随着生活水平的提高, 人们对智能家居的要求越来越高。智能家居是以住宅为平台, 利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成, 构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统, 提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性, 并实现环保节能的居住环境。
智能防风雨推拉窗作为智能家居的一部分, 可以为日常生活带来很多便利:上班时发现刮大风或下雨了, 再也不必担心家里窗户没关。防风雨智能窗的市场需求很大, 但当前的市面上的自动防风雨窗户很难推广普及, 究其原因, 主要是因为市场价格高、只能在建造房屋时就安装, 或者窗户整体改造, 不能在现有窗户上加装智能防风雨装置。本文在前期研究基础上开发了一种新型推拉窗智能开关器, 可以使现有推拉窗实现防风雨、防雾霾的功能。
下雨或者刮大风时, 安装于室外的风雨传感器检测到下雨信号, 系统自动执行关窗动作。
当雾霾传感器检测到空气中PM2.5含量超标时, 自动关窗, 阻止雾霾空气进入室内。
若天气好转, 当室外传感器既没有检测到下雨信号, 也没有检测到大风信号时, 且雾霾指标没有超标时, 系统会再次执行开窗动作, 保持室内空气流通。
本文所设计的推拉窗智能开关器机械结构简单, 如图1所示。类似于文献[1]中的方法, 以直流减速电机带动同步轮旋转, 进而驱动同步带直线运动[2], 由程序控制来实现推拉窗的启闭动作。图中, 3、7分别是安装在窗户左右两边的限位装置, 在窗户开启到位、关闭到位时分别发出相应信号。
其中, 同步带6采用聚氨酯钢丝齿形带, 它具有较强的抗磨损能力, 其钢丝芯可保证其在传动中仍能保持良好的运动能力, 噪音小, 寿命长, 不需要润滑, 无污染, 适合家居行业使用。同步带轮5、张紧轮4采用铝合金均采用铝合金材质, 以减轻本装置的重量, 便于安装。
1—窗框2—窗扇3、7—限位装置4—张紧轮5—同步带轮6—同步带
系统控制原理如图2所示, 它以STC15W408单片机为控制核心, 图2中的风雨传感器是集风感、雨感于一体的风雨感应器, 可以动态监测下雨、刮大风信号。它在原有推拉窗扇的基础上, 安装风雨传感器、PM2.5传感器、直流减速电机、同步轮、同步带、单片机控制板、电源开关、手动操作开关等, 其中预先编好程序的单片机是整个装置的控制核心[3], 可以实现下雨自动关窗、刮大风自动关窗、PM2.5超标时自动关窗、风小或风停且不下雨时自动开窗、不下雨且风小或无风时自动开窗等功能。推拉窗自动开关器在窗户外 (室外的一侧) 安装有一个风雨传感器, 用来检测是否有下雨或冰雹、刮大风 (风速>40Km/h) 等。
安装于室外的风雨传感器会实时监测户外天气状况, 每隔25秒钟检测一次。当检测到没有下雨或下冰雹, 也没有刮大风时, 风雨传感器输出5V高电平信号, 单片机不发出动作指令。如果某个时刻, 风雨传感器检测到下雨或者刮大风时, 传感器则输出0V低电平信号, 持续1秒钟, 即为一个1秒钟的低电平脉冲输出, 该脉冲信号经单片机接收后, 经程序运算反馈后, 单片机输出关窗动作指令, 控制电机驱动模块使直流减速电机正转, 带动同步带轮顺时针旋转, 同步带轮则带动两端固定在可移动窗扇上的同步带右移, 进而带动窗扇向右平移, 实现关窗动作, 窗户关到位后触发右侧限位传感器后, 电机则会自动停转, 完成关窗任务。同理, 当PM2.5雾霾传感器检测到空气污染超标时, 也会同样触发单片机、电机驱动模块、同步带轮、同步带完成关窗动作。后续如果在某个时刻, 风雨传感器没有检测到风雨信号、PM2.5传感器也没有检测到空气质量超标, 单片机就输出开窗指令, 控制电机驱动模块使直流减速电机逆时针旋转, 进而控制同步带轮逆时针转动, 同步带则带动窗扇随之左移, 在窗扇开到最大极限位置后触发左限位传感器, 完成开窗动作。
根据系统输入信号采集以及输出需求, 系统控制模块以STC15W408为控制核心。STC15系列单片机采用单时钟/机器周期, 指令代码完全兼容传统8051, 速度比普通8051快8-12倍, 片内集成了512字节的SRAM、ISP/IAP, 8通道10位ADC, 速度可达到30万次/秒, 3路PWM还可当3路DA使用。同时, STC15系列单片机还内置了高精度时钟和复位电路, 具有功耗低、电压宽、保密性强、抗干扰能力强的特点, 性价比高, 单价低至0.89元。
风雨感应系统由风雨感应系统, 接收器、发射器组成, 并共同工作, 它对自然气候中的风、雨进行自动感应检测, 并将检测到的信号传递给接收器, 通过接收器对智能开窗装置进行自动化控制。风雨感应系统将刮风信号、下雨信号两种传感器整合为一体, 方便实用, 安装简单。风力感应强度、雨水感应强度都可以调节, 其供电电压DC12V, 可在-40°～85°下工作。文献[1]中的风雨感应系统, 是两块独立的系统, 安装的时候, 需要分别安装这两个模块。本文中的一体式风雨感应器, 安装时更加灵活、方便。风速感应可在10Km/H～50Km/H范围内设定。
正常情况下 (没有刮大风或者下雨时) , 风雨感应器保持5V高电平输出, 当有刮风下雨天气发生时, 信号线输出一个1秒冲的低电平脉冲信号。该信号传输给单片机控制系统, 并发出关窗动作指令。风雨感应系统与STC15单片机搭配使用, 既可保证关窗动作的快速响应 (3S响应时间) , 又可兼顾雨感 (25S响应时间) 检测的稳定可靠。
PM2.5感应模块是以夏普GP2Y1010AU0F为核心的灰尘传感器[4]。传感器内部的红外二极管, 可以输出一个跟灰尘浓度成线性关系的电压值。通过该电压值即可计算出空气中的灰尘和烟尘含量。
手动操作模块主要用于手动控制窗户的开和关, 它包括两个按键:开和关, 按“开”键, 控制系统执行开窗动作, 松开按键时, 开窗动作停止;按下“关”键, 执行关窗动作, 松开按键时动作停止。
L298N电机驱动模块采用L298N双H桥直流电机驱动芯片, 内部包含2路逻辑驱动电路。具有驱动能力强、发热量低、抗干扰能力强的特点, 可驱动35V、2A以下的直流电机或步进电机。
本文采用Keil uvision 4作为程序开发平台[5], 对单片机程序进行编写、仿真调试。经仿真测试无误后, 再用stc-isp-15xx-v6.86软件和STC单片机下载器进行程序烧录。
本文在前期研究的基础上, 对控制核心、传感器采集模块进行了优化改进, 采用了一体式风雨传感器、PM2.5雾霾传感器, 提升了防风雨智能推拉窗的功能, 性价比高, 可以在各种尺寸规格的推拉窗上使用。
摘要：在前期研究的基础上, 设计了一种用于智能家居的推拉窗自动开关器, 它以STC15W408单片机为控制核心, 配合风雨传感器、PM2.5传感器等, 可以实现自动防风雨、防雾霾进入室内等功能。文中对本装置机械系统结构、控制原理及各个模块特点进行了介绍。该装置安装简单、性价比高, 可用于各种尺寸规格的推拉窗, 应用推广范围广。
关键词：智能家居,推拉窗,自动开关,防风雨,防雾霾
[1] 叶金虎.推拉窗防风雨自动开关器的设计与研究[J].机械研究与应用, 2017 (4) :69-71.
[2] 谭庆昌.机械设计[M].北京:高等教育出版社, 2004.
[3] 万隆, 巴奉丽, 陈文刚, 王玮等.单片机原理与实例应用[M].北京:清华大学出版社, 2011.
[4] 微雪电子. Dust Sensor灰尘传感器用户手册[K].2015, 12 (V1.4) .
[5] 陈海宴.51单片机原理及应用——基于Keil C与Proteus[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2010.
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