樊夏炎 贾晓娣 张帅 罗莹 苗华明
摘 要：随着科学技术的发展，电子技术的应用也越来越广泛。窗户作为室内与外界交流的通道，与人们的生活息息相关。随着人工智能技术的发展，智能窗户越来越多的被应用与现代智能化的建筑中，为人们提供了安全、便捷的生活环境。从长远来看，智能家居是未来发展的方向，智能窗户会逐渐被越来越多的家庭多应用。本文介绍了远程智能窗的系统设计，以供参考。
关键词：呼吸式 智能窗 系统设计
中图分类号：TP316 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）11（a）-0-02
近年来，电子信息化技术的不断发展，融合互联网技术，推动了智能化的发展。智能家居系统利用计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术等，结合与家居生活相关的各种子系统，为人们提供舒适、安全的智能化生活空间。作为智能家居中的智能窗户，具有自动检测室内空气质量、防盗报警、自动关窗等功能。在刮风或者下雨的情况下，会自动识别天气，实现自动关窗动作，提高人们的生活质量，增强家居生活的安全、舒适性。
1 国内外研究现状和发展趋势
智能窗产品最早起源于20世纪70年代的美国，后来逐渐应用于西方发达国家。截止到2003年，北美节能门窗的规模达到1.2亿m2，欧洲国家的节能门窗规模为1.6亿m2。从发达国家的建筑能耗构成来看，窗户的建筑面积占到总建筑面积的25%以上，因此，节能窗户的推广具有广阔的发展前景。节能窗户标识体系的建立是为了让消费者和设计人员选择合适的节能产品，如英国门窗等级认定委员会规定节能窗标识体系包括窗质材料、窗框设计、玻璃类型和窗户的其他构件。美国1991年启用产品认证册，采用U值传热系数评定门窗，1993年，正式启用NFRC标识，使用太阳得热因子和可見光渗透率，1995年，NFRC使用空气渗透率的测定及标识。
2 智能窗户的功能特点
智能窗户可以完成人工思考后才能完成的事情，智能控制窗户的开启或者关闭，根据用户的具体要求，对室内空气、室外环境实时监测，以提高用户的居住质量，智能窗户的功能主要有以下几个方面。（1）自动检控火灾和燃气。当室内有煤气泄漏或者有害气体时，智能控制器中的微电脑会发出报警声，并自行把窗户打开，避免造成更大的损失。（2）净化室内空气。智能门窗传感器可以检测到室内空气中的苯、香烟粒子、乙胺等有害物质，当有害物质超标时，就会自动打开窗户，及时通风，降低室内有害物质的浓度。当室外的PM2.5含量超出设定标准时，窗户会自动关闭，降低对人体的伤害。（3）智能窗户的安全性能高。智能窗户能够根据人体的身高来判定靠近窗户的是否是小孩，当小孩靠近窗户时，窗户会自动关闭，保护小孩的安全。（4）自动防风防雨功能。很多家庭出现过忘记关窗户的情况，当出现突发天气状况时，没有防备，导致雨水进入室内，打湿衣物或者家居。智能窗户的传感器可以感知空气中的雨滴或者风力，当风力达到3级时，窗户就会自动关闭，避免雨滴吹进家里的情况。
3 远程智能窗的系统设计
智能窗户控制系统主要有硬件和软件两部分组成。硬件部分由单片机扩展的外围电路以及各种实现单片机系统控制功能的接口电路组成。软件部分主要由单片机系统实现其特定控制功能的各种程序组成。系统的总体设计采用单片机控制元件，来控制窗户的开闭动作；温湿度传感器来感知外界环境的变化，为单片机提供数据支持，整个系统的运行通过主控制芯片来完成。智能窗供电来源为太阳能电池板，以保证能源的清洁性和可持续性。通过内部的传感器来对室内空气质量进行检测，并将检测结果反馈给单片机，通过物联网协议将检测到的数据发送到手机APP，手机APP再根据当地的天气预报信息及时的和采集到的信息进行比对，智能地对窗户进行开闭。
3.1 气体检测系统设计
室内气体的浓度需要进行实时的检测。本设计采用MQ-135传感器作为气体检测模块的核心部件，对于空气质量检测有较好的灵敏度，该传感器采用的是双面板设计，具有电源指示和TTL模拟信号输出；TTL输出有效信号为低电平；模拟量输出的电压，浓度越高电压越高；相应恢复快速；使用寿命长和可靠的稳定性。工作原理：通过将气体检测传感器TTL输出端与单片机的IO口连接，来检测室内烟雾浓度，当对应的IO口味低电平时，说明室内的烟雾浓度过高，相应的MCU像电机驱动模块输出控制窗户打开的PWM波，及时打开窗户，进行通风，降低室内烟雾浓度，提高用户的居住安全性。
3.2 人体感应系统设计
在系统中引入人体红外检测模块，防止室外人员进入或者室内人员掉落的情况。本系统选用的是HC-SR501人体红外感应模块，具有延时时间可调，触发方式可调，输出TTL电平与单片机可以直接相连的优点，满足系统设计要求。设计过程选用的是可重复触发的方式，当感应器输出高电平后，在延时时间段内，如果有人在感应范围内（2m左右）活动，输出将一直保持高电平，直到人离开后延时将高电平变为低电平。每检测到一次人体活动就会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点。工作原理：通过将人体红外感应模块与单片机的I/O口相连，来实现人体的红外检测，当对应I/O口为高电平时，窗户就会自动关闭，防止室外人员进入或者室内人员掉落的情况。系统设计需要两个模块，需要在室外窗台及室内窗台上安装，满足设计要求。
3.3 温湿度检测系统设计
本系统采用的是AM2321B湿敏电容数字温湿度模块，这是一款含有已校准数字信号输出的温湿度符合传感器，采用数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有可靠的稳定性能。传感器包括一个电容式感湿元件和高精度测温元件，并与一个高性能8位单片机相连。该模块体积小，能耗低，信号传输距离远，应用范围广泛。工作原理：每个传感器进行了精确的温度校验，将校验后的数据存储在单片机中，为检测信号的处理提供数据来源，通过对数据的比对来实现对窗户的开闭。
3.4 电机驱动设计
窗户的开闭需要电机来控制，本系统采用的是L298N电机驱动芯片作为驱动步进电机的核心部件，电源选择12V，2A的开关电源，将步进电机确定为17HS5604作为控制电机。将步进电机与驱动模块连接，用单向四拍的方式来控制步进电机，将L298N驱动芯片的输入IN1-IN4与单片机的I/O口相连，通过输出的正向与反向的PWM波来控制电机的转动，来实现窗户的开启或者关闭。
4 结语
呼吸式智能窗户的设计在前人研究的基础上，通过智能控制，实现窗户的自动开启或者关闭，满足用户的实际要求，提高用户的居住质量。随着科学技术的发展，不断完善智能窗户系统，为用户提供更高质量的体验。
参考文献
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