韩超 王济生 商国旭 王勋
赤峰学院物理与智能制造工程学院 内蒙古赤峰市 024000
摘要：信息技术高速发展的今天，智能家居的概念对我们来说已经不再陌生。在万物联网的技术趋势下，利用物联网技术的智能窗户也应运而生。本文主要阐述了基于物联网的智能窗户系统设计思想和实现思路。
关键词：物联网；智能家居；智能窗户系统；
随着经济的快速发展，人们对生活质量的要求也越来越高，更加注重居住环境的安全、便利、舒适性。智能窗户不仅可以让用户通过智能手机远程控制窗户的开关，还可以根据天气和房屋内的空气质量自主开关，并且在受到威胁时及时报警，保护房屋的安全，同时实时地将信息通过app推送给用户。
一、研究背景及基础
窗户是房屋的重要组成部分，承担了装饰、采光、通风等功能，但是传统的窗户经常因为人们的疏忽或者自身设计的缺陷造成种种麻烦。如：由于需要手动开关，在我们的生活中经常出现人离开家但是忘记关窗户的情况，或者天气突然变化但是人无法及时赶到，造成雨水等通过未关的窗户进入室内，可能导致电器进水短路等麻烦。更严重的是，对于有孩子的家庭，如果让孩子自己在家却忘记关窗户，可能给孩子带来危险，与之相关的新闻屡见不鲜。在这种背景下，对于智能窗户系统的需求就显现出来。
物联网技术是将各种物体与网络相连，通过某种特定的传输协议，实现物体与网络的信息交换的技术。物联网技术将互联网进一步延伸，现在几乎所有物体都可以通过物联网变成一个互联网终端，这给我们的生活带来了很多种新的可能。通过网络的连接，我们可以在远距离与物品实现信息传输，不仅能感知它的种类、位置、状态，还能控制它移动或改变形状、状态。将这种技术应用在窗户的设计上，就能在任何有网络连接的地方获取窗户的状态，并且根据需要远程开关窗户，可以防止忘记关窗造成的经济损失和安全隐患，也可以在离开家时打开窗户给室内通风，并在需要的时候及时关闭窗户，这一切都可以在APP上完成。
二、智能窗户系统总体结构
智能窗户系统的核心是窗户的开关，这需要通过机械的传动来实现，根据窗户的开关方式不同（平移式或转动式）需要选择不同的传动方式。电机接入物联网平台，受到网络控制，同时各种传感器也被连接到物联网平台上，以便感知环境的变化，这样就可以向用户提供实时的状态，并且根据不同的环境自动控制窗户的开关。物联网平台也会与小程序连接，将分析传感器得到的数据提供给用户，并且接收用户对窗户的控制命令，如包括开、关的幅度等。
三、智能窗户系统设计方案
物联网的公认基本结构有三个，即感知层、网络层和应用程序层。基于物联网的智能窗户系统在这三个层次上也有不同的设计，其中网络层将使用第三方的物联网平台。并且，由于要对窗户进行开关操作，还需要物理层面机械结构的设计。
（一）机械结构的设计
对于智能窗户系统，最基本的功能模块就是控制窗户开关的机械结构，这是实现智能窗户功能的基础。在本系统中将根据窗户开关方式的不同而有所改变。对于平移式的窗户，电机将与可移动的窗户相连，通过齿轮和轮条传动，实现电机和窗框的同步驱动，通过平移改变窗户打开的宽度。
在固定的窗框部分需要实现窗户的锁定，并且能让窗户平稳顺滑地移动，因此需要安装可电力控制的锁和与窗户滚轮配套的滑槽，以便窗户在移动时不产生太大的阻力，也能有效降低噪音。对于转动式的窗户则需要不同的传动方式，通过改变窗户打开的角度实现对窗户的控制。在固定的窗框部分同样需要实现锁定窗户的功能，可以使用电磁式的锁定方式，但要注意保证停电时也能有电力供应，以防出现停电而窗户无法锁定的情况。如果使用机械锁定，就需要将锁安装在窗户可移动的部分，与窗框部分配合实现锁定的功能。电机安装的位置也有所不同，对于平移式的窗户，由于需要移动，可以将电机安装在窗户的卡座上，这样窗户和电机可以同步移动，以此来带动窗户开关。[1]而对于转动式的窗户，由于窗户的转动是相对于固定的轴，电机可以安装在轴上，当然要避开可能阻挡窗户转动的位置，并且最好安装在室内侧，以防雨水等原因的破坏使电机无法正常工作。另外出于安全考虑，还设置了报警装置。
（二）传感器
感知层用于感知环境的变化，为了实现不同的功能，需要不同种类的传感器。
雨水感应式传感器：正如我们日常生活中经常遇到的情况，当天气突然变化，我们希望能够及时关上窗户，以防止雨水从窗户进入，这样不仅会带来清理上的麻烦，还可能造成电器进水引发短路，损伤电器还增加了火灾隐患。雨水感应式传感器负责检测窗外是否出现了降雨，检测结果通过两种不同的输出（低电平和高电平）来标志，并将结果传输给物联网平台。[2]
烟尘传感器：窗户最重要的功能之一就是通风，当室内灰尘、油烟等浓度过高，并且室外的空气质量达标时，智能窗户系统将自动打开窗户通风；当室外空气质量不达标时会自动关闭窗户，以保证室内空气不受污染。为了实现对室内空气的监测，就需要烟尘传感器。烟尘传感器利用了光的散射原理，一束平行光进入测试区域，在另一侧检测接收到的光强。由于烟尘浓度越高，散射造成的光强降低就越明显，以此来计算空气中烟尘的浓度，当检测到的光强低于设置的标准，即烟尘浓度过高时，物联网平台就能做出反应。
红外人体感应：主要用于安保，当窗外有人处于感应区域时，传感器会将信号发送至物联网平台，将窗户关上锁定并且触动报警装置，保证用户的财产安全。
此外，还可以根据用户的需求添加其它传感器，如检测温度、湿度的温湿度传感器，检测风力的传感器等。
（三）应用程序层
在应用程序层，需要完成与用户的交互，除了基本的开关窗户功能，还会推送当地的实时天气和空气质量，方便用户自主决定窗户的开关。用户可以看到每个窗户目前的开关状态，还将在应用程序中接收到各种传感器的检测结果，如室内的空气质量、室外是否有降雨和可疑人物等。同时，用户可以设置关闭或开启窗户的降水量、空气质量、风力等级等参数，以及窗户开启的大小等。如果安装了温、湿度感应传感器，还会显示室内的温度、湿度并且自动调节窗户状态。用户也可以设置关闭自动控制，让窗户一直保持开启或关闭状态。
四、结语
基于物联网的智能窗户系统不仅给用户的生活带来了更多便利，同时提升了房屋的安全性，对于突发的极端天气也有一定的安防功能。[3]由于其可通过app方便地操作，带来了更好的用户体验，未来将有广阔的发展前景。
参考文献
[1]张人娄,刘治国.人工智能时代基于物联网的智能窗户系统的设计与实现[J].数字技术与应用,2020,38(09):109-110.
[2]李志鹏,伍颖昌,叶昊宸,田艳红,崔有为.基于网络的家庭智能窗户[J].科学技术创新,2020(30):181-182.
[3]杨锦辉,王开心,黄艾璇,罗强.基于物联网的智能窗户系统设计实现[J].物联网技术,2020,10(04):76-79.