孟書杰 何文敢 劉恩軍 孟子流 王繼紅

河南省建筑科學研究院有限公司（450053）

一種自動開關(guān)窗裝置的研制

孟書杰 何文敢 劉恩軍 孟子流 王繼紅

河南省建筑科學研究院有限公司（450053）

自動開關(guān)窗裝置方便、智能、操作靈活，可廣泛應用于家庭、教室、辦公室等場所，有助于提高室內(nèi)空氣質(zhì)量，保護室內(nèi)人員的身體健康，具有極大的社會效益和經(jīng)濟效益。

現(xiàn)代化進程；傳統(tǒng)聚落；保護與更新

0 引言

為了改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，人們?nèi)匀徊扇￠_窗通風的方式來促進空氣流通，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。但是人們不能準確地把握開窗、關(guān)窗的最佳時機，往往把污染嚴重的室外空氣引入室內(nèi)，或者是室內(nèi)的污染空氣不能及時排出室外。由于人們生活節(jié)奏的加快，上班出門常常忘記關(guān)閉窗戶，一旦刮風下雨就會造成室內(nèi)一團糟。因此，在正確的時間打開或關(guān)閉窗戶，有效地促進室內(nèi)外空氣流通，提高室內(nèi)的空氣質(zhì)量。研制一種能夠根據(jù)室內(nèi)外空氣情況自動開關(guān)窗戶、能夠遠程操控的自動開關(guān)窗裝置就顯得越發(fā)重要。

1 裝置簡介

自動開關(guān)窗裝置由推拉機構(gòu)、動力機構(gòu)和控制器三部分構(gòu)成（如圖1所示）。

圖1 自動開關(guān)窗裝置原理示意圖

1.1 推拉機構(gòu)

推拉機構(gòu)包括推拉桿、與推拉桿固定連接的帶有鍵槽的絲杠、包裹推拉桿、絲杠的腔體、連拉在腔體外的鎖緊器和紅外測距傳感器。

推拉桿10、與推拉桿10固定連接的帶有鍵槽31的絲杠3、與電機5電路連接的控制器6、通過線路與控制器6連接的編碼器7、包裹推拉桿10和絲杠3的腔體2，位于腔體2外的鎖緊器4和紅外測距傳感器8。伸出腔體2外的推拉桿10的頂端設(shè)有安裝孔9，用以自動開關(guān)窗裝置和窗扇的固定連接；推拉桿10和絲杠3外包裹著腔體2，避免雨水等對其的侵蝕。腔體2內(nèi)，靠近推拉桿10的一端，與絲杠3上的鍵槽31相對應位置處固定安裝一個鍵32，鍵32和鍵槽31相匹配且能夠嵌入鍵槽31中，用以防止絲杠3旋轉(zhuǎn)。軸孔與電機5的電機軸相配套的齒輪與電機軸固定連接，作同步旋轉(zhuǎn)，且齒輪的齒與絲杠3的螺紋相匹配嚙合。鎖緊器4鎖緊窗框和自動開關(guān)窗裝置；當突然停電時，手動解鎖鎖緊器4，可人為地開、關(guān)窗戶，避免由停電引起的自動開關(guān)窗裝置不能工作、窗戶不能打開或不能關(guān)閉的事件發(fā)生。

1.2 動力機構(gòu)

動力機構(gòu)是與絲杠連接的電機，控制機構(gòu)是與電機電路連接的控制器、通過線路與控制器連接的編碼器，伸出腔體外的推拉桿的頂端設(shè)有安裝孔，腔體上固定有一鍵，鍵和鍵槽相匹配，且能夠嵌入鍵槽中。

利用蝸輪蝸桿的原理，電機轉(zhuǎn)動，帶動齒輪同步旋轉(zhuǎn)，齒輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動絲杠3進行軸向運動。鍵32在腔體2上固定且嵌入鍵槽31中，使得絲杠3不能旋轉(zhuǎn)，只得沿著軸向作直線運動，從而帶動推拉桿10的伸縮，達到開關(guān)窗戶的目的。與電機5和控制器6電路連接的編碼器7，采用增量式編碼器，檢測電機的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度等，并輸出脈沖信號反饋給控制器6，控制器6通過計算得到需要的電機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，從而控制電機的啟動和停止，實現(xiàn)精確控制窗戶打開的大小。紅外測距傳感器8實時檢測窗戶附近障礙物的遠近，并反饋給控制器6，控制器6先通過系統(tǒng)軟件的設(shè)計判斷障礙物是否在窗戶的行程內(nèi)，以免窗戶開關(guān)的過程中碰落障礙物發(fā)生危險。

1.3 控制器

控制器包括CPU、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和GPRS通訊模塊、通過線路分別與電機和CPU連接的電機驅(qū)動電路、供電電路、液晶顯示屏、按鍵電路（如圖2所示）。

放大電路通過線路與紅外測距傳感器相連，GPRS通訊模塊通過UART通訊端口與CPU相連，按鍵電路通過線路與CPU連接，實現(xiàn)對影響自動開關(guān)窗裝置自動運行的參數(shù)設(shè)置和裝置的手動控制，并將設(shè)置的參數(shù)、窗戶的狀態(tài)等信息在液晶顯示屏上顯示，以便查看。

圖2 控制器模塊的邏輯方框圖

2 特征

將自動開關(guān)窗裝置、帶有GPRS通訊模塊的室內(nèi)空氣監(jiān)測裝置和室外空氣監(jiān)測裝置通過3G/4G移動通信網(wǎng)絡、云服務器與終端設(shè)備連通（如圖3所示）。將窗戶的開關(guān)狀態(tài)、窗戶打開的大小、室內(nèi)外空氣污染物的監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息實時地傳至云服務器，供終端設(shè)備進行遠程訪問、查看，實現(xiàn)對窗戶的自動控制和終端設(shè)備對窗戶的遠程手動控制。

圖3 移動互聯(lián)網(wǎng)通訊工作模式示意圖

在窗戶上安裝自動開關(guān)窗裝置，同時在室內(nèi)外分別安裝一個室內(nèi)空氣監(jiān)測裝置11和室外空氣監(jiān)測裝置12，同一棟樓上的多個室內(nèi)可共享一個室外空氣監(jiān)測裝置12。在窗戶16的每個窗扇上安裝一個自動開關(guān)窗裝置1，自動開關(guān)窗裝置比較云服務器上室內(nèi)外空氣污染物的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)預先設(shè)置的參數(shù)優(yōu)先級，自動地進行開窗或關(guān)窗的操作。終端設(shè)備也可以通過訪問云服務器遠程手動地控制窗戶的打開和關(guān)閉（如圖4所示）。

圖4 自動開關(guān)窗裝置布局示意圖

室內(nèi)空氣監(jiān)測裝置監(jiān)測的主要空氣污染物參數(shù)包括溫度、濕度、CO2、甲醛、TVOC等，可根據(jù)需要適當添加或刪除某個監(jiān)測參數(shù)。室外空氣監(jiān)測裝置監(jiān)測的主要空氣污染物參數(shù)包括雨雪、風速、溫度、濕度、CO2、甲醛、TVOC等，可根據(jù)需要適當?shù)奶砑踊騽h除某個監(jiān)測參數(shù)。室內(nèi)外空氣監(jiān)測裝置將監(jiān)測到的空氣污染物數(shù)據(jù)通過3G/4G移動通信網(wǎng)絡傳至云服務器，比較云服務器上室內(nèi)外空氣污染物的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)預先設(shè)置的參數(shù)優(yōu)先級，自動地進行開窗或關(guān)窗的操作。終端設(shè)備也可以通過查看云服務器上存儲的窗戶狀態(tài)、室內(nèi)外空氣污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)，遠程手動地進行開關(guān)窗操作。