潘立言，李奕凡，潘 涵，杨景尧，任泰安，郑红梅

（1.合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 本科生院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

随着物联网产业的发展，智能家居产品逐渐步入普通家庭。针对家居环境中的窗户，人们已经进行了许多智能化改造，如针对屋内采光、透气、欣赏风景等方面都有相应的改造。但多数类智能窗产品功能单一、成本高昂、物联智能程度较低。例如只有电动开关功能，且仍然以人为控制为主，产品过于独立，缺乏数据互通。针对以上问题，本文提出了一种基于物联网的智能家用窗户。该产品以普通窗户作为载体，通过单片机与各类传感器模块搭建起物联局域网，同时将互联网中采集的环境信息与室内环境参数进行互通，进而控制驱动电机、变色玻璃等其他硬件设备，达成智能分析、智能语音、智能开关、智能控光、安全安防等功能。

1 系统总体设计

智能窗户总体由硬件系统和软件系统组成，系统框图如图1所示。硬件系统包含同步带机构开关窗机构、电致变色调光玻璃、棘轮安全锁和隐形纱窗；软件系统包括主控制系统、传感器模块、语音交互模块和LCD显示模块。基于硬件系统和软件系统实现了智能分析、智能语音、智能开关、智能控光、安全安防等功能。

图1 智能窗组成框架

智能分析功能模块采用STM32单片机，采集室内外的环境参数，并与实时的天气数据相比对，达到一定指标后对窗户采取相应的动作。

智能语音功能模块识别人的声纹数据，并进行简单的命令判断。命令传输到控制系统执行相应的操作。

智能开关功能结合同步带线驱机构和智能分析模块，机构以绕线轴、绕线钩、滑轮组和同步带为主要结构，可实现窗户的水平移动。

智能调光功能模块运用电致变色膜，并结合智能分析功能调节膜内的电压，实现玻璃透光率的调节。

安全安防功能是以棘轮-齿条为主要结构的锁具，使用时按动楔形滑块释放棘爪，棘爪与棘轮相啮合，限定了齿轮齿条的传动，从而实现定位锁定功能。

2 功能模块设计

2.1 控制系统及智能分析模块

本系统使用STM32F103ZET6单片机为核心，由主控模块、驱动电路、传感器模块、通信模块和显示模块等构成。控制系统电路结构如图2所示。

图2 控制系统电路

2.1.1 主控模块

控制系统主控芯片选用STM32F103ZET6，是基于Cortex-M3的ARM芯片，支持5个USART通信，通过USART与其他外部设备通信，形成单片机与单片机、单片机与外设、单片机与上位PC之间的多串口通信数据共享网络系统。利用PM、光照强度、湿度、温度等各种传感器收集环境信息，依据实验所得的数据节点，通过单片机处理数据，并控制步进电机或电致变色玻璃做出动作。

2.1.2 传感器模块

传感器包括PM传感器、光照强度传感器和温湿度传感器。PM传感器选用D7激光颗粒物检测传感器，内置微处理器通过串口将数据帧发送给主控芯片。

光照强度检测和温湿度检测使用GY-39传感器模块，模块内置MCU收集板载传感器数据，经过统一处理，直接得出数据。将该模块设置为串口协议模式，主控通过串口接收数据帧获得该时刻的光照强度、温湿度数据，并将前9次数据一起做平均处理，以减小数据跳变产生的影响。

2.1.3 WiFi模块

采用ESP8266芯片，其引脚简洁，且TCP、UDP协议稳定性好、延时短。单片机只需要通过USART通信就能与ESP8266进行数据交换，通过WiFi上传数据和下载命令数据，从而进行整个系统的联动操作。本设计将ESP-01S作为客户端向免费API接口服务器发送天气数据请求，通过解析收到的响应数据获得当日天气情况（温度、湿度、风向、风速等），并发给主控板，然后与室内参数进行对比分析。

2.1.4 蓝牙通信模块

蓝牙模块作为智能窗系统与用户手机连接的接口，用户可通过手机端的蓝牙串口APP控制窗户状态，并根据需求控制窗户开合和玻璃的透明度。主控芯片STM32F103ZET6的串口5接有蓝牙模块，用户手机可通过蓝牙发送控制帧给主控芯片，主控芯片对外设做出相应处理。同时，用户手机端APP或小程序可设有紧急停止按钮，按下后电机关停，处于悬空状态，可处理突发事件。

2.2 智能语音模块

语音部分采用LDV7模块、板载LD3320和麦克风等。板载STC11L08XE单片机通过SPI接口与LD3320芯片相连，处理语音信号，并与设置的关键词相比对；识别用户一级指令关键词，接着用户须说出二级指令关键词（开窗或关窗），STC11L08XE单片机做出逻辑判断，并与主控单片机STM32F1部分引脚相连；识别关键词语音成功后拉低相应I/O口电平，主控单片机STM32F1对相应引脚下降沿信号做出中断处理，驱动电机做出动作。

2.3 智能开关模块

本智能窗的主要运动仍是既定轨道上的水平运动，设计通过同步带线驱机构来实现主要运动功能。如图3所示，线驱机构以鲍登线和同步带为主要结构，鲍登线内部摩擦极小且容易弯折，同步带噪音低且运动行程长，可实现窗户的水平移动，同时不影响人为开关。

图3 线驱模组

线驱模组采用两组独立的线组，实现两扇窗户的自动开合。如图4所示为一组线驱的机械原理示意图，两侧各有一组电机，负责拉动窗户和收线；电机与同步轮相连，同步轮驱动固定在同步带上的鲍登线；鲍登线的另一端穿过窗户的附框，与窗户的一端相连。其中一组线驱运动时，两侧电机同向转动并驱动同步带转动；拉动时，四端的一侧（即两点）受力，可以保证窗户滑轮的受力均匀、运行稳定。

图4 单个线驱模组原理

根据窗户的外型，窗户轨道总长度为1 440 mm，在轨道上窗户从一侧到达另一侧的总行程为670 mm，则同步带的长度关系如下：

式中：为同步轮齿外径，单位为mm；为直线长度，单位为mm；为周长，单位为mm。代入参数得：≈682.3 mm；在传送带的直线部分，距两侧同步轮各有6 mm左右的行进余量。

由电机静力矩参数可知，电机作用在传送带上的力为35.12 N，鲍登线在线管中做近似为无摩擦系数的光滑运动，滑轮在轨道上的动摩擦系数记为0.2。

单扇玻璃窗的玻璃尺寸为505 mm×770 mm×5 mm，普通玻璃的密度为2.5×10kg/m，因此玻璃质量=4.88 kg；通过Solid Works建模软件模拟可得单扇窗户铝型材质量=1.29 kg，则单扇窗户的总质量≈6.17 kg。根据摩擦力的定义可知：=××=12.1 N，则在启动瞬间窗户获得加速度=0.38 m/s。因此在稳定状态时，≈=22.43 mm/s。

结合智能分析模块，单片机通过USART通信与ESP8266进行数据交换，通过WiFi获取室外环境参数，并发给主控板与用户室内参数对比，实现智能开关窗操作。

2.4 智能控光模块

电致变色材料以液晶分子为核心，外加ITO膜与PET保护膜。ITO薄膜是掺杂了锡的导电氧化铟膜，可见光波段的平均穿透率可达到90%，电阻率可以降至10～10Ω·cm，可有效实现节能减排的效果。

本研究通过配套的48 V、40 W电源进行驱动，并结合智能分析模块，通过解析响应数据获得当日天气情况（温度、湿度、风向、风速等），并与室内参数对比，达到阈值后，主控STMF1能够通过电位器调节电压，进行透光性的调整。

2.5 安防模块

通过棘轮锁和齿轮齿条结构实现窗户在任意位置处的锁定。安全锁内嵌于附框，因此高度和宽度分别不超过35 mm和72 mm。安全锁内存在两根轴以实现对窗户的分别控制，两轴轴间中心距为35 mm，轴间设置一对换向齿轮，可使两轴同时工作，也能随时与齿条相啮合。同时锁具框架中可存放润滑油对齿轮齿条机构进行浸油润滑，着重润滑单双齿啮合转换点和换向点，以保证窗户正常开关并降低损耗。

当需要锁定时，推动锁具底部的楔形滑块顶起四枚顶块，顶块克服弹簧拉力，释放棘轮爪卡住与齿轮同轴的棘轮，最终锁死齿轮组，实现窗户的锁定。使用以棘轮棘爪为原理的安全锁机构，可以有效避免人关窗户时受窗户位置限制。双棘轮安全锁如图5所示。

图5 双棘轮安全锁

2.6 其他优化设计

窗户的材料与墙体的材料不同，与外界的能量交换速率也不同。根据国家标准要求，推荐住户家里的居住层高为2.8 m。在该居住环境中，结合智能开关窗控制的自然通风，对室内的温度具有较好的保持作用，可减少建筑物的能源消耗。

配套设计的隐形纱窗套件，以涡卷弹簧为主要结构，与窗户附框上的C字型卡槽紧密贴合，易于拆装、密封性良好，提升观赏体验的同时能有效阻挡蚊虫。

3 软件操作系统设计

控制系统以C语言为编程语言，以STM32为控制中心，结合各类传感器检测数据，通过控制线驱机构实现窗户的自动开启和关闭功能，通过电位器控制电致变色薄膜透明度，并且通过各外部通信与用户进行互动。

程序流程如图6所示，具体步骤如下：

图6 程序流程

（1）上电后，单片机初始化并开始工作，不断对采集的数据进行处理。

（2）首先判断用户是否直接控制窗户状态，即通过蓝牙或语音控制，直接控制时功能页失效。

（3）判断功能页，总共3页，默认第一页，可通过LCD屏下方UI按键翻页，同时LCD屏幕显示相应功能页的信息。

（4）LCD屏幕第一页为智能控制模式，温湿度光照检测模块、PM检测模块等将检测到的信号传入单片机中，作为控制窗户开关、报警的参考数据。通过用户预设和内置算法控制线驱机构上的电机，实现对窗户移动距离和窗户透明度的调整，同时LCD显示各传感器数据。

（5）LCD屏幕第二页通过WiFi模块ESP8266连接API接口获取所在城市天气情况，LCD显示当日天气情况。

（6）在LCD屏幕第三页可触摸UI按键控制窗户开关。

4 性能测试

首先对电路板进行安全检查，观察是否有脱焊、贴反，并对照原理图进行元件数目的检查，用万用电表检测电路中短路和焊锡虚焊问题。安全测试无误后，可对各个模块进行上电测试，见表1所列。

表1 各模块上电测试

然后，检测控制信号传输性能指标，部分数据如下：

（1）STM32F103ZET6最小系统正常工作温度范围为-40～ 85 ℃。

（2）D7数字式颗粒物检测传感器可测试颗粒物的范围为0.3～10 μm，数据一致性可达5%。

（3）GY-39-MAX44009-光强-BME280集成传感器光照度测量范围为0～65535 lx；湿度采集范围为5%～95%，温度采集范围为-20～60 ℃；环境温度为25 ℃时，湿度采集精度是±5%，温度采集精度是±2 ℃；

（4）WiFi模块数据更新频率为5 s，最快为2 s，显示频率为0.2 s。

通过PC机控制WiFi模块连接互联网，读取气象站公开的户外PM、温度、湿度和光照强度等气象数据；通过室内的传感器（温湿度传感器、光照传感器、PM传感器），读取室内气象数据，并通过3.5寸电子显示屏幕显示。同时改变PM、温度、湿度、光照强度等单一气象数据条件和改变多种气象数据，完成并观察智能窗户各功能运行情况，所采集的数据见表2所列。通过对比和分析表2的数据，进一步说明基于智能窗户集成的各测试传感器的灵敏度和准确性较好。

表2 部分传感器采集参数

预先通过PC机设置并烧录前置语音命令，设置灵敏度为100；分别在0.5 m、1 m、3 m、5 m及10 m处，以相同分贝和音色的声音进行语音控制。当读取到前置语音命令“小pan”时，工作指示灯红灯常亮；当读取到操作指令语音时，红灯熄灭，同时运行完成语音命令。实物样机如图7所示。

图7 实物样机

5 结 语

本项目研制的集成型智能家用窗户，在机械结构上使用了同步带传送窗体的机构，并设计了基于棘轮锁定功能的窗体锁具。智能窗的玻璃采用了电致变色技术。通过单片机实时对采集到的环境信息进行比对，做出相应的窗户透光度调节等操作。在软件上基于STM32单片机和传感器，完成了对机械结构的控制和室内外环境参数的采集。然而，现阶段的研究仍存在智能化程度较低、以程序控制为核心、对于房屋整体环境监测和调控能力较弱的问题。未来发展将包含云服务器搭建、算法优化、机器学习、多窗户串联、智能家居物联平台接入等，以实现真正意义上的智能。