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摘要：針對現有窗戶外玻璃清潔困難、智能化程度不高、缺乏對兒童的安全看護等痛點問題，創意設計了一種新型智能窗戶系統。選用“探索者”機器人創新組件，完成了機器人示意樣機的搭建，樣機實現了窗戶的自動清潔、雙面翻轉、智能開閉、環境監測、安全防護等創意設計的具體功能，面向智慧家居，為智能窗戶的設計提供了一種新思路。
關鍵詞：智能窗戶；自動清潔；安全防護；智慧家居
隨著社會的高速發展，人口大量涌入城市，人們生存空間越來越擁擠，城市建筑不斷向高處發展，高層建筑是城市發展的必然產物，隨之而來的是兒童意外墜樓安全事故頻頻發生，給家庭帶來巨大悲痛，而窗戶是最易釀成墜樓事故的高危地帶[1]。高層住宅多采用框架式結構，窗戶玻璃面積較大，使得家庭日常對窗戶的清潔任務較為繁重，同時高層住戶清洗窗戶也具有較高的危險性，尤其是窗戶外部的清潔給住戶帶來了巨大的挑戰。針對高層建筑窗戶安全防護的需求以及便于清潔的需求，本文給出了一種新型智能窗戶的創意設計，實現了窗戶的自動清潔、智能開閉、環境監測、安全防護等功能，解決了高層住戶窗戶清潔困難和兒童墜樓問題。
1系統總體架構
針對當前高層住戶窗戶清潔和兒童安全防護的需求，智能窗戶系統不僅需要具備智能清潔功能、環境監測功能，還要能夠自動監測與保障家中兒童人身安全。對此，智能窗戶系統綜合考慮高層住戶需求，從機械結構和控制系統上進行了針對性設計。系統實物如圖1所示，主要由智能清潔機構、窗戶自翻轉機構、主控板、WIFI模塊和多種傳感器組成。智能窗戶系統利用多種傳感器對室內外環境進行實時監測，對采集到的信息進行信號處理與判斷，針對不同情況完成窗戶的開閉和清潔。系統開始運行后，各傳感器采集數據，由控制器進行處理，通過對溫濕度信息采集、光強信息采集和人體距離信息采集后有針對性做出不同反應，驅動執行系統運轉。數據傳輸至數據模塊后，可通過WIFI模塊同步數據至服務器，用戶可通過WIFI網絡實時瀏覽系統信息。系統總體架構設計如圖2所示。
2系統硬件設計
系統的硬件部分包括傳感監測系統、控制系統和執行系統。傳感監測系統采用溫濕度傳感器檢測室內外溫濕度，光強傳感器檢測室外光強，超聲波傳感器檢測室內兒童靠近距離?？刂葡到y采用“探索者”創新組件中的Basra控制板配合BigFish擴展板進行控制，由外部電源供電，通過ESP8266WIFI模塊進行數據的[2-3]。執行機構主要包括剪式清潔機構、絲杠螺母傳送機構、步進電機、舵機等。系統的硬件框架如圖3所示。
3系統軟件流程
智能窗戶系統開始運行后，數據采集系統和數據系統進行初始化，隨后，各傳感器采集數據，溫濕度傳感器檢測室外環境溫濕度，光強傳感器檢測光線強弱，根據檢測結果控制執行機構動作調整窗戶開合角度大小，在執行機構運行前，由超聲波傳感器檢測結果判斷是否有兒童靠近，若有兒童靠近將減小窗戶打開角度或自動關閉窗戶，以防止兒童發生墜樓意外。數據采集系統通過控制器和WIFI模塊與數據系統進行數據交互。當用戶想要查看系統數據和工作狀態時，系統可向用戶展示當前環境信息。
4系統功能實現
4.1窗戶內外翻轉、智能開閉功能。該智能窗戶系統可以通過一個安裝在窗玻璃框底部的大舵機控制其繞中軸線轉動，實現窗玻璃內外側的翻轉，這種窗戶安裝方式便于窗戶的清潔與維修，翻轉后也不影響室內外空間。該功能的實現機構如圖5所示，主要包括大舵機、兩個固定轉軸機構、窗框、窗玻璃等部件。除了手動開閉外，該系統還可以實現：設置開閉時間自動開閉、基于光強和溫濕度檢測結果的智能開閉（例如：雨天自動關閉，晴天自動打開等）[4]。窗戶的自動開閉由程序設定控制，通過舵機的旋轉實現。在關閉狀態下，主控板控制舵機帶動轉軸和窗框向舵機可旋方向旋轉90°，則窗戶開啟；在開啟狀態下，主控板控制舵機帶動轉軸和窗框順時針或逆時針旋轉90°，窗戶均可關閉。測試時，用手電筒照射模擬太陽光照射，當手電筒由約1.5米處向光強傳感器逐漸接近照射時，可以得到光強傳感器測得的光強數值在0-1024之間；用噴霧模擬空氣濕度增大的情況，噴霧前后溫濕度傳感器測得的濕度數值在0-100之間。實驗設定，在白天，當測得濕度小于60%且光強大于500時判定為晴天，控制窗戶處于開啟狀態，否則判定為雨天，控制窗戶處于關閉狀態；在夜晚，當測得濕度大于80%時即判定為雨天，控制窗戶處于關閉狀態；為保證室內溫暖，當測得溫度小于20℃時，控制窗戶關閉；在未有成人監護時，可設定當檢測到有小孩靠近時，控制窗戶關閉。
4.2窗玻璃自動清潔功能。該智能窗戶系統上裝有一種智能化窗玻璃清洗設備，可由人工操控或全自動進行清潔，亦可設置定時清潔。該功能解決了窗戶外玻璃難以清潔的難題，且可免于人工手持清潔設備清洗窗戶。該功能的實現機構如圖6所示，主要包括剪式清潔機構、絲杠螺母傳送機構、步進電機、觸碰傳感器、清潔頭等。該清潔機構的各個功能模塊相互配合，實現窗玻璃的自動清潔。在主控板的控制下，步進電機帶動絲杠轉動，進而轉化為剪式清潔機構平臺的橫向移動，與此同時，通過控制舵機的轉動帶動剪式機構的伸縮，實現清潔頭的豎直移動，清潔頭在兩個方向移動的結合便可完成對整面窗玻璃的清潔。此外，觸碰傳感器起到限位作用，便于設定清潔起始點和平臺橫向移動范圍。
4.3環境監測功能。該智能窗戶系統裝有“探索者”創新組件的溫濕度傳感器、光強傳感器模塊，如圖7所示。借助這些傳感器，可以對室內外溫濕度、光照強度等環境信息進行監測：傳感器將測得的溫濕度、光強等環境信息轉換為電信號，傳遞至主控板進行處理和判斷，由主控板發出控制信號控制窗戶的開閉并將溫濕度和光強等環境數據傳遞至WIFI模塊至預設網頁中。
4.4安全防護功能。該智能窗戶系統裝有“探索者”創新組件的超聲測距傳感器模塊，如圖8所示。有小孩靠近時，超聲測距傳感器檢測到距離信息，當距離小于設定安全距離時，主控板發出控制信號減小窗戶打開角度或關閉窗戶，且將窗戶鎖定。所選用的HC-SR04超聲波測距模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。其工作原理如下：采用IO口TRIG觸發測距，給最少10us的高電平信呈；模塊自動發送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是波從發射到返回的時間，則測試距離=(高電平時間×聲速(340m/s))/2。當測得小孩距離窗戶小于100cm時，發送關閉信號至主控板，控制窗戶緩緩關閉。
4.5WIFI與手機查看功能。本文使用了“探索者”創新組件的Basra主控板和Bigfish擴展板，Basra是一款基于Arduino開源方案設計的一款開發板。Arduino在設計之初只有一對串口，最后分為兩路，一路連接排針，另一路連接atmega芯片，這對串口稱為硬串口，主要用于Arduino與其他設備的通信。在燒錄程序的時候，經過主機編譯的程序會通過atmega芯片燒錄到Arduino的板載Flash上。而在程序運行時，Arduino可以通過該串口將數據發送至主機，實現Arduino與主機的通信，便于調試程序。因此通常情況下Arduino板載的硬串口會被主機占用，從而阻塞與其他終端的通信。為解決串口占用問題，實現Arduino與ESP8266-WIFI模塊通信，本文使用了虛擬串口，即軟串口。該智能窗戶系統通過軟串口通信的方式將檢測到的周邊環境參數傳輸到ESP8266WIFI模塊中，進一步通過WIFI模塊的AP本地服務器模式將采集到的數據到網上，用戶只需訪問網頁即可獲取當前環境參數。此外，考慮到系統節能要求，因此對用戶行為進行監聽，僅當用戶訪問網頁時WIFI模塊才會請求傳感器數據，從而達到在不降低功能的前提下減少能耗，顯示網頁如圖9所示。
5結論
文中創意設計綜合考慮了高層住戶窗戶清潔難和兒童安全防護等痛點問題，為解決高層住戶需求提供了一種解決方案，實現了無人操作時不同環境條件下的智能化開關窗；180°內外翻轉式窗戶設計，解決了窗戶清潔和維護不便的問題；融入物聯網技術，實現了對實時信息的掌控。選用“探索者”機器人創新組件，采用模塊化設計理念，完成了機器人示意樣機的搭建，樣機實現了創意設計的具體功能，本創意設計獲得了“第三屆中國高校智能機器人創意大賽”二等獎。在此基礎上可進一步將設計方案完善并實體化，使其結合智能家居進行拓展，發揮更多作用。
作者:賴啟平 黃寶娟 王仕鴻 彭振華 單位:西安交通大學實踐教學中心
