摘要：针对现有窗户外玻璃清洁困难、智能化程度不高、缺乏对儿童的安全看护等痛点问题，创意设计了一种新型智能窗户系统。选用“探索者”机器人创新组件，完成了机器人示意样机的搭建，样机实现了窗户的自动清洁、双面翻转、智能开闭、环境监测、安全防护等创意设计的具体功能，面向智慧家居，为智能窗户的设计提供了一种新思路。
关键词：智能窗户；自动清洁；安全防护；智慧家居
随着社会的高速发展，人口大量涌入城市，人们生存空间越来越拥挤，城市建筑不断向高处发展，高层建筑是城市发展的必然产物，随之而来的是儿童意外坠楼安全事故频频发生，给家庭带来巨大悲痛，而窗户是最易酿成坠楼事故的高危地带[1]。高层住宅多采用框架式结构，窗户玻璃面积较大，使得家庭日常对窗户的清洁任务较为繁重，同时高层住户清洗窗户也具有较高的危险性，尤其是窗户外部的清洁给住户带来了巨大的挑战。针对高层建筑窗户安全防护的需求以及便于清洁的需求，本文给出了一种新型智能窗户的创意设计，实现了窗户的自动清洁、智能开闭、环境监测、安全防护等功能，解决了高层住户窗户清洁困难和儿童坠楼问题。
1系统总体架构
针对当前高层住户窗户清洁和儿童安全防护的需求，智能窗户系统不仅需要具备智能清洁功能、环境监测功能，还要能够自动监测与保障家中儿童人身安全。对此，智能窗户系统综合考虑高层住户需求，从机械结构和控制系统上进行了针对性设计。系统实物如图1所示，主要由智能清洁机构、窗户自翻转机构、主控板、WIFI模块和多种传感器组成。智能窗户系统利用多种传感器对室内外环境进行实时监测，对采集到的信息进行信号处理与判断，针对不同情况完成窗户的开闭和清洁。系统开始运行后，各传感器采集数据，由控制器进行处理，通过对温湿度信息采集、光强信息采集和人体距离信息采集后有针对性做出不同反应，驱动执行系统运转。数据传输至数据模块后，可通过WIFI模块同步数据至服务器，用户可通过WIFI网络实时浏览系统信息。系统总体架构设计如图2所示。
2系统硬件设计
系统的硬件部分包括传感监测系统、控制系统和执行系统。传感监测系统采用温湿度传感器检测室内外温湿度，光强传感器检测室外光强，超声波传感器检测室内儿童靠近距离。控制系统采用“探索者”创新组件中的Basra控制板配合BigFish扩展板进行控制，由外部电源供电，通过ESP8266WIFI模块进行数据的[2-3]。执行机构主要包括剪式清洁机构、丝杠螺母传送机构、步进电机、舵机等。系统的硬件框架如图3所示。
3系统软件流程
智能窗户系统开始运行后，数据采集系统和数据系统进行初始化，随后，各传感器采集数据，温湿度传感器检测室外环境温湿度，光强传感器检测光线强弱，根据检测结果控制执行机构动作调整窗户开合角度大小，在执行机构运行前，由超声波传感器检测结果判断是否有儿童靠近，若有儿童靠近将减小窗户打开角度或自动关闭窗户，以防止儿童发生坠楼意外。数据采集系统通过控制器和WIFI模块与数据系统进行数据交互。当用户想要查看系统数据和工作状态时，系统可向用户展示当前环境信息。
4系统功能实现
4.1窗户内外翻转、智能开闭功能。该智能窗户系统可以通过一个安装在窗玻璃框底部的大舵机控制其绕中轴线转动，实现窗玻璃内外侧的翻转，这种窗户安装方式便于窗户的清洁与维修，翻转后也不影响室内外空间。该功能的实现机构如图5所示，主要包括大舵机、两个固定转轴机构、窗框、窗玻璃等部件。除了手动开闭外，该系统还可以实现：设置开闭时间自动开闭、基于光强和温湿度检测结果的智能开闭（例如：雨天自动关闭，晴天自动打开等）[4]。窗户的自动开闭由程序设定控制，通过舵机的旋转实现。在关闭状态下，主控板控制舵机带动转轴和窗框向舵机可旋方向旋转90°，则窗户开启；在开启状态下，主控板控制舵机带动转轴和窗框顺时针或逆时针旋转90°，窗户均可关闭。测试时，用手电筒照射模拟太阳光照射，当手电筒由约1.5米处向光强传感器逐渐接近照射时，可以得到光强传感器测得的光强数值在0-1024之间；用喷雾模拟空气湿度增大的情况，喷雾前后温湿度传感器测得的湿度数值在0-100之间。实验设定，在白天，当测得湿度小于60%且光强大于500时判定为晴天，控制窗户处于开启状态，否则判定为雨天，控制窗户处于关闭状态；在夜晚，当测得湿度大于80%时即判定为雨天，控制窗户处于关闭状态；为保证室内温暖，当测得温度小于20℃时，控制窗户关闭；在未有成人监护时，可设定当检测到有小孩靠近时，控制窗户关闭。
4.2窗玻璃自动清洁功能。该智能窗户系统上装有一种智能化窗玻璃清洗设备，可由人工操控或全自动进行清洁，亦可设置定时清洁。该功能解决了窗户外玻璃难以清洁的难题，且可免于人工手持清洁设备清洗窗户。该功能的实现机构如图6所示，主要包括剪式清洁机构、丝杠螺母传送机构、步进电机、触碰传感器、清洁头等。该清洁机构的各个功能模块相互配合，实现窗玻璃的自动清洁。在主控板的控制下，步进电机带动丝杠转动，进而转化为剪式清洁机构平台的横向移动，与此同时，通过控制舵机的转动带动剪式机构的伸缩，实现清洁头的竖直移动，清洁头在两个方向移动的结合便可完成对整面窗玻璃的清洁。此外，触碰传感器起到限位作用，便于设定清洁起始点和平台横向移动范围。
4.3环境监测功能。该智能窗户系统装有“探索者”创新组件的温湿度传感器、光强传感器模块，如图7所示。借助这些传感器，可以对室内外温湿度、光照强度等环境信息进行监测：传感器将测得的温湿度、光强等环境信息转换为电信号，传递至主控板进行处理和判断，由主控板发出控制信号控制窗户的开闭并将温湿度和光强等环境数据传递至WIFI模块至预设网页中。
4.4安全防护功能。该智能窗户系统装有“探索者”创新组件的超声测距传感器模块，如图8所示。有小孩靠近时，超声测距传感器检测到距离信息，当距离小于设定安全距离时，主控板发出控制信号减小窗户打开角度或关闭窗户，且将窗户锁定。所选用的HC-SR04超声波测距模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。其工作原理如下：采用IO口TRIG触发测距，给最少10us的高电平信呈；模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是波从发射到返回的时间，则测试距离=(高电平时间×声速(340m/s))/2。当测得小孩距离窗户小于100cm时，发送关闭信号至主控板，控制窗户缓缓关闭。
4.5WIFI与手机查看功能。本文使用了“探索者”创新组件的Basra主控板和Bigfish扩展板，Basra是一款基于Arduino开源方案设计的一款开发板。Arduino在设计之初只有一对串口，最后分为两路，一路连接排针，另一路连接atmega芯片，这对串口称为硬串口，主要用于Arduino与其他设备的通信。在烧录程序的时候，经过主机编译的程序会通过atmega芯片烧录到Arduino的板载Flash上。而在程序运行时，Arduino可以通过该串口将数据发送至主机，实现Arduino与主机的通信，便于调试程序。因此通常情况下Arduino板载的硬串口会被主机占用，从而阻塞与其他终端的通信。为解决串口占用问题，实现Arduino与ESP8266-WIFI模块通信，本文使用了虚拟串口，即软串口。该智能窗户系统通过软串口通信的方式将检测到的周边环境参数传输到ESP8266WIFI模块中，进一步通过WIFI模块的AP本地服务器模式将采集到的数据到网上，用户只需访问网页即可获取当前环境参数。此外，考虑到系统节能要求，因此对用户行为进行监听，仅当用户访问网页时WIFI模块才会请求传感器数据，从而达到在不降低功能的前提下减少能耗，显示网页如图9所示。
5结论
文中创意设计综合考虑了高层住户窗户清洁难和儿童安全防护等痛点问题，为解决高层住户需求提供了一种解决方案，实现了无人操作时不同环境条件下的智能化开关窗；180°内外翻转式窗户设计，解决了窗户清洁和维护不便的问题；融入物联网技术，实现了对实时信息的掌控。选用“探索者”机器人创新组件，采用模块化设计理念，完成了机器人示意样机的搭建，样机实现了创意设计的具体功能，本创意设计获得了“第三届中国高校智能机器人创意大赛”二等奖。在此基础上可进一步将设计方案完善并实体化，使其结合智能家居进行拓展，发挥更多作用。
作者:赖启平 黄宝娟 王仕鸿 彭振华 单位:西安交通大学实践教学中心
