基于环境因子变化的可自动控制智能窗户论文和设计-郝思思

全文摘要

本实用新型涉及一种基于环境因子变化的可自动控制智能窗户，感知环境因子变化系统包括雾霾传感器、温湿度传感器、雨滴传感器和红外传感器，分布于窗框外；环境变化响应系统为单片机控制，接收和处理感知环境因子变化系统各传感器的信号，并根据设定的各传感器的感应信号的阈值发出控制传动系统的指令；传动系统包括驱动窗户开闭、窗纱开闭的步进电机及窗户和窗纱运动部位的导轨；供电系统为感知环境因子变化系统、环境变化响应系统和传动系统提供工作电源。室外有雾霾、扬尘或者PM2.5超标，窗户就会打开防霾窗纱，阻挡雾霾颗粒和灰尘进入室内。下雨天，窗户就会自动关闭；若有窃贼企图通过窗户入室盗窃，窗户就会自动警报。

设计方案

1.一种基于环境因子变化的可自动控制智能窗户，包括窗户的窗框、窗纱；其特征在于还包括感知环境因子变化系统、环境变化响应系统、供电系统和传动系统；所述感知环境因子变化系统包括雾霾传感器、温湿度传感器、雨滴传感器和红外传感器，分布于窗框外；所述环境变化响应系统为单片机控制，接收和处理感知环境因子变化系统各传感器的信号，并根据设定的各传感器的感应信号的阈值发出控制传动系统的指令；所述传动系统包括驱动窗户开闭、窗纱开闭的步进电机及窗户和窗纱运动部位的导轨；所述供电系统为感知环境因子变化系统、环境变化响应系统和传动系统提供工作电源。

2.根据权利要求1所述基于环境因子变化的可自动控制智能窗户，其特征在于：所述供电系统采用太阳能供电电池。

3.根据权利要求1所述基于环境因子变化的可自动控制智能窗户，其特征在于：所述环境变化响应系统采用3个STM32单片机，第一个STM32单片机接收雾霾传感器和温湿度传感器的感应信号，雾霾传感器的串口通信传递信号形成开纱窗指令，温湿度传感器的串口通信传递信号形成开窗指令；第二个STM32单片机接收雨滴传感器和红外传感器的感应信号，输出形成串口通信传递信号形成关窗指令；第三个STM32单片机接收上述指令后驱动步进电机执行窗户开或闭的动作。

4.根据权利要求1所述基于环境因子变化的可自动控制智能窗户，其特征在于：第一个STM32单片机的输出连接显示屏，提示手动操控信息。

5.根据权利要求1所述基于环境因子变化的可自动控制智能窗户，其特征在于：第二个STM32单片机的输出连接GSM模块，发送消息和报警信号。

6.根据权利要求1所述基于环境因子变化的可自动控制智能窗户，其特征在于：所述雾霾传感器采用光散射原理的粉尘传感器。

7.根据权利要求1所述基于环境因子变化的可自动控制智能窗户，其特征在于：所述温湿度传感器采用DS18B20，DHT11数字温湿度传感器。

8.根据权利要求1所述基于环境因子变化的可自动控制智能窗户，其特征在于：所述雨滴传感器采用YL-83雨滴传感器。

9.根据权利要求1所述基于环境因子变化的可自动控制智能窗户，其特征在于：所述红外传感器采用的是被动式热释电红外探测器HC-SR501。

设计说明书

技术领域

本发明属于电子信息领域，涉及一种基于环境因子变化的可自动控制智能窗户，涉及技术有电路板设计、硬件控制、电机动力系统设计等技术。

背景技术

地产行业正在蓬勃的发展，智能楼宇越来越成为地产商和物业公司关注的焦点，用户的需求也越来越向智能化靠拢，智能楼宇和智能家居必然是市场的发展趋向。因此，市场上正需要能控制温湿度、防盗方面的智能窗户与智能楼宇相匹配。考虑到现在的环境污染问题已经越来越严重，雾霾的范围已经扩大到全国。新型智能窗户的防霾功能也应予以体现。

现有产品方面，智能窗户很多，但功能性比较单一。专利CN108397074A中提出的产品，仅仅单一的解决了温度感知的问题。专利CN108368725A中提出了对空气的检测，以便控制窗户的开关。这两个专利的功能都比较单一，且没有防盗机制。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于环境因子变化的可自动控制智能窗户

技术方案

一种基于环境因子变化的可自动控制智能窗户，包括窗户的窗框、窗纱；其特征在于还包括感知环境因子变化系统、环境变化响应系统、供电系统和传动系统；所述感知环境因子变化系统包括雾霾传感器、温湿度传感器、雨滴传感器和红外传感器，分布于窗框外；所述环境变化响应系统为单片机控制，接收和处理感知环境因子变化系统各传感器的信号，并根据设定的各传感器的感应信号的阈值发出控制传动系统的指令；所述传动系统包括驱动窗户开闭、窗纱开闭的步进电机及窗户和窗纱运动部位的导轨；所述供电系统为感知环境因子变化系统、环境变化响应系统和传动系统提供工作电源。

所述供电系统采用太阳能供电电池。

所述环境变化响应系统采用3个STM32单片机，第一个STM32单片机接收雾霾传感器和温湿度传感器的感应信号，雾霾传感器的串口通信传递信号形成开纱窗指令，温湿度传感器的串口通信传递信号形成开窗指令；第二个STM32单片机接收雨滴传感器和红外传感器的感应信号，输出形成串口通信传递信号形成关窗指令；第三个STM32单片机接收上述指令后驱动步进电机执行窗户开或闭的动作。

第一个STM32单片机的输出连接显示屏，提示手动操控信息。

第二个STM32单片机的输出连接GSM模块，发送消息和报警信号。

所述雾霾传感器采用光散射原理的粉尘传感器。

所述温湿度传感器采用DS18B20，DHT11数字温湿度传感器。

所述雨滴传感器采用YL-83雨滴传感器。

所述红外传感器采用的是被动式热释电红外探测器HC-SR501。

系统3个STM32单片机进行控制，单片机A接收雾霾传感器和温湿度传感器的信号并向单片机C发出开关纱窗指令、开关窗指令，同时通过液晶屏实时显示当前环境信息(PM2.5，温度，湿度)；单片机B接收雨滴传感器和红外传感器的信号并向单片机C发出开关窗指令，同时控制GSM模块是否发出报警信息；单片机C通过按键接收人发出的指令，并对单片机A、单片机B传输的指令进行处理，驱动步进电机执行窗户开闭、窗纱开闭的动作。

有益效果

本发明提出的一种基于环境因子变化的可自动控制智能窗户，感知环境因子变化系统包括雾霾传感器、温湿度传感器、雨滴传感器和红外传感器，分布于窗框外；环境变化响应系统为单片机控制，接收和处理感知环境因子变化系统各传感器的信号，并根据设定的各传感器的感应信号的阈值发出控制传动系统的指令；传动系统包括驱动窗户开闭、窗纱开闭的步进电机及窗户和窗纱运动部位的导轨；供电系统为感知环境因子变化系统、环境变化响应系统和传动系统提供工作电源。室外有雾霾、扬尘或者PM2.5超标，窗户就会打开防霾窗纱，阻挡雾霾颗粒和灰尘进入室内。下雨天，窗户就会自动关闭；若有窃贼企图通过窗户入室盗窃，窗户就会自动警报。

有益效果在于：

1)本发明填补了防雾霾灰尘、感知温湿度和人体的智能窗户的空白。近年来智能家居事业的蓬勃发展，智慧推动科技发展，科技又造福于人，智能窗户的开发和应用将于不久的将来会实现。据了解，本发明还未有上市公司生产经营，因而具有巨大的市场潜力。

2)本发明属于环境友好型发明，采用太阳能供电，有效利用了可再生资源

3)本发明将多个功能，如雾霾感知功能并适时调节功能，温度感知并适时调节功能，雨滴感知并适时调节功能，人体感应模块集成在一起，使得设计的产品功能更加多样和实用。

4)本发明的成本比较低，适应大部分楼宇的应用，经济有效的保障了人体健康，且符合当今智能家居发展趋势。

附图说明

图1为本发明整体设计结构示意图；

图2为本发明环境因子感知模块示意图；

图3为本发明各模块布局示意图；

图4为本发明硬件编程整体思路程序框图；

图中：1-按键、液晶屏，主控电路板，2-GSM模块，3-温湿度传感器，4-导轨、步进电机，5-粉尘传感器，6-热释电传感器，7-太阳能电池板组，8-雨滴传感器，9-导轨、步进电机，10-防霾窗纱。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明基于智能家居的发展趋势，结合现有科技手段，实时的对窗外环境进行监测，能更好的为用户服务。

所述基于环境因子变化的可自动控制智能窗户主要包括：感知环境因子变化系统、环境变化响应系统、太阳能供电系统、传动系统；感知环境因子变化系统用雾霾传感器、温湿度传感器、雨滴传感器、红外传感器等搭成电路，及时响应环境因子(雾霾、温度、雨滴、人体)的变化，将数据信息传到以单片机核心的环境变化响应系统；太阳能供电系统是系统的动力系统，包括变压、稳压装置、太阳能电池板电压输出装置、锂电池等，由控制信号连接在一起；传动系统包括传动轴控制电路、传动轴以及驱动电机组成，由控制信号连接在一起。

所述基于环境因子变化的可自动控制智能窗户采用STM32单片机，通过STM32单片机对智能窗户的各项工作系统进行控制，本发明主要通过传感器去感知，然后传送给CPU，CPU通过对数据分析计算，执行相应的指令。如室外有雾霾、扬尘或者PM2.5超标，窗户就会打开防霾窗纱，阻挡雾霾颗粒和灰尘进入室内；如果室外下雨了，窗户就会自动关闭；若有窃贼企图通过窗户入室盗窃，窗户就会自动警报。

所述感知环境因子变化系统由传感器作为核心模块构成，主要传感器：

雾霾传感器采用光散射原理的粉尘传感器和Arduino结合的方法，对雾霾进行检测。具体的方案是粉尘传感器内部的红外发光二极管通过发射红外光，另一侧的光电晶体管接受灰尘折射光的强度，然后传输给Arduino。在软件中设计其采样周期，一般采用采样周期为t＝1s，检测阈值为75ug\/m^3<\/sup>。

温湿度传感器采用DS18B20，DHT11数字温湿度传感器，应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，利用传感器的电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，根据该传感器特性，取样周期为1s,设置适宜温度范围为18℃～24℃，湿度范围45％～65％。

雨滴检测采用的是YL-83雨滴传感器。传感器分为两部分，感应板和信号比较电路。感应板主要用于感知是否有雨水降落，置于室外，信号比较电路用于对感应板采集回来的信号进行比较处理，然后输出给单片机分析计算。结合实际情况，选择数字信号输出，当没有检测到雨水时，感应板不导通，DO口输出高电平，单片机判断为不下雨。当有雨滴降落时，感应板导通，DO输出位低电平，单片机判断为有雨。

红外传感器采用的是被动式热释电红外探测器HC-SR501。人体正常的体温维持在36-37度左右，此温度区间会发射出中心波长为8-12um的红外线,HC-SR501靠探测人体温度发射的10um左右的红外线而进行工作。

上述传感器都分布于窗框外，通过响应环境因子(雾霾、温度、雨滴、人体)的变化，并将感受到的数据信息传到以单片机核心的环境变化响应系统来正常工作。

所述环境变化响应系统由3个STM32单片机组成，其中两个作为处理相关因子的子控制系统，另一个单片机作为总处理中心。另，总控制单片机对于到来信号具有优先级：人>降雨>雾霾>温湿度，如此处理更具有合理性。3个单片机各有分工，协调合作，使整个系统有序工作。

所述太阳能供电系统设计了一个稳压电路，使太阳能电池能给整个系统的电池充电。稳压电路用的是开关型电源芯片LM2577升压模块。该芯片输入电压范围为2至24伏，输出电压最高可达28伏，2安培的驱动能力，并且模块的输出电压可调，按照太阳能电池的充电标准，充电电压高于电池电压百分之二十到百分之四十，稳压模块的输出电压应调节到7v左右，持续的为锂电池供电。该电路镶嵌在窗框中，便于与窗户一体化集成。

所述传动系统的主要结构为5V电源驱动的五线四相式步进电机28BYJ-48。步进电机将电脉冲转换成相应的角度位移或线位移，步进电机每走一步的角度都是一定的。在常规情况下，其停止的位置、转速只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，和环境温度、气压、振动无关，也不受电压波动的影响，可用与控制窗户开关。结构将电机内嵌在窗框中，直接利用电机的转动带动窗户向内外开关。

说明书附图1是整个系统的大体框架示意图。

说明书附图2是环境因子感知模块示意图，详述了各个传感器的功能。即感应何种环境因子、供电方式、他们之间的表现形式以及与主控制单片机之间的联系。

说明书附图3是各模块布局示意图，详细说明了本发明各模块、各传感器在推拉式窗户上的实际布局情况，太阳能电池板放置在窗框室外一侧上方，更好的接受阳光；液晶显示板、主控面板、温湿度传感器、步进电机依次布置在窗框室内一侧右面，减少所需空间，避免电路过长，影响相关测量结果准确性；热释电传感器，雨滴传感器布置在窗框室外一侧下方，使测量条件更符合实际情况，粉尘传感器在窗框室外一侧左面，避免各器件干扰。通过合理的布局安排，使各模块充分发挥效用，保证测量参数的可靠性，避免其他无关因素的干扰。

所述编程控制的思想见说明书附图4，根据环境因素，在编程中设定特定的阈值，一旦环境因素达到程序设定的阈值，程序就会判断是否需要控制电机做出相应的指令，去控制窗户和窗纱的开与关。因而可以实时监控环境的变化。

综上所述，本发明原理简单，成本较低，能够实现经济有效的解决空气对人体的伤害，灵活度高，市场潜力巨大。

设计图

基于环境因子变化的可自动控制智能窗户论文和设计

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全文摘要

设计方案

设计说明书

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