研究方向：工程学
二〇二二年一月
目录
摘要……………………………………………………………………………………3
一、绪论………………………………………………………………………………4
研究背景……………………………………………………………………4
研究目的及意义……………………………………………………………4
二、研究内容及方法…………………………………………………………………6
街头采访……………………………………………………………………6
文献调研……………………………………………………………………6
设计原理……………………………………………………………………7
样机展示………………………………………………………………… 13
三、研究结果与讨论…………………………………………………………………14
结果分析………………………………………………………………… 14
总结讨论………………………………………………………………… 14
四、展望………………………………………………………………………………15
参考文献……………………………………………………………………………16
附录…………………………………………………………………………………17
本课题设计的一种智能电动窗户控制装置，主要由驱动模块，固定模块，环境检测模块组成，采用了推杆电机连接真空吸盘，以固定玻璃。采用单刀双掷开关与定时开关，具有全自动、半自动、手动三种模式以供选择。利用雨滴传感器、光敏传感器、温度传感器、湿度传感器对外部环境进行监测，并实时显示温湿度数据。各传感器接收到的数据会上传至Arduino UNO开发板，根据预设值进行比对，并且发出指令控制推杆电机的伸缩。当检测到环境处于阴雨天或夜晚时，电机会自动伸出关窗；当检测到天气良好时，又会自动收缩进行开窗通风，从而实现了在无人的情况下也能自动化控制。该装置具有自控性能高，适应性强，操作便捷等优点。极大便利了人们的生活，改善人们的生活质量，顺应现代化发展潮流，具有较好的市场应用前景。本装置也可根据需要设置成手动控制，或半自动控制（定时控制），定时控制的场景如根据上下班时间控制办公室窗户的开关。
关键词：智能电动窗户；智能家居；生活质量；Arduino技术；多传感器
一、绪论
（一）研究背景
随着居民生活水平的不断提高，家庭消费能力的持续增强，人们对于生活品质尤其是身心健康，生活便捷程度的要求也随之提高，这种趋势带动了整个家居智能化行业的发展 [1]。核心目的正是为了给用户打造一个更舒适，更为人性化的家居环境 [2-4]。对于需要通风的室内环境，每当空气清新、环境适宜时，人们总会打开窗户通风换气，可一个问题也应运而生：传统的窗户并没有融入电子技术，不具备智能化功能，因此当遇到突发的恶劣天气时，会给人们的生活带来很大的不便。尽管现在部分住户加装了防雨顶棚，但因其为三面敞开式，仍无法制止雨水飘入。突如其来的暴雨可能会穿过敞开的窗户，滴入屋内，轻则使屋内物品设备淋湿，重则造成经济损失甚至是安全隐患。即使住户加装了固定式顶棚，也会大幅度影响采光面积，带来许多不便，也影响了人们的生活质量。目前，智能化窗户行业属于新兴产业，行业标准仍然没有完全统一。市面上也有许多自动窗，可其中却仍有些不足之处：影响窗户的正常使用；安装流程复杂；大幅度遮挡视线；成本过高；自动化程度不够高等问题 [5]。
针对上述缺点，设计出安装方便，多功能，成本低，占据空间小，灵活性强的自动窗户控制系统，同时又能智能感知外界环境因素的变化，做出相应的应对策略，这种装置的构建显得尤为迫切。
（二）研究目的与意义
随着社会信息化，智能化的加快，其在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的家居用品设计理念提出了挑战，社会、技术以及经济的进步更使人们的享受观念随之巨变。人们对家居的要求早已不只是基础功能，更多的是智能化。本课题构建的智能电动窗户控制装置根据多种环境监测数据综合输出信号，保证了室内环境的舒适，为家居生活提供便利，改善人们的生活质量，尽可能的从人的角度出发，满足人的需求，充分体现了“以人为本”的设计理念。因此，这是一项非常实用的家用装置，有十分重要的现实意义和广阔的应用前景。同时，为市场与商家提供了一个发展方向，可以更多的研究专注于构建智能电动窗户，跟随时代潮流，设计出更多物美价廉，智能化和自动化的智能窗。借此，使人们生活水平不断提高，为人们的生活带来便捷，节约了人们的时间成本。
二、研究内容及方法
（一）街头采访
目前大多数人们每天都是忙于工作，白天的时间几乎都不在家中。如今，室内通风已经成为人们健康生活的习惯。但当遇到下雨天时，一旦室内没有及时关窗，就会带来诸多的不便。针对这个问题，本课题前期通过街头采访的调研方式进行考察，调研结果发现，大多数的居民在使用传统窗户的过程中，都经历过由于天气突变却遗忘关窗的情况，从而室内物品及设施都被淋湿，这些无疑大大增加了人们的生活负担且浪费了人们的精力。采访中，部分市民反映，对现智能窗市场有一定了解，但由于尺寸不适配，价格高昂等问题没有购买使用。因此，他们更希望有进一步优化的智能窗产品的开发。
特别像上海这样的多雨天气，更是给大多上班族与学生带来很多困扰。调研中总结发现更多的市民反映期待市场可以出现更多的装置自动化，且设备简单易安装的智能窗，同时可以感知环境的变化，进行自动控制调整，控制开合窗。基于此，为了满足人们的需求，更大的便利人们的生活，本课题《基于Arduino的智能电动窗户控制装置》的设计理念由此而生。
（二）文献调研
基于以上街头采访市民调研结果需求，产生了本研究设计一款智能电动窗户控制装置的理念，本研究进一步通过查阅相关文献进行阅读总结。在李渊渊等人的文章《基于单片机的智能窗户控制系统的设计》中 [6]，根据单片机技术和现代传感器技术，针对基于单片机的智能窗户控制系统的设计进行探讨，对智能窗的形式进行了新的探索和改进，以STC89C52 单片机作为主体对交互式的智能窗做了初步设计。但不足的是，此装置体积稍大，在稳定性方面有一定的欠缺，加之，设备过于复杂与价格高昂，并不适合普遍民用化。由此启发，本工作设想设计出体积小，稳定性强的装置，这样既节约了空间又给市民带来便利。
在林臻与邢婷婷发表的题为《基于单片机的智能窗户》的文章中 [7]，设计研制了一种智能窗户控制装置，通过烟雾监测与温湿度监测从而实现自动化控制。但存在的问题是，该装置将烟雾监测设定为最高优先级，对采集到的环境数据处理上存在一定的缺陷，导致了功能单一的问题，实用性偏弱。基于此，本工作设想设计出多传感器，多功能的装置，从而适合当代家庭家居生活的需求。
在罗欣发表的题为《基于Arduino技术的智能家居研究现状和发展态势》的文章中，详细地指出了Arduino技术在现代智能家居领域应用的广泛性，成本的低廉性与开发功能的广泛性。基于此，选择了Arduino UNO开发板作为系统控制核心。
综上所述，本课题根据现在市场上的智能窗的不足之处，进行总结，从而启发我们设计出一款具有高度的便捷性与适应性的装置，同时具有多种功能，多种模式且节约空间的智能窗户，为人们的生活提供便利，紧跟时代的发展潮流。
（三）设计原理
基于此，本课题设计和制作一个基于Arduino UNO开发板的装置，具有自动监测光照强度、降水量、温度、湿度等环境数据的功能，并能根据监测到的信息与预设值进行综合比对，执行自动打开或关闭窗户的指令，从而达到在雨天自动关窗，晴天自动开窗的目的。此外，制作的装置需具有高度的便利性与适应性，可以适配市场上绝大多数的窗户，且使用者可根据实际环境与个人需求自由调节各传感器感应阈值。
本装置使用一台75W,80kg推力的推杆电机，连接真空吸盘，以固定玻璃。具有全自动、半自动、手动三种模式以供选择。在智能传感显示处理部分中，利用雨滴传感器、光敏传感器、温度传感器、湿度传感器进行监测。显示模块展示实时的温湿度数据，各传感器接收到的数据会上传至单片机，根据预设值进行比对，控制推杆电机的伸缩，从而实现开合窗的预期效果。
如图1所示，智能传感显示处理模块由雨滴传感器、光敏传感器、温度传感器、湿度传感器、液晶显示屏组成。再由Arduino UNO开发板控制推杆电机正反转，这样凡是受到恶劣天气影响时，光度，温度，湿度以及雨水的变化会体现在传感器上，从而通过芯片装置反馈给状态监测系统，系统进行处理再控制推杆电机正反转，进行缩回与伸出操作，从而实现了自动化控制，在无人的情况下也能简便自动地操作，极大的改善了人们的生活质量。
图1
本研究设计期望可实现的功能：雨水、光线感应、温湿度检测和控制电机正反转。因此，设计并搭建了温湿度传感器的电路，此电路可以实时显示环境变化，并将此变化显示于I2C LCD1602模块。同时，当光敏传感器的电路电阻值不低于400欧姆时，可以正常接收户外入射光线强度。在上述实验得出的结论基础上，本研究更改了代码，并连接一个继电器，实现当电阻阻值持续高于400欧姆60秒时，继电器的常开触点闭合，Arduino UNO开发板上的13号针脚的LED灯点亮；电阻阻值持续低于400欧姆30秒时，继电器的常开触点断开，13号针脚的LED灯熄灭。最后，设计雨滴探测器传感器的电路运行代码，并与以上已完成代码进行整合，优化。连接雨滴探测器传感器的电路，实现当雨滴数量超过设定的阈值时，雨滴传感器调理板的指示灯亮起来，且增加一个继电器，当指示灯亮起时，继电器的常开触点闭合。
具体元件如下：Arduino UNO开发板（图2）、液晶显示器I2C LCD1602模块原理图和外型图（图3）、湿度传感器DHT11原理图和外型图（图4）、雨水探测传感器原理图和外型图（图5）、电路控制继电器原理图原理图和外型图（图6）、光敏传感器外型图（图7）、定时开关工作图（图8-9）
图2 Arduino UNO开发板
图3 液晶显示器I2C LCD1602模块原理图和外型图
图4 湿度传感器DHT11原理图和外型图
图5 雨水探测传感器原理图和外型图
图6 电路控制继电器原理图原理图和外型图
图7 光敏传感器外型图
图8-9定时开关工作图
智能电动窗户的核心是Arduino UNO开发板的自动控制系统，Arduino UNO开发板是一款具有简单软件和硬件的开源平台。通过设计开发，编译，写程序上传到Arduino UNO开发板中，最后实现全自动控制的作品。本装置可以实现光度控制、雨天控制、温度显示、湿度显示。基本满足了智能窗户的各项功能。
电路元件实际组装图如10-12所示，由此，本工作完成了实验原理操作部分。
图10
图11
图12
智能电动窗户控制装置主要由推杆电机、真空吸盘、智能传感显示处理部分组成。此装置可以及时应对恶劣天气做出反映，控制机器进行操作，从而有效的避免屋内物品被淋湿，节约人们的精力与时间，给人们生活带来便利。
在具备全自动化操控模式的同时，该装置也具备了半自动模式和手动模式。采用了定时开关与单刀双掷开关，使用者可以对关窗时间进行设定并且自由控制窗户开合幅度。此装置的构建也紧跟时代发展自动化和智能化的潮流，具有很大的现实意义与应用前景。
（四）样机展示
基于图10-12设计原理，并结合考察居民住房窗户的样式，本研究制作了如图13-14所示的智能电动窗户控制装置样机，完成了起初设想的装置。
图13 半自动与手动模式
图14 全自动模式
三、研究结果与讨论
（一）结果分析
本课题以智能窗户产品为研究对象，制作出可以自动感应湿度、光照和温度变化的装置，体现了以人为本的思想，极大改善了人们生活；本课题可做出实体产品，具有可行性及实践性，具有巨大的市场潜力，本课题的开展有一定的现实意义。这种形式的装置，很好的适应了当今社会人们的需求。其主要创新点在于：
该装置能够通过湿度、光照、温度和雨水四个因素智能化感应，得出的数据通过Arduino UNO开发板实现全自动控制。
该装置具有高度的便利性，操作简单，模式多样，体积小。使用真空吸盘固定，无需打孔，安装方便。尤其是对于老年人和儿童使用者，设计更加人性化，智能化。
该装置适应性强，成本低，适配市面上大部分的窗户，可根据窗户的尺寸进行调节。
随着科技的发展,我们相信在未来的生活中电动窗的自动化、智能化程度还会有很大的提高，在未来能够更加有效的为人们提供服务。
（二）总结讨论
本课题前期通过街头采访的调研方式，充分了解市民的担忧与对智能窗产品的愿景，从而进行分析，提出设计的理念。其次，通过阅读文献的方法收集智能窗产品相关资料，充分了解、总结产品的优势与不足，并提出可以改进的方面。同时，学习相关专业知识，对产品设计方法、原则充分理解与运用，从而构思、设计出原理如图10-12所示的产品，最终，对产品进行实际制作，完成如图13-14所示的智能电动窗户，实现了多功能控制的目的，为市民生活提供便利。
四、展望
随着社会经济水平的发展，现在人们的生活追求自动化，家装要求的档次越来越高，生活家居人性化、智能化的要求使智能控制技术得到了广泛应用，本课题研究把握市场动态，顺应时代主题，设计的智能电动窗户能够实现下雨自动关窗,避免屋内被淋湿，满足市民的使用要求，具有积极的推广应用价值。该装置结构简单，操纵便捷，具有较好的市场应用前景。
未来更多的研究也将致力于制作更加简单，装置轻便，坚固且美观。自动化智能化程度高，经济实惠且给人们带来更多便捷的方向发展。
参考文献
[1] 呙靓.智能家居的发展现状及未来趋势[J].智能建筑与智慧城市,2018(03):52-54.DOI:10.13655/j.cnki.ibci.2018.03.017.
[2] 张雪颖,吴智慧,詹先旭. 智能家具的控制技术与设计方法[J]. 家具,2019,40(01):52-57.
[3] 李珂心,杨子倩. 智能家具的组成系统与设计原则[J]. 家具,2019,40(05):45-49+60.
[4] 马晓艺. 智能家居的人性化设计研究[D].北方工业大学,2019.
[5] 杨洋,王敏,贾思寒,张雪琪,刘铭秀,崔林. 浅谈智能窗户在室内设计中的创新应用[J]. 科技创新导报,2017,14(24):168-169.
[6] 李渊渊,赵婧,李浩,许黎阳. 基于单片机的智能窗户控制系统的设计[J]. 建材与装饰,2020(01):134-135.
[7] 林臻,邢婷婷. 基于单片机的智能窗户[J]. 科技经济市场,2019(03):5-7. [8] 罗欣,高娃. 基于Arduino技术的智能家居研究现状和发展态势[J]. 家具,2020,41(02):7-11.
附录
智能控制装置代码展示：