CN111255333A - 一种雨量感应智能窗户及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种雨量感应智能窗户，包括安装有玻璃的窗框和驱动窗框开关的驱动机构,还包括检测系统,所述检测系统包括安装在玻璃上并具备间距的光线发射端和光线接收端,还包括与光线发射端和光线接收端连接的控制系统,所述控制系统包括发射控制器,所述发射控制器可控制光线发射端进行周期性发射,所述控制系统还与所述驱动系统控制连接。本发明所述雨量感应智能窗户及控制方法，采用光学原理，根据接收光线的强弱判断窗户玻璃上的雨水多少，判断雨量大小，自动控制窗户开合角度，保证室内防雨的同时兼顾通风，照顾用户的多方面需求，市场前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于建筑家居领域，涉及一种智能家居设备，具体涉及一种雨量感应智能窗户及控制方法。
背景技术
智能家居是未来生活的发展趋势，市面上也出现了雨水感应的智能窗户，但是却始终得不到用户的青睐，原因有三点：
一是目前的智能窗户对雨量的感应不够准确，大多雨量感应都是在窗户周围固定位置安装雨水传感器，并不能反映窗户实际被雨水淋湿的程度，造成窗户的误开合。
二是目前的智能窗户调节能力弱，基本采用的都是无雨时全开，感应到雨水全合，不能根据雨量开合适当的角度。
三是目前的智能窗户基本都是推拉窗，然而大多数家庭使用的是更方便美观的平开窗，导致智能窗户应用进一步受限。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，本发明公开了一种雨量感应智能窗户及控制方法。
本发明所述雨量感应智能窗户，包括安装有玻璃的窗框和驱动窗框开关的驱动机构 ,还包括检测系统,所述检测系统包括安装在玻璃上并具备间距的光线发射端和光线接收端,还包括与光线发射端和光线接收端连接的控制系统,所述控制系统包括发射控制器,所述发射控制器可控制光线发射端进行周期性发射,所述控制系统还与所述驱动系统控制连接。
优选的，所述控制系统包括单片机PC16F90及与其连接的驱动器CD4094,还包括输入端与CD4094连接的LED恒流电路,所述恒流电路包括一个负反馈连接的运算放大器和开关管,所述开关管与作为光线发射端的LED串联。
优选的，所述驱动结构为安装在窗框和窗体固定面之间的伸缩杆及驱动该伸缩杆伸缩的电机。
优选的,所述伸缩杆设置有压力传感器。
优选的，所述光线发射端和光线接收端位于玻璃的同侧。
优选的，所述光线发射端入射玻璃的入射角为42-60度。
本发明还公开了一种雨量感应智能控制方法，包括如下步骤：
对反射光值设置一个标准数值和差值阈值，所述标准数值为无雨状态下的反射光值，当反射光值与标准数值的差值大于所述差值阈值时，则判定下雨；检测过程中，发射光为周期性发射，检测反射光值为与之对应的周期性检测。
优选的, 所述差值阈值为大小不同的多个,所述驱动系统根据反射光值与标准数值的差值和不同差值阈值的比较结果进行控制,具体方式为:差值大于的最大差值阈值越大,则驱动系统控制窗户闭合的程度越大
优选的，所述反射光值为多个检测周期的均值。
优选的，所述方法还包括对标准数值进行动态更新，具体为：在无雨状态下进入标准数值的更新待定状态，连续储存反射光信号，当反射光信号与之前的标准数值的差值大于差值阈值时，将之前多个反射周期内的反射光值均值作为新的标准数值。
认为下雨发生之后，不再更新标准数值，直到反射光值与标准数值的差值低于差值阈值时或低于差值阈值一段时间后，重新启动标准数值的更新待定状态
本发明所述雨量感应智能窗户及控制方法，采用光学原理，根据接收光线的强弱判断窗户玻璃上的雨水多少，判断雨量大小，自动控制窗户开合角度，保证室内防雨的同时兼顾通风，照顾用户的多方面需求，市场前景广阔。
附图说明
图1为本发明的一个具体判断流程示意图;
图2为无雨时光线在玻璃内部的全反射示意图;
图3为有雨时光线在玻璃内部及表面全反射及折射示意图;
图4为本发明控制系统电路部分的一个具体实施方式示意图;
图5为本发明窗户的外部结构一个具体实施方式示意图;
图6为本发明实现周期性发射的一个具体流程示意图;
图中附图标记名称为:1-玻璃,2-光线发射端,3-光线接收端,4-雨滴，5-伸缩杆，6-电机，7-控制系统，VCC-电源电压，R1-第一电阻，R2-第二电阻，R3-恒流电路，Q-开关管，D-发光二极管。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明所述雨量感应智能窗户，包括安装有玻璃1的窗框和驱动窗框开关的驱动机构,还包括检测系统,所述检测系统包括安装在玻璃上并具备间距的光线发射端2和光线接收端3,还包括与光线发射端和光线接收端连接的控制系统,所述控制系统包括发射控制器,所述发射控制器可控制光线发射端进行周期性发射,所述控制系统还与所述驱动系统控制连接。
其中，光线发射端可以采用发光LED,光线接收端一般为光电转换二极管，可以将接收到的光信号转化为电信号，所述光电转换二极管前端一般还设置有滤波器，过滤掉除LED发光外的其他光线，只对光线发射端发射的一定频率范围内的光线进行检测。
在控制系统安装完成后，通过对电路调整使系统工作于最匹配状态，需要首先对窗户玻璃无雨的初始状态下接收端接收到的信号值作为一个标准数值，并将该标准值记录下来，存储在控制系统的存储器如EEPROM中。
本发明所述的玻璃通常为具有两个平行平面的常用玻璃，如图2所示，光线发射端发射的光线以一定角度斜向入射进玻璃，光线发射端和光线接收端应该具有一定间距，这个间距与入射角度和玻璃厚度有关，保证能够至少经历一次,最好是多次反射并入射到光线接收端，一般可以取玻璃厚度的5倍以上即可。
光线发射端发射的光线射入玻璃后经过至少一次反射后进入接收端，在接收端采用光电转换二极管将接收到的光信号转换为电信号，并通过控制系统将接收的电信号转化为数字信号进行数模转换并采样。通过对接收信号的计算处理，判断出接收信号的数值，并与之前预存的标准数值进行比较。
进行判断的具体原理为：如图3所示，雨天时，玻璃外向面会出现雨水，雨水的折射率大于空气折射率，雨水出现后，发射光线在玻璃边界处的反射率会发生变化，经过多次反射后，这个变化会被多次放大，使光线接收端接收到光线强度发生变化，最终体现在由光信号转化形成的电信号数值变化。
为更方便的进行计算和分析，通常希望在非雨天时，光线在玻璃内部全部为全反射，常用窗户玻璃的折射率约为1.5，光从玻璃射入空气时发生全反射的临界角为γ，则
Sin90°/sinγ=1.5，γ=41.8°，即入射角大于41.8°时，在玻璃-空气界面发生全反射。
同时希望入射角能够满足在雨天时，玻璃表面沾水情况下，在玻璃-水界面不发生全反射，光线从玻璃射入水时，水的折射率为1.3，光从玻璃射入水时发生全反射的临界角为R，则有Sin R /sin90°=0.867，R=60.12°，可见，入射角小于60度时，不会发生全反射。
例如采用入射角为45摄氏度，在无雨情况下，在玻璃的两个界面均为全反射，在光线接收端接收到的光线信号基本无损失，即接收值与标准值相等或差距很小。
而在有雨情况下，假设雨水造成的反射率为80%，经过两次玻璃-水界面的反射后被光线接收端接收，接收到的光线强度值理论上是发射端的64%，即接收值为标准值的64%，明显小于标准值，此时即可判断出发生下雨，由控制系统控制驱动机构将窗框关闭,一个具体的控制流程如图1所示。
一个优选实施方式为,可以设置多个差值阈值,针对不同的雨量,控制驱动机构关闭窗框的幅度,雨量较小时,一方面在玻璃表面不易迅速形成滞留水层,同时对于多次反射,每一反射点不一定都会有雨滴,这些都会造成最终的反射光值与标准数值的差值在雨量不同时发生变化;因此可以设置多个差值阈值以反应不同的雨量。
例如,所述差值阈值为大小不同的两个T1和T2,其中T2较大,所述驱动系统根据反射光值与标准数值的差值和不同差值阈值的比较结果进行控制,当检测发现反射光值与标准数值的差值大于T2时,则驱动系统控制窗户完全闭合, 当检测发现反射光值与标准数值的差值仅大于T1但小于T2时,则驱动系统控制窗户闭合一半例如窗户开合角度从90度变为45度或30度。
为避免外界光线的干扰，如驶过汽车车灯、街面路灯等的干扰。本发明在发射端可以采用一定频率的调制发射，例如如图4所示给出控制系统的一个具体实施方式, 所述控制系统包括单片机PC16F90及与其连接的驱动器CD4094,还包括输入端与CD4094连接的LED恒流电路,所述恒流电路包括一个负反馈连接的运算放大器和开关管,所述开关管与作为光线发射端的LED串联，驱动器CD4094实际可以同时驱动最多八路LED，图4中仅画出利用引脚Q1进行驱动的一路。
图4所示的具体实施方式中,在输出光照时,恒流电路的运算放大器LM358通过开关管Q的负反馈连接使反相输入端电压与正相输入端输入电压相等,通过恒流电阻R3在发光二极管D上产生恒定的电流,第一电阻和第二电阻串联成分压形式形成输入到运算放大器正相输入端的基准电压。在不输出光照时,从驱动器芯片4094输出到运算放大器正相输入端为高阻态,电压值为零, 发光二极管D不发光。
可以利用单片机 16F690 片内自带的定时器 Timer2 产生一个定时中断，通过对连接到发射端的 驱动器芯片CD4094 的 OE 端的 C6 引脚进行取反的操作，交替控制发光二极管的导通和截止，使发光二极管的正极电压为一个高频方波信号, 其产生周期性发光,发光的时间周期应该与控制系统检测所需的时间相当或更长,从而对其实现频率调制，以达到抗干扰的目的,具体的实现流程如图6所示。
仅在发光二极管的发光周期内,控制系统对反射光信号进行检测,可以连续检测多个周期取均值作为与标准数值比较的反射光值，可以避免瞬间强光如驶过汽车车灯照射带来的干扰。
为更好的抗干扰,可以对标准值进行动态修正, 初始状态下,在控制系统安装完成后，通过对电路调整使系统工作于最匹配状态，需要首先对窗户玻璃无雨的初始状态下接收端接收到的信号值作为标准数值;后续过程中,可以对这个标准数值实行不间断的动态更新。
具体的更新方法可以是:设置一个标准数值和差值阈值，例如标准数值为100，差值阈值为30，在无雨状态下进入标准数值的更新待定状态，即可以连续储存反射光信号，当反射光信号与之前的标准数值的差值大于该差值阈值时，认为发生下雨，随后将之前一段时间，例如1000个反射周期内的反射光值均值作为新的标准数值,该时间段不宜过长,一般不超过1小时。
认为下雨发生之后，不再更新标准数值，直到反射光值与标准数值的差值低于差值阈值时或低于差值阈值一定时间后，才认为雨停，此时重新启动标准数值的更新待定状态。
采用上述更新方法，可以自动忽略长期使用下玻璃外层沾染污物或LED使用带来的反射率变化,并能克服白天与黑夜或天气不同造成的标准值动态变化，动态更新标准数值，使得长期使用下的雨情判断更加准确。
如图5给出一个典型外部机械结构实现方式，驱动结构为安装在窗框和窗体固定面之间的伸缩杆5及驱动该伸缩杆伸缩的电机6；光线发射端和光线接收端通常位于玻璃1的同侧如不会首先遭遇雨淋的内侧，发射端2与接收端3与控制器可以通过布线沿伸缩杆5内部或窗框边沿或内部进行连接，控制系统7可以安装在窗体固定面上,控制系统与发射端和接收端的数据传输也可以通过蓝牙等无线传输方式进行通信。
所述伸缩杆可以设置有与控制系统连接的压力传感器，感应到有障碍物或者机械故障导致行程受阻时会自动停止，保证使用安全。
本发明所述雨量感应智能窗户及控制方法，采用光学原理，根据接收光线的强弱判断窗户玻璃上的雨水多少，判断雨量大小，自动控制窗户开合角度，保证室内防雨的同时兼顾通风，照顾用户的多方面需求，市场前景广阔。
前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种雨量感应智能窗户，包括安装有玻璃(1)的窗框和驱动窗框开关的驱动机构,其特征在于,还包括检测系统,所述检测系统包括安装在玻璃上并具备间距的光线发射端(2)和光线接收端(3),还包括与光线发射端(2)和光线接收端(3)连接的控制系统,所述控制系统(7)包括发射控制器,所述发射控制器可控制光线发射端进行周期性发射,所述控制系统(7)还与所述驱动系统控制连接。
2.如权利要求1所述的雨量感应智能窗户，其特征在于，所述控制系统包括单片机PC16F90及与其连接的驱动器CD4094,还包括输入端与CD4094连接的LED恒流电路,所述恒流电路包括一个负反馈连接的运算放大器和开关管,所述开关管与作为光线发射端的LED串联。
3.如权利要求1所述的雨量感应智能窗户，其特征在于，所述驱动结构为安装在窗框和窗体固定面之间的伸缩杆(5)及驱动该伸缩杆伸缩的电机(6)。
4.如权利要求3所述的雨量感应智能窗户，其特征在于,所述伸缩杆(5)设置有压力传感器。
5.如权利要求1所述的雨量感应智能窗户，其特征在于，所述光线发射端(2)和光线接收端(3)位于玻璃的同侧。
6.如权利要求1所述的雨量感应智能窗户，其特征在于，所述光线发射端(2)入射玻璃(1)的入射角为42-60度。
7.一种雨量感应智能控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
对反射光值设置一个标准数值和差值阈值，所述标准数值为无雨状态下的反射光值，当反射光值与标准数值的差值大于所述差值阈值时，则判定下雨；检测过程中，发射光为周期性发射，检测反射光值为与之对应的周期性检测。
8.如权利要求7所述的雨量感应智能控制方法，其特征在于，所述差值阈值为大小不同的多个,所述驱动系统根据反射光值与标准数值的差值和不同差值阈值的比较结果进行控制,具体方式为:差值大于的最大差值阈值越大,则驱动系统控制窗户闭合的程度越大。
9.如权利要求7所述的雨量感应智能控制方法，其特征在于，所述反射光值为多个检测周期的均值。
10.如权利要求7所述的雨量感应智能控制方法，其特征在于，所述方法还包括对标准数值进行动态更新，具体为：在无雨状态下进入标准数值的更新待定状态，连续储存反射光信号，当反射光信号与之前的标准数值的差值大于差值阈值时，将之前多个反射周期内的反射光值均值作为新的标准数值；认为下雨发生之后，不再更新标准数值，直到反射光值与标准数值的差值低于差值阈值时或低于差值阈值一段时间后，重新启动标准数值的更新待定状态。
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