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摘 要：为了追求更为便利的生活，智能产品成为了人们生活中必不可少的一部分。针对生活中各种窗户情况，该文设计了一种能够检测空气湿度、室内外温度以及烟雾的窗户，能够实现自动开起和关闭的智能窗户，利用单片机编程、CAD绘制图纸，最后经过工厂加工、手工拼装等步骤已经将该作品顺利完成。未来将会通过小规模的生产与投放，研究其在市场的发展走势。并且实现了自主监测外在环境和开闭窗户的功能，改善室内的用户居住环境，功能更加便捷。
关键词：智能 节能 窗户 传感器 家具
中图分类号：TU228 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）07（b）-0034-03
Research on the Application of Multifunctional Intelligent Windows
YU Yuanyang SU Sichao* ZENG Bin PU Zhiqiang
（College of mechanical Engineering， Hunan University of Arts and Sciences， Changde， Hunan Province， 415000 China）
Absrtact： In order to pursue a more convenient life， intelligent products have become an indispensable part of people's life. In view of various windows in life， this paper designs a window that can detect air humidity， indoor and outdoor temperature and smoke， and can automatically open and close the intelligent window. The work has been successfully completed through the steps of single chip microcomputer programming and CAD drawing， and finally factory processing and manual assembly. In the future， we will study its development trend in the market through small-scale production and delivery. It also realizes the function of independently monitoring the external environment and opening and closing windows， improves the indoor user living environment， and the function is more convenient.
Key Words： Intelligence; Energy saving; Window; Sensors; Furniture
随着城市发展日益快速，各种智慧型建筑出现，智能化、多元化、宜居型建筑发展已成趋势，同时建筑家具也朝着智能化、绿色化、便捷化发展[1]。窗户是建筑行业中必不可少的部分，窗户经过一代又一代的发展，种类样式越来越多，智能窗户[2]将会有更加广阔的市场，给人带来新的体验。适时地开启关闭窗户，所需监管环境安装适当的功能模块，既达到使用需求又节约成本[3]。智能窗户在普通家庭地运用也指日可待。
由于国内技术中西部地区智慧型窗户应用不高，所以在智慧窗户普及率目前还不高[4]。智慧家居日益受到人们的追捧，相信未来将会有更大的智能产品市场。当前我国经济大力发展，老百姓生活水平不断提高，追求舒适化、智能化的享受型生活方式。
1998年，新加坡提出了新加坡模式的家庭智能化系统。而一些发达的西方国家地区以及美国和日本的智能窗户行业在得到政策的扶持下更是穩步发展，许多的窗户产品也趋向于自动化。相比国内他们的产品功能更为齐全，适用领域也更广泛，在国外智能窗在家庭的使用率也较高[5-6]。此次设计的为多功能智能化窗户也是一钟智能化思路，将会给人们带来一些便利。
1 多功能智能化窗户总体方案设计
1.1 总体方案
由于平开式窗户在人们日常生活中显而易见，该文针对平开式窗户进行设计。主要组成部分包括51内核8位单片机、雨滴传感器、温度传感器、烟雾传感器、驱动模块、微型电机、同步带、带轮等。
如图1所示，通过同步带传动机构与直线导轨机构带动窗户左右平动实现窗户开闭。使用同步带能够充分地缓冲传动的冲击，且传力效果也比较好，其价格便宜、维护方便。同步带传动由张紧在两轮上的环形带和主从动轮组成。同步带采用细钢丝绳作强力层，外面包覆氯丁橡胶。同步带传动的特点是：钢丝绳制成的强力层受载后变形极小，齿形带的周节基本不变，传动比恒定、准确，齿形带薄且轻，可用于速度较高的场合。考虑安装环境、空间，选用微型电机，可以检测高低平电信号并且计算来控制正反转。更为主要的是其占用空间较少，对小户型房屋也适用。使用的51内核8位单片机价格低廉、能耗低、实际应用能力强;能实现数据采集，并且实现便利的远程网络监管。 1.2 工作流程
图2为工作流程图，由传感器、单片机、驱动模块、电机等构成，由不同的传感器把信号发送给单片机从而控制电机转动，从而实现窗户闭合，具体如下。
（1）当下雨时，雨滴掉落在窗户上，雨滴传感器感应后发出低平信号。单片机做出反应发射反转电流到驱动装置。传送带连着正反限位单片和玻璃边框，从而控制窗户自动关闭。当停止下雨后，感应器会发出高平信号。单片机从而做出反应发射正转电流到驱动装置。驱动装置连接着传送带，传送带连着正反限位单片和玻璃边框，从而控制窗户自动关闭。
（2）窗户上的温度传感器感应到室内外温度相同时，感受器发出高平信号，单片机从而做出反应，发射正转电流到驱动装置。驱动装置连接着传送带，传送带连着正反限位单片和玻璃边框，从而控制窗户自动关闭。窗户上的温度传感器感应到室内外温度不同时。感受器发出低平信号，单片机从而做出反应发射反转电流到驱动装置。驱动装置连接着传送带，传送带连着正反限位单片和玻璃边框，从而控制窗户自动打开。
（3）烟雾传感器感受到室内有烟时，发出低平信号。单片机从而做出反应，发射反转电流到驱动装置，驱动装置连接着传送带，传送带连接着正反限位单片和玻璃边框。从而控制窗户自动打开。
（4）自动取消功能，能够进行手动的开窗和关窗，它可以根据优先级的选择来进行选择。例如：当温度相同时，外面又下了很大的雨后，窗户就会自动选择关闭，因为下雨的优先级大于温度。一切优先级，根据自己的需求而定，也可以取消。当内侧烟雾浓度达到一定范围时，窗户会自动打开;当室内外俩侧温度存在温度差时（2 ℃左右），窗户可以自动打开可以通过手动调节按钮自动开启或者关闭且优先级最高，其余的功能执行原则为先感应先执行。
1.3 主要结构参数分析
设计的窗户尺寸为整体长680 cm，宽度75 cm，高650 cm。每扇窗户的质量m估算在8.5 kg左右，加上全部装置后估算为G=mg=10×10=100N。
传动部分为同步带传动，将带的工作面制成齿形，带轮表面也做成相应的齿形，传动方式主要为带与带轮的啮合。带的基本参数是周节p和模数m，周节p等于相邻两齿对应点间沿节线量得的尺寸，测得p=12.22 mm，模数m=3。
电动机上面存在一个小带轮，而带轮与同步带啮合，同步带与一面窗户边缘有着铁片固定，同步带的移动可以拉着窗户开始运动。
分析此摩擦方式为滑动摩擦，摩擦系数f=0.4，在电动机上施加的力约为：F牵=Ff，G=0.4×100（N）。力矩约为：T=F×r1=40×0.01=0.4（Nm），其中，r1为带轮半径。估计Vmax=0.07（m/s），电动机输出轴至齿轮的总效率为：ηa=η1×η23×η3（式中η1、η2、η3分别为联轴器、轴6承和齿轮的传动效率。）取η1=0.98，η2=0.97，η3=0.97。则η=0.98×0.973×0.97=0.868。电动机所需输入功率：Pd=fv/1000η=2.09（W）。电机额定输出功率估算P=Tw=4.8×0.1/0.067=7.16（W），电动机每天使用24h左右，查表[12]得到工作情况系数KA=1.7，则计算功率为Pca=KAP=12.17（W）。
2 结语
智能化是未来生活的主旋律，该研究只是一个其中的一小部分，是针对生活中十分常见的窗户，一般的窗户都可以安装使用，且安装过程十分简单便利，简单动手就可安装完成。通过雨水、温度、烟雾可以自动控制窗户的开启或关闭是该设计最核心的部分，并且该智能窗使用的零部件耐用、维护性能高、价格实惠，广大消费者都能接受。其自主操作管理的功能，可以为人们提供一个简单舒适的居家环境，并且安全可靠、省心省力。
参考文献
[1] 李渊渊，赵婧，李浩，等.基于单片机的智能窗户控制系统的设计[J].建材与装饰，2020（1）：134-135.
[2] 吴哲，刘星雨，黄建行，等.基于多传感器融合的智能窗设计与实现[J].电工技术，2019（12）：19-21.
[3] 周超，程学斌，张恒，等.面向多场景的智能窗户控制器设计[J].电气应用，2019，38（S1）：95-101.
[4] 廖建宁，袁粼，唐浩权，等.多传感器融合技术的智能窗居系统设计[J].数字技术与应用，2019，37（4）：165-166.
[5] 郭建华，邵悅，胡清明.新型人字齿同步带与带轮结构参数的优化的设计[J].机械传动，2018，42（12）：54-58.
[6] 黎晗.促进代际融合的城市集合住居空间环境优化设计研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.
关键词：智能 节能 窗户 传感器 家具
中图分类号：TU228 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）07（b）-0034-03
Research on the Application of Multifunctional Intelligent Windows
YU Yuanyang SU Sichao* ZENG Bin PU Zhiqiang
（College of mechanical Engineering， Hunan University of Arts and Sciences， Changde， Hunan Province， 415000 China）
Absrtact： In order to pursue a more convenient life， intelligent products have become an indispensable part of people's life. In view of various windows in life， this paper designs a window that can detect air humidity， indoor and outdoor temperature and smoke， and can automatically open and close the intelligent window. The work has been successfully completed through the steps of single chip microcomputer programming and CAD drawing， and finally factory processing and manual assembly. In the future， we will study its development trend in the market through small-scale production and delivery. It also realizes the function of independently monitoring the external environment and opening and closing windows， improves the indoor user living environment， and the function is more convenient.
Key Words： Intelligence; Energy saving; Window; Sensors; Furniture
随着城市发展日益快速，各种智慧型建筑出现，智能化、多元化、宜居型建筑发展已成趋势，同时建筑家具也朝着智能化、绿色化、便捷化发展[1]。窗户是建筑行业中必不可少的部分，窗户经过一代又一代的发展，种类样式越来越多，智能窗户[2]将会有更加广阔的市场，给人带来新的体验。适时地开启关闭窗户，所需监管环境安装适当的功能模块，既达到使用需求又节约成本[3]。智能窗户在普通家庭地运用也指日可待。
由于国内技术中西部地区智慧型窗户应用不高，所以在智慧窗户普及率目前还不高[4]。智慧家居日益受到人们的追捧，相信未来将会有更大的智能产品市场。当前我国经济大力发展，老百姓生活水平不断提高，追求舒适化、智能化的享受型生活方式。
1998年，新加坡提出了新加坡模式的家庭智能化系统。而一些发达的西方国家地区以及美国和日本的智能窗户行业在得到政策的扶持下更是穩步发展，许多的窗户产品也趋向于自动化。相比国内他们的产品功能更为齐全，适用领域也更广泛，在国外智能窗在家庭的使用率也较高[5-6]。此次设计的为多功能智能化窗户也是一钟智能化思路，将会给人们带来一些便利。
1 多功能智能化窗户总体方案设计
1.1 总体方案
由于平开式窗户在人们日常生活中显而易见，该文针对平开式窗户进行设计。主要组成部分包括51内核8位单片机、雨滴传感器、温度传感器、烟雾传感器、驱动模块、微型电机、同步带、带轮等。
如图1所示，通过同步带传动机构与直线导轨机构带动窗户左右平动实现窗户开闭。使用同步带能够充分地缓冲传动的冲击，且传力效果也比较好，其价格便宜、维护方便。同步带传动由张紧在两轮上的环形带和主从动轮组成。同步带采用细钢丝绳作强力层，外面包覆氯丁橡胶。同步带传动的特点是：钢丝绳制成的强力层受载后变形极小，齿形带的周节基本不变，传动比恒定、准确，齿形带薄且轻，可用于速度较高的场合。考虑安装环境、空间，选用微型电机，可以检测高低平电信号并且计算来控制正反转。更为主要的是其占用空间较少，对小户型房屋也适用。使用的51内核8位单片机价格低廉、能耗低、实际应用能力强;能实现数据采集，并且实现便利的远程网络监管。 1.2 工作流程
图2为工作流程图，由传感器、单片机、驱动模块、电机等构成，由不同的传感器把信号发送给单片机从而控制电机转动，从而实现窗户闭合，具体如下。
（1）当下雨时，雨滴掉落在窗户上，雨滴传感器感应后发出低平信号。单片机做出反应发射反转电流到驱动装置。传送带连着正反限位单片和玻璃边框，从而控制窗户自动关闭。当停止下雨后，感应器会发出高平信号。单片机从而做出反应发射正转电流到驱动装置。驱动装置连接着传送带，传送带连着正反限位单片和玻璃边框，从而控制窗户自动关闭。
（2）窗户上的温度传感器感应到室内外温度相同时，感受器发出高平信号，单片机从而做出反应，发射正转电流到驱动装置。驱动装置连接着传送带，传送带连着正反限位单片和玻璃边框，从而控制窗户自动关闭。窗户上的温度传感器感应到室内外温度不同时。感受器发出低平信号，单片机从而做出反应发射反转电流到驱动装置。驱动装置连接着传送带，传送带连着正反限位单片和玻璃边框，从而控制窗户自动打开。
（3）烟雾传感器感受到室内有烟时，发出低平信号。单片机从而做出反应，发射反转电流到驱动装置，驱动装置连接着传送带，传送带连接着正反限位单片和玻璃边框。从而控制窗户自动打开。
（4）自动取消功能，能够进行手动的开窗和关窗，它可以根据优先级的选择来进行选择。例如：当温度相同时，外面又下了很大的雨后，窗户就会自动选择关闭，因为下雨的优先级大于温度。一切优先级，根据自己的需求而定，也可以取消。当内侧烟雾浓度达到一定范围时，窗户会自动打开;当室内外俩侧温度存在温度差时（2 ℃左右），窗户可以自动打开可以通过手动调节按钮自动开启或者关闭且优先级最高，其余的功能执行原则为先感应先执行。
1.3 主要结构参数分析
设计的窗户尺寸为整体长680 cm，宽度75 cm，高650 cm。每扇窗户的质量m估算在8.5 kg左右，加上全部装置后估算为G=mg=10×10=100N。
传动部分为同步带传动，将带的工作面制成齿形，带轮表面也做成相应的齿形，传动方式主要为带与带轮的啮合。带的基本参数是周节p和模数m，周节p等于相邻两齿对应点间沿节线量得的尺寸，测得p=12.22 mm，模数m=3。
电动机上面存在一个小带轮，而带轮与同步带啮合，同步带与一面窗户边缘有着铁片固定，同步带的移动可以拉着窗户开始运动。
分析此摩擦方式为滑动摩擦，摩擦系数f=0.4，在电动机上施加的力约为：F牵=Ff，G=0.4×100（N）。力矩约为：T=F×r1=40×0.01=0.4（Nm），其中，r1为带轮半径。估计Vmax=0.07（m/s），电动机输出轴至齿轮的总效率为：ηa=η1×η23×η3（式中η1、η2、η3分别为联轴器、轴6承和齿轮的传动效率。）取η1=0.98，η2=0.97，η3=0.97。则η=0.98×0.973×0.97=0.868。电动机所需输入功率：Pd=fv/1000η=2.09（W）。电机额定输出功率估算P=Tw=4.8×0.1/0.067=7.16（W），电动机每天使用24h左右，查表[12]得到工作情况系数KA=1.7，则计算功率为Pca=KAP=12.17（W）。
2 结语
智能化是未来生活的主旋律，该研究只是一个其中的一小部分，是针对生活中十分常见的窗户，一般的窗户都可以安装使用，且安装过程十分简单便利，简单动手就可安装完成。通过雨水、温度、烟雾可以自动控制窗户的开启或关闭是该设计最核心的部分，并且该智能窗使用的零部件耐用、维护性能高、价格实惠，广大消费者都能接受。其自主操作管理的功能，可以为人们提供一个简单舒适的居家环境，并且安全可靠、省心省力。
参考文献
[1] 李渊渊，赵婧，李浩，等.基于单片机的智能窗户控制系统的设计[J].建材与装饰，2020（1）：134-135.
[2] 吴哲，刘星雨，黄建行，等.基于多传感器融合的智能窗设计与实现[J].电工技术，2019（12）：19-21.
[3] 周超，程学斌，张恒，等.面向多场景的智能窗户控制器设计[J].电气应用，2019，38（S1）：95-101.
[4] 廖建宁，袁粼，唐浩权，等.多传感器融合技术的智能窗居系统设计[J].数字技术与应用，2019，37（4）：165-166.
[5] 郭建华，邵悅，胡清明.新型人字齿同步带与带轮结构参数的优化的设计[J].机械传动，2018，42（12）：54-58.
[6] 黎晗.促进代际融合的城市集合住居空间环境优化设计研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.