CN111522227A - 一种感知天气的智能天窗控制系统 - Google Patents

一种感知天气的智能天窗控制系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111522227A
CN111522227A CN202010452971.5A CN202010452971A CN111522227A CN 111522227 A CN111522227 A CN 111522227A CN 202010452971 A CN202010452971 A CN 202010452971A CN 111522227 A CN111522227 A CN 111522227A
Authority
CN
China
Prior art keywords
skylight
angle
baffle
weather
microcontroller
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010452971.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111522227B (zh
Inventor
贾博文
胡群强
汪博文
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University of Technology WUT
Original Assignee
Wuhan University of Technology WUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University of Technology WUT filed Critical Wuhan University of Technology WUT
Priority to CN202010452971.5A priority Critical patent/CN111522227B/zh
Publication of CN111522227A publication Critical patent/CN111522227A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111522227B publication Critical patent/CN111522227B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D25/00—Control of light, e.g. intensity, colour or phase
    • G05D25/02—Control of light, e.g. intensity, colour or phase characterised by the use of electric means
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D27/00—Simultaneous control of variables covered by two or more of main groups G05D1/00 - G05D25/00
    • G05D27/02—Simultaneous control of variables covered by two or more of main groups G05D1/00 - G05D25/00 characterised by the use of electric means
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D3/00—Control of position or direction
    • G05D3/12—Control of position or direction using feedback
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/20—Pc systems
    • G05B2219/25—Pc structure of the system
    • G05B2219/25257—Microcontroller

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Power-Operated Mechanisms For Wings (AREA)
  • Selective Calling Equipment (AREA)

Abstract

本发明提出了一种感知天气的智能天窗控制系统。本发明包括：天窗框架、天窗挡板、舵机连接件、舵机、角度电位器、多路PWM驱动器、微控制器、无线通信模块、用户控制端、气象服务器。本发明从气象服务器获取天气因素、太阳入射高度角，判断所述天窗上空的天气因素为晴天，气象服务器将晴天时太阳入射高度角无线传输至所述微控制器；根据晴天时太阳入射高度角、太阳入射方位角、屋面坡角通过最小化影子计算天窗挡板的最优张合角度；微控制器根据天窗挡板的最优张合角度以及实时张合角度通过位置式PID控制方法进一步通过舵机控制天窗挡板达到最优张合角度。本发明实现室内光线强度动态调整，节省白昼室内照明用电，产生了节能效益。

Description

一种感知天气的智能天窗控制系统
技术领域
本发明属于智能家居技术领域，尤其涉及一种感知天气的智能天窗控制系统。
背景技术
随着当今社会的发展，节能观念逐渐深入人心，节能渐渐体现在人们社会生活的方方面面。据研究表明世界建筑能耗占世界总能耗的33％，因此低能耗建筑的研究应用受到广泛重视。因此近些年来节能绿色建筑方向的研究成果较多，节能建筑的结构不断优化，节能效益不断的提升，并且随着物联网、大数据的发展，设备智能性不断提升。
与本发明密切相关的技术概况：屋顶天窗建筑作为一种透光性好的建筑形式，被广泛的应用在各种式样的建筑形式之中。天窗在现代建筑中的应用种类繁多，按其结构、位置、以及与屋顶的关系，可以概括为天顶型天窗，凸起型天窗和凹陷型天窗三类。天顶型天窗直接的采用透明的屋顶安装玻璃等透明材料开幕；凸起型天窗是设置在屋顶承重结构时，在天窗和屋顶小组之间设置的侧面部件，适用于对通风要求较高的热加工车间使用；凹陷型天窗实际为单一工厂下弦屋顶所在的水槽部分，与屋面存在上下高度差。目前天窗控制技术大致分为手动控制、半自动控制和传感器智能控制三种类型。
传统的手动控制天窗虽然安装方便，结构简单且成本较低，但是由于天窗位置一般较高，用户操作起来不够方便。
目前市场上流行的半自动控制天窗多是对玻璃天窗传统结构进行改装，用户可以手动控制电机驱动天窗开合。但是玻璃天窗质量较重，直接控制天窗会使控制结构较复杂，且缺乏智能型。
传感器智能控制天窗通过风速、温度、光强、空气颗粒物浓度等传感器对外界环境进行测量，判断天气状况，进而全自动智能控制天窗开合角度。这种天窗有较高的智能性，但是传感器测量数据具有局部局限性，因此此种设计智能控制准确性不高。
解决问题的契机：屋顶天窗建筑无论是在国内建筑中还是在国外建筑中都被广泛应用，其市场需求量很大。人们也曾对传统天窗进行革新设计，如改进结构利用电动控制天窗窗户开合、在天窗外侧增加遮阳装置利用传感器感知天气情况进行智能控制等，虽然在一定程度上提高了天窗装置的智能性，但是革新并不彻底，装置的节能效果和安装结构并未达到最优。因此智能节能天窗还有很大的设计空间。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是设计一种智能感知天气状况控制天窗挡板改善室内采光和保护天窗玻璃清洁的智能天窗及天窗控制平台。
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种感知天气的智能天窗控制系统，包括：天窗框架、天窗挡板、舵机连接件、舵机、角度电位器、多路PWM驱动器、微控制器、无线通信模块、用户控制端、气象服务器；
所述的微控制器、多路PWM驱动器、舵机通过有线方式依次连接；所述天窗挡板与所述角度电位器连接；所述角度电位器与微控制器通过有线方式连接；所述微控制器与所述无线通信模块通过有线方式连接；所述无线通信模块分别与所述的用户控制端、气象服务器通过无线方式依次连接；所述天窗框架采用铝合金材质构成，天窗框架中部嵌入透光性强的玻璃；所述玻璃上部安装有所述天窗挡板；所述的舵机、舵机连接件、天窗挡板依次连接。
所述无线通信模块选型为ESP8266无线通信模块；
所述微控制器选型为STM32F407VET6单片机模块；
所述多路PWM驱动器选型为多路PWM控制器PCA9685模块；
所述无线通信模块用于与所述气象服务器进行远程无线通信；
所述气象服务器将天气因素、太阳入射高度角通过无线方式传输至所述无线通信模块，进一步通过无线通信模块传输至所述微控制器；
所述角度电位器用于测量所述天窗挡板的实时张合角度并反馈至所述微控制器；
所述微控制器根据天气因素、太阳入射高度角计算所述天窗挡板的最优张合角度，进一步结合所述天窗的实际张合角度，通过位置式PID控制方法产生占空比控制信号，将占空比控制信号输出至所述多路PWM驱动器，进一步通过所述舵机控制所述天窗挡板的实际张合角度；
所述微控制器将挡板位置信息通过所述无线通信模块无线传输至所述用户控制端；
步骤1：从气象服务器获取天气因素、太阳入射高度角，判断所述天窗上空的天气因素为晴天，气象服务器将晴天时太阳入射高度角无线传输至所述微控制器；
步骤2：根据晴天时太阳入射高度角、太阳入射方位角、屋面坡角通过最小化影子计算天窗挡板的最优张合角度；
步骤3：微控制器根据天窗挡板的最优张合角度、角度电位器测量的天窗挡板的实时张合角度，通过位置式PID控制方法产生占空比控制信号，将占空比控制信号输出至多路PWM驱动器以驱动舵机，进一步通过舵机控制天窗挡板的实际张合角度达到最优张合角度；
作为优选，步骤2所述晴天时太阳入射高度角定义为αht；
步骤2所述房屋方位角定义为βA；
步骤2所述屋面坡角定义为δ；
步骤2所述通过最小化影子计算天窗挡板的最优张合角度为：
微控制器定时从气象服务器中获取第t个时刻的晴天时太阳入射高度角αht，对天窗挡板的理论张合角度θ在0°-180°内遍历，实现影子长度最小这一最优解，具体如下：
Figure BDA0002508240800000031
其中，αht为第t个时刻的晴天时太阳入射高度角，βA为太阳入射方位角，δ为屋面坡角，θ为天窗挡板的理论张合角度，Shadow_length_x为挡板影子在东西方向上投影长度，Shadow_length_y为挡板影子在南北方向上投影长度，Shadow_length为挡板影子长度即优化目标，T为时刻的数量，当Shadow_length为最小值时，对应的θ*为天窗挡板的最优张合角度；
作为优选，步骤3所述通过位置式PID控制方法产生占空比控制信号，具体为：
Figure BDA0002508240800000032
其中，θ*为天窗挡板的最优张合角度，θi为角度电位器测量的天窗挡板的实时张合角度，Error为角度的差值，Kp为PD控制环中比例参数，Kd为PD控制环中的微分参数，Last_Error为上次最佳角度和测量换算得到的当前角度的差值，PWM_out为占空比控制信号。
通过多次调试和选择Kp、Kd参数大小，使得PD闭环控制挡板角度更精确、更迅速。
本发明创造的优点：
使经由天窗入射室内光线强度可以动态调整以达到室内最佳采光，提升了室内采光强度，节省白昼室内照明用电，产生了节能效益；当气象服务器感知到大风沙等恶劣天气时，气象服务器识别并发出一键关闭天窗挡板指令，微控制器接收到信号后，传输信息控制PWM控制器模块输出占空比信号控制全部挡板关闭以避免天窗玻璃接触室外灰尘。此外在上述智能控制之外，本系统还可加入人工控制：当光照过于强烈时，可以人工控制挡板开合角度以减小天窗采光量使室内采光适宜；当气象服务器无线通信出故障时等紧急情况，用户可以在远程移动端采用一键紧急关闭挡板的方式，关闭所有天窗挡板。
本发明对传统天窗进行了功能性的改进，针对于室内通风良好、侧壁通风窗户足够的家居型建筑，顶部天窗的主要作用为增强室内采光，以节省白昼室内因采光不足的照明用电。对传统天窗进行功能优化带来的优势就是使天窗结构简单化、控制简单化。本发明将透光玻璃固定嵌入天窗框架之中，通过控制天窗玻璃上方的遮光挡板来控制进光量，并且挡板还可以避免天窗玻璃在风沙天气与外界空气接触，起到了防尘的作用，减少了后期人工清洁的次数。
本发明的机械框架结构和控制算法十分简单，成本低廉。本系统通过对气象服务器进行气象数据查询感知气象数据，相对于利用各种传感器获取天气信息的方法较为可靠，且气象数据覆盖范围较广，可以解决每套设备都需要安装气象传感器的问题。
本发明智能程度高且灵活性好，在本设计中微控制器实时对感知气象数据进行分析计算，动态输出采光最佳的遮光角度，使天窗挡板可以动态跟随日光转动；在恶劣天气可以智能控制关闭天窗保护天窗玻璃。此外，本发明控制系统还可以根据用户需求进入用户自定义模式，用户可手动控制天窗挡板转动角度。
附图说明
图1：本发明系统结构框图；
图2：本发明实物模型图；
图3：本发明三维模型图；
图4：智能天窗结构图及连接部件局部放大图；
1为气象服务器、2为无线通信模块、3为用户控制端、4为微控制器、5为多路PWM驱动器、6为舵机、7为舵机连接件、8为天窗挡板、9为角度电位器、10为天窗框架。
具体实施
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明系统结构框图。本发明提出了一种感知天气的智能天窗控制系统，其特征在于包括：气象服务器1、无线通信模块2、用户控制端3、微控制器4、多路PWM驱动器5、舵机6、舵机连接件7、天窗挡板8、角度电位器9、天窗框架10；
所述的微控制器4、多路PWM驱动器5、舵机6通过有线方式依次连接；所述天窗挡板8与所述角度电位器9连接；所述角度电位器9与微控制器4通过有线方式连接；所述微控制器4与所述无线通信模块2通过有线方式连接；所述无线通信模块2分别与所述的用户控制端3、气象服务器1通过无线方式依次连接；所述天窗框架10采用铝合金材质构成，天窗框架10中部嵌入透光性强的玻璃；所述玻璃上部安装有所述天窗挡板8；所述的舵机6、舵机连接件7、天窗挡板8依次连接。
所述的天窗框架10采用质量轻、结构性强、耐腐蚀的铝合金材质构成；
所述的天窗挡板8为两片耐热性强、质轻的不透光矩形板；
所述舵机连接件7选型为高性能耐高温尼龙材料连接件；
所述舵机6选型为MG996R舵机；
所述角度电位器9选型为双输出轴导电角度电位器9；
所述多路PWM驱动器5选型为多路PWM驱动器PCA9685模块；
所述微控制器4选型为STM32F407VET6单片机模块；
所述无线通信模块2选型为ESP8266无线通信模块2；
所述用户控制端3选型为智能手机；
所述无线通信模块2用于与所述气象服务器1进行远程无线通信；
所述气象服务器1将天气因素、太阳入射高度角通过无线方式传输至所述无线通信模块2，进一步通过无线通信模块2传输至所述微控制器4；
所述角度电位器9用于测量所述天窗挡板8的实时张合角度并反馈至所述微控制器4；
所述微控制器4根据天气因素、太阳入射高度角计算所述天窗挡板8的最优张合角度，进一步结合所述天窗的实际张合角度，通过位置式PID控制方法产生占空比控制信号，将占空比控制信号输出至所述多路PWM驱动器5，进一步通过所述舵机6控制所述天窗挡板8的实际张合角度；
所述微控制器4将挡板位置信息通过所述无线通信模块2无线传输至所述用户控制端3。
所述的天窗挡板8可以绕轴自由旋转180°以改变室内采光量，所述的天窗挡板8闭合时可以遮住天窗玻璃起到遮蔽灰尘的作用，所述舵机6通过舵机连接件7控制天窗挡板8旋转，实现智能控制调节室内顶部透光量随季节变化而变化以达室内采光最佳的目的。
下面结合图1至图4介绍本发明的具体实施方式，包括以下步骤：
举武汉地区(30.5928°N,114.3055°E)以2020年5月1日中午12时为例。载体房屋的方位角定义为0度(标准坐北朝南)，房屋坡度定义为27度，两者均为微控制所存储的物理载体信息。
步骤1：从气象服务器1获取天气因素为晴天、太阳入射高度角44.36，太阳入射方位角180°，判断所述天窗上空的天气因素为晴天，气象服务器1将晴天时太阳入射高度角无线传输至所述微控制器4；
步骤2：根据晴天时太阳入射高度角、太阳入射方位角、屋面坡角通过最小化影子计算天窗挡板8的最优张合角度；
步骤2所述晴天时太阳入射高度角定义为αht＝74.61°；
步骤2所述太阳入射方位角定义为βA＝180.00°；
步骤2所述屋面坡角定义为δ＝30°；
步骤2所述通过最小化影子计算天窗挡板8的最优张合角度为90°，其详细计算方法如下所示：
微控制器4定时从气象服务器1中获取第t个时刻的晴天时太阳入射高度角αht，对天窗挡板8的理论张合角度θ在0°-180°内遍历，实现影子长度最小这一最优解，具体如下：
Figure BDA0002508240800000071
其中，αht为第t个时刻的晴天时太阳入射高度角，βA为-太阳入射方位角，δ为屋面坡角，θ为天窗挡板8的理论张合角度，Shadow_length_x为挡板影子在东西方向上投影长度，Shadow_length_y为挡板影子在南北方向上投影长度，Shadow_length为挡板影子长度即优化目标，T为时刻的数量，当Shadow_length为最小值时，对应的θ*为天窗挡板8的最优张合角度；
步骤3：微控制器4根据天窗挡板8的最优张合角度、角度电位器9测量的天窗挡板8的实时张合角度，通过位置式PID控制方法产生占空比控制信号，将占空比控制信号输出至多路PWM驱动器5以驱动舵机6，进一步通过舵机6控制天窗挡板8的实际张合角度达到最优张合角度；
步骤3所述通过位置式PID控制方法产生占空比控制信号，具体为：
Figure BDA0002508240800000072
其中，θ*为天窗挡板8的最优张合角度，θi为角度电位器9测量的天窗挡板8的实时张合角度，Error为角度的差值，Kp为PD控制环中比例参数，Kd为PD控制环中的微分参数，Last_Error为上次最佳角度和测量换算得到的当前角度的差值，PWM_out为占空比控制信号。
通过多次调试和选择Kp、Kd参数大小，使得PD闭环控制挡板角度更精确、更迅速。
综上，本发明对传统天窗的结构和功能进行简化：对于顶部通风要求不太高如居家建筑来说，侧部窗户足以使室内有良好的通风条件，故顶部天窗对室内通风效果的贡献量不大。因此对于传统玻璃天窗可开和功能在通风效率高的房屋建筑意中应用意义不大。本发明对天窗的结构和功能进行简化，将天窗玻璃嵌入固定在天窗框架10之中，在天窗玻璃之上安装两扇可随轴转动的不透光挡板用以控制进光量。
本发明采光效率高，智能化程度高：传统天窗虽然能增加白昼室内采光以节省室内照明用电，但是传统的天窗无法控制室内进光量。本发明采用最小化影子算法，通过实时向气象服务器1获取气象信息，控制系统通过运算获得使挡板影子最小的挡板角度(光线照入室内效率最高)并且在外界光线强度过大时天窗挡板8可以由用户自主控制，装置智能化程度高。
本发明中天窗挡板8对可以保护天窗玻璃避免灰尘、风沙污染：传统玻璃天窗其玻璃直接暴露在空气外界，在大风沙尘、雾霾等天气中，天窗玻璃易被污染弄脏，增加了天窗玻璃的后期清洗维护成本。本发明中挡板可以实现在大风、雾霾等恶劣天气关闭天窗挡板8，减少天窗玻璃和外界直接接触，减少了天窗清洗成本。
本发明的结果体现：
本发明提出了一种感知智能天窗及其智能控制系统，本系统由天窗框架10、天窗玻璃、天窗挡板8及其控制器组成。本系统通过向气象服务器1获取天气信息并无线传输控制指令到控制器，控制器根据控制指令驱动舵机6完成相应的信息指令，实现智能控制天窗挡板8。当室外出现大风沙尘、雾霾等恶劣天气时，微控制器4控制所有天窗挡板8闭合，避免灰尘、沙土等直接沾染到天窗玻璃上，以节省后期人工维护成本；当天气晴朗时，微控制器4控制天窗挡板8自动跟随阳光角度变化而转动，实现室内采光最优化，此外，若外界光线过于强烈，可由用户手动控制挡板角度以达到最舒适的室内采光效果。
成本：本天窗智能控制系统结构简单，控制方便。基于气象服务器1气象数据的智能挡板控制相较于基于传感器数据的智能挡板控制成本更低、准确性更高、应用范围更广。本天窗可在大风、雾霾等天气关闭天窗挡板8，避免天窗挡板8与外界空气直接接触，节省了后期维护清洁成本。
结构：本天窗控制系统对传统天窗结构进行了简化，将天窗玻璃固定嵌入天窗框架10之中，简化了天窗框架10结构；光伏感知天窗系统中将透光天窗玻璃固定嵌入天窗框架10之中，在天窗玻璃之上安装两块的遮光挡板。在本设计中采用质轻、耐热性强材质沿轴可转动0-180度的遮光挡板分两扇对称排布，两扇挡板即减轻了每侧舵机6承受的重量，又使得挡板控制进光量更加的灵活。故本设计中天窗挡板8控制结构相较于单一挡板的控制结构简化得多。
性能：本设计相较于传统天窗和目前流通的一些智能天窗具有更高的采光效率、准确性、智能性。首先，对传统天窗进行了结构上的精简，使得天窗控制更容易简单；在本系统中控制元件采用舵机6进行控制，舵机6控制较为简单且设计、安装均比较方便，舵机6的体积很小，十分方便嵌入天窗框架10之中，使天窗结构简单；天窗挡板8分成两块使室内光线控制更加灵活、准确，全天不同的日照角度，天窗挡板8均能够到达合适的开窗角度，相较于一般单面遮阳挡板控制来说，控制方式更简单，控制采光时间更长。
工艺复杂度：本天窗系统相比于现有的自动控制型天窗具有更加简便的设计和控制流程。本装置的尺寸设计只需要确定屋面上天窗面积大小、天窗位置排布和天窗总个数，很方便根据用户需求定制智能天窗框架10的尺寸，在确定天窗个数和天窗位置排布后，设计好屋面上微控制器4和各天窗排布方位和连线方式即可，工艺复杂度不高。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种感知天气的智能天窗控制装置，其特征在于，包括：
天窗框架、天窗挡板、舵机连接件、舵机、角度电位器、多路PWM驱动器、微控制器、无线通信模块、用户控制端、气象服务器；
所述的微控制器、多路PWM驱动器、舵机通过有线方式依次连接；所述天窗挡板与所述角度电位器连接；所述角度电位器与微控制器通过有线方式连接；所述微控制器与所述无线通信模块通过有线方式连接；所述无线通信模块分别与所述的用户控制端、气象服务器通过无线方式依次连接；所述天窗框架采用铝合金材质构成，天窗框架中部嵌入透光性强的玻璃；所述玻璃上部安装有所述天窗挡板；所述的舵机、舵机连接件、天窗挡板依次连接；
所述无线通信模块用于与所述气象服务器进行远程无线通信；
所述气象服务器将天气因素、太阳入射高度角通过无线方式传输至所述无线通信模块，进一步通过无线通信模块传输至所述微控制器；
所述角度电位器用于测量所述天窗挡板的实时张合角度并反馈至所述微控制器；
所述微控制器根据天气因素、太阳入射高度角计算所述天窗挡板的最优张合角度，进一步结合所述天窗的实际张合角度，通过位置式PID控制方法产生占空比控制信号，将占空比控制信号输出至所述多路PWM驱动器，进一步通过所述舵机控制所述天窗挡板的实际张合角度；
所述微控制器将挡板位置信息通过所述无线通信模块无线传输至所述用户控制端。
2.一种根据权利要求1所述的感知天气的智能天窗控制装置进行感知天气的智能天窗控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：从气象服务器获取天气因素、太阳入射高度角，判断所述天窗上空的天气因素为晴天，气象服务器将晴天时太阳入射高度角无线传输至所述微控制器；
步骤2：根据晴天时太阳入射高度角、太阳入射方位角、屋面坡角通过最小化影子计算天窗挡板的最优张合角度；
步骤3：微控制器根据天窗挡板的最优张合角度、角度电位器测量的天窗挡板的实时张合角度，通过位置式PID控制方法产生占空比控制信号，将占空比控制信号输出至多路PWM驱动器以驱动舵机，进一步通过舵机控制天窗挡板的实际张合角度达到最优张合角度。
3.根据权利要求2所述的感知天气的智能天窗控制方法，其特征在于：
步骤2所述晴天时太阳入射高度角定义为αht；
步骤2所述房屋方位角定义为βA；
步骤2所述屋面坡角定义为δ；
步骤2所述通过最小化影子计算天窗挡板的最优张合角度为：
微控制器定时从气象服务器中获取第t个时刻的晴天时太阳入射高度角αht，对天窗挡板的理论张合角度θ在0°-180°内遍历，实现影子长度最小这一最优解，具体如下：
Figure FDA0002508240790000021
其中，αht为第t个时刻的晴天时太阳入射高度角，βA为太阳入射方位角，δ为屋面坡角，θ为天窗挡板的理论张合角度，Shadow_length_x为挡板影子在东西方向上投影长度，Shadow_length_y为挡板影子在南北方向上投影长度，Shadow_length为挡板影子长度即优化目标，T为时刻的数量，当Shadow_length为最小值时，对应的θ*为天窗挡板的最优张合角度。
4.根据权利要求2所述的感知天气的智能天窗控制方法，其特征在于：
步骤3所述通过位置式PID控制方法产生占空比控制信号，具体为：
Figure FDA0002508240790000022
其中，θ*为天窗挡板的最优张合角度，θi为角度电位器测量的天窗挡板的实时张合角度，Error为角度的差值，Kp为PD控制环中比例参数，Kd为PD控制环中的微分参数，Last_Error为上次最佳角度和测量换算得到的当前角度的差值，PWM_out为占空比控制信号；
通过多次调试和选择Kp、Kd参数大小。
CN202010452971.5A 2020-05-26 2020-05-26 一种感知天气的智能天窗控制系统 Active CN111522227B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010452971.5A CN111522227B (zh) 2020-05-26 2020-05-26 一种感知天气的智能天窗控制系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010452971.5A CN111522227B (zh) 2020-05-26 2020-05-26 一种感知天气的智能天窗控制系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111522227A true CN111522227A (zh) 2020-08-11
CN111522227B CN111522227B (zh) 2021-04-16

Family

ID=71908160

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010452971.5A Active CN111522227B (zh) 2020-05-26 2020-05-26 一种感知天气的智能天窗控制系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111522227B (zh)

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102550429A (zh) * 2012-02-14 2012-07-11 江苏省农业科学院 一种低碳节约型环保猪舍的应用
US20130057937A1 (en) * 2004-05-06 2013-03-07 Mechoshade Systems, Inc. Automated shade control in connection with electrochromic glass
CN103806607A (zh) * 2014-01-09 2014-05-21 任伟锋 一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶及控制方法
CN105353779A (zh) * 2015-11-16 2016-02-24 盐城工学院 一种基于plc的建筑水平外遮阳角度调控系统
CN106371396A (zh) * 2016-11-09 2017-02-01 盐城工学院 具有通风功能的建筑水平外遮阳板自动控制装置及控制方法
CN107367940A (zh) * 2017-08-23 2017-11-21 重庆大学 一种结合地理位置、气候和建筑朝向的百叶窗控制方法
CN109113274A (zh) * 2018-09-04 2019-01-01 广州小楠科技有限公司 一种新型环境预测的智能天窗系统
CN109375650A (zh) * 2018-10-12 2019-02-22 远景能源（南京）软件技术有限公司 不同屋面情况障碍物阴影遮挡计算方法
CN209817748U (zh) * 2018-12-26 2019-12-20 广东皇派家居科技有限公司 一种四周可通风的智能平推窗
CN110687933A (zh) * 2018-07-05 2020-01-14 东腾投资集团有限公司 太阳能发电系统、控制装置及方法、计算机可读存储介质
CN110705119A (zh) * 2019-10-12 2020-01-17 上海朗绿建筑科技股份有限公司 一种遮阳装置的节能分析方法、系统及存储介质
CN111353201A (zh) * 2018-12-21 2020-06-30 远景能源（南京）软件技术有限公司 一种基于网格布置光伏组件的方法

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130057937A1 (en) * 2004-05-06 2013-03-07 Mechoshade Systems, Inc. Automated shade control in connection with electrochromic glass
CN102550429A (zh) * 2012-02-14 2012-07-11 江苏省农业科学院 一种低碳节约型环保猪舍的应用
CN103806607A (zh) * 2014-01-09 2014-05-21 任伟锋 一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶及控制方法
CN105353779A (zh) * 2015-11-16 2016-02-24 盐城工学院 一种基于plc的建筑水平外遮阳角度调控系统
CN106371396A (zh) * 2016-11-09 2017-02-01 盐城工学院 具有通风功能的建筑水平外遮阳板自动控制装置及控制方法
CN107367940A (zh) * 2017-08-23 2017-11-21 重庆大学 一种结合地理位置、气候和建筑朝向的百叶窗控制方法
CN110687933A (zh) * 2018-07-05 2020-01-14 东腾投资集团有限公司 太阳能发电系统、控制装置及方法、计算机可读存储介质
CN109113274A (zh) * 2018-09-04 2019-01-01 广州小楠科技有限公司 一种新型环境预测的智能天窗系统
CN109375650A (zh) * 2018-10-12 2019-02-22 远景能源（南京）软件技术有限公司 不同屋面情况障碍物阴影遮挡计算方法
CN111353201A (zh) * 2018-12-21 2020-06-30 远景能源（南京）软件技术有限公司 一种基于网格布置光伏组件的方法
CN209817748U (zh) * 2018-12-26 2019-12-20 广东皇派家居科技有限公司 一种四周可通风的智能平推窗
CN110705119A (zh) * 2019-10-12 2020-01-17 上海朗绿建筑科技股份有限公司 一种遮阳装置的节能分析方法、系统及存储介质

Also Published As

Publication number Publication date
CN111522227B (zh) 2021-04-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103628637B (zh) 一种智能化建筑遮阳系统及方法
CN101787849B (zh) 一种太阳能驱动的垂直百叶遮阳装置
CN204005711U (zh) 一种多功能太阳能照明装置
CN207080154U (zh) 智能追踪式太阳能百叶窗
CN101189480A (zh) 太阳能集中器
CN104061525A (zh) 一种太阳能照明装置
KR20130001577U (ko) 가변형 지붕 루버시스템
CN108663941B (zh) 智能节能控制系统
WO2017101697A1 (zh) 一种节能屋顶
KR20130114378A (ko) 태양광의 집광 및 태양광의 실내유입 제어 기능을 하는 가변식 천창시스템
TWI398592B (zh) Solar energy chasing Japanese natural light lighting system
CN106371396A (zh) 具有通风功能的建筑水平外遮阳板自动控制装置及控制方法
CN202188424U (zh) 反光镜式阳光导向器
CN203654538U (zh) 多参数控制智能热通道光伏幕墙
CN111522227B (zh) 一种感知天气的智能天窗控制系统
CN206274159U (zh) 基于自然采光的室内照明控制系统
CN211015153U (zh) 一种太阳能遮阳系统
CN110284823B (zh) 一种基于光感应的可变建筑表皮系统
CN206399013U (zh) 一种光伏遮阳系统
CN211692011U (zh) 一种自动化窗户
CN2603919Y (zh) 高效智能型太阳能热水器
CN211974711U (zh) 智能调节窗
CN202048493U (zh) 棱镜式阳光导向器
CN201593749U (zh) 阳光自动追踪凹凸曲面反光镜传输照明装置
CN110531792B (zh) 一种太阳能遮阳系统及其调节方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant