用戶的需求。設(shè)備外接有LED風(fēng)速顯示屏，并能將所測(cè)的外界風(fēng)速數(shù)據(jù)傳入室內(nèi)并進(jìn)行顯示，便于使用者實(shí)時(shí)了解外界天氣信息。風(fēng)速測(cè)量范圍為0～30m/s。

5優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用

5.1創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)

相較于同類型產(chǎn)品，本裝置主要具有以下幾種優(yōu)勢(shì)：

（1）本裝置安裝有智能排水閥，可以在開窗狀態(tài)下蓄水并收集降雨信息，關(guān)窗狀態(tài)下排水并等待下次開窗蓄水。能有效避免傳感器存在積水導(dǎo)致誤操作的現(xiàn)象發(fā)生，增強(qiáng)裝置的可靠性。

（2）防護(hù)窗的限位開關(guān)均采用紅外傳感技術(shù)。當(dāng)光電傳感器感應(yīng)到防護(hù)板塊遮擋或撤離時(shí)，會(huì)發(fā)出信號(hào)控制電機(jī)停止運(yùn)行。相較于傳統(tǒng)的壓力傳感，光電傳感可以有效避免對(duì)窗頁(yè)的磨損。并且具有反應(yīng)速度快、靈敏度高、干擾小的優(yōu)點(diǎn)。

（3）該裝置可以根據(jù)不同地域情況自定義啟動(dòng)風(fēng)速;并將所測(cè)風(fēng)速實(shí)時(shí)傳輸至室內(nèi)LED顯示屏上。在滿足了不同用戶實(shí)際需求的同時(shí)還可以讓使用者在室內(nèi)精準(zhǔn)掌握屋外的環(huán)境信息，為用戶的出行提供便利。

5.2實(shí)際應(yīng)用

作為智能家居的一部分——智能天氣監(jiān)測(cè)防護(hù)裝置，是在傳統(tǒng)門窗的基礎(chǔ)上，綜合利用了傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，通過對(duì)于各類信號(hào)的采集與處理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)外界天氣的監(jiān)測(cè)和自動(dòng)防護(hù)的裝置。與現(xiàn)有的智能門窗相比，本裝置具有通風(fēng)面積大，視野開闊的優(yōu)勢(shì);能較好的適用于各類需要良好通風(fēng)環(huán)境或?qū)Σ晒庥袊?yán)格要求的場(chǎng)所，并能很好的保證室內(nèi)外的隔音隔熱效果，從而提高人們的居家舒適度。

安全舒適的居家環(huán)境是實(shí)現(xiàn)家居智能化的基礎(chǔ)，而智能門窗作為智能家居的重要組成部分，對(duì)于家居智能化的發(fā)展也起到了關(guān)鍵性的作用。因此，對(duì)于智能門窗的推廣是實(shí)現(xiàn)智能家居的第一步，也是非常重要的一步。

6缺陷與改進(jìn)

經(jīng)過物理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該裝置尚存在以下幾個(gè)問題有待改善：

（1）在狂風(fēng)暴雨等極端天氣下，防護(hù)板塊的間隙可能出現(xiàn)漏風(fēng)或滲水的問題?？梢钥紤]在兩防護(hù)板間安裝透明密封膠條，提高裝置的密封性，避免惡劣天氣對(duì)居家生活造成影響。

（2）窗頁(yè)直接與底座接觸，長(zhǎng)時(shí)間使用易造成底部磨損。因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)可以在窗頁(yè)底部安裝多組萬象滾珠，避免兩者直接接觸，并在加工時(shí)選擇摩擦系數(shù)較小的材料制作底座，延長(zhǎng)裝置的使用壽命。

（3）裝置開關(guān)窗過程時(shí)間較長(zhǎng)。由于該裝置運(yùn)行方式為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此在牽引防護(hù)板進(jìn)行收縮時(shí)需要一定時(shí)間。故在安裝時(shí)可以選擇采用同時(shí)安裝多組防護(hù)裝置的方式，也可以適當(dāng)減少設(shè)備外框的長(zhǎng)度，從而降低開關(guān)窗過程所需的時(shí)間。

（4）各防護(hù)板塊間的連接部分容易遮擋視野，影響美觀。所以在選擇窗戶類型時(shí)建議采用落地窗的形式。既擴(kuò)大了視野，又可以確保擁有極大的窗幅和采光面積，從而保證整體觀感更好。

7結(jié)論

針對(duì)颶風(fēng)和暴雨對(duì)居家生活造成的影響，并結(jié)合目前市面上現(xiàn)有智能門窗所存在的問題，本文討論了一種智能天氣監(jiān)測(cè)防護(hù)裝置。該裝置主要通過傳感器收集天氣信號(hào)，并反饋給L298N驅(qū)動(dòng)模塊以控制電機(jī)的通斷，最終達(dá)到智能防護(hù)、保護(hù)室內(nèi)的效果。該裝置具有窗幅大，通風(fēng)面積廣，隔音隔熱能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能有效避免風(fēng)沙暴雨的侵?jǐn)_，保障室內(nèi)人員的生命及財(cái)產(chǎn)安全;并且操作簡(jiǎn)單，安全可靠，為智能家居的發(fā)展提供了新的方向。然而該裝置的密封性較差和工作效率低的問題仍有待解決。本文主要對(duì)智能天氣監(jiān)測(cè)防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了分析，并通過與同類產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比得出了該裝置的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也指出了目前尚存在的不足以及改進(jìn)的方向，為之后其他的智能門窗設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了有效參考。

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作者簡(jiǎn)介：

束巖松（1999-），男，漢族，湖南株洲人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化

蔣柳君（1999-），女，漢族，湖南邵東人，本科在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化

高晨譯（2000-），男，漢族，湖南邵陽(yáng)人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化

廖雨婳（2000-），女，漢族，湖南郴州人，本科在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化

唐豪（2001-），男，漢族，湖南永州人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化

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