CN203925102U - 一种具有自学习功能的智能门窗控制系统 - Google Patents

Abstract

一种具有自学习功能的智能门窗控制系统。本实用新型智能门窗控制系统由智能门窗控制器、多种环境参数传感器及其组合、WIFI无线通信链路设备及应用客户端组成。该系统不仅能预先设定控制策略，实现对门窗的远程和本地自动控制，而且系统能对人为开关门窗时刻的环境数据进行记录存储和自学习，实现依据人的使用行为习惯、室外空气质量、室外环境舒适程度等因素进行综合判断，智能进行开关门窗操作。本实用新型既具有预设控制策略进行门窗自动控制系统的功能及优势，而且能够对人为开关门窗动作时记录的相关数据进行自学习，动态生成控制策略参数，从而使家居门窗自动控制更加人性化和智能化。

Description

一种具有自学习功能的智能门窗控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种利用通信技术、自动控制技术和电子技术来实现家居门窗智能控制的功能系统，属于物联网及智能家居应用领域。

背景技术

随着国民经济的发展和科学技术水平的提高，特别是物联网技术和智能家居技术的迅猛发展与提高，家居的门窗开关控制也进入了智能化时代。然而，纵观国内智能门窗控制系统产品，门窗控制的智能程度还不高，有的甚至只有遥控功能也称为智能控制，大多数智能门窗控制系统也只是根据人为设定的控制策略，进行环境相关的传感器参数采集并执行控制。如果系统不人为更新设定控制策略的相关参数，则系统的门窗自动控制方式就不会改变，从而使得门窗的自动控制方式较为固定死板，不能依据人的日常生活习惯改变做相应自动改变，不够人性化、智能化。

发明内容

为了克服目前的智能门窗控制系统只是依据人为预先设定的控制策略参数进行固定方式控制的不足，本实用新型提供一种智能门窗控制系统，该系统不仅能够预先设定控制策略相关参数，实现对电动门窗的远程和本地自动控制，而且系统中使用的智能门窗控制器具有数据采集存储功能，能够对人在平常工作生活习惯中进行开关门窗动作的时刻、依据当时室外环境温湿度、风速计算得到的人体舒适度指数这些环境数据进行记录存储。智能门窗控制器通过对记录存储的这些数据进行分析和自学习，动态生成控制策略参数，实现依据人平时的开关门窗行为习惯、室外环境人体舒适程度、室外空气质量等因数综合判断，智能进行开关门窗操作。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：本系统由智能门窗控制器、室外温湿度传感器、风速传感器、空气质量传感器、噪声传感器及人体感应器等多种环境参数传感器及其组合、WIFI无线通信链路设备及应用客户端组成。温湿度传感器、风速传感器、空气质量传感器、噪声传感器将外部环境物理信号转为0-10V或4-20mA的模拟量信号；人体感应器将室内有无人存在状态信号转为数字量信号。智能门窗控制器是本系统的核心设备，它具有继电器输出端口，控制电动门窗的电机设备，从而控制门窗开关；它具有多路模拟量和数字量电信号采集端口，可以采集多个模拟量传感器和数字量传感器的环境参数；它具有无线WIFI通信功能，可以方便接入无线局域网，与联网的智能手机、电脑等应用客户端通信，实现门窗开关远程操作和自动控制策略参数设置；它具有接入本地操作开关面板的2路数字量输入端口，分别接面板开、关门窗按键信号，实现门窗开关用面板操作；它具有RS485现场通信总线接口，通过现场总线连接总线制操作终端，实现门窗开关用具有现场总线接口的应用客户端操作；它具有本地SD卡储存器和实时时钟，能够在人为操作门窗开关时将当前时间、依据当前室外环境温湿度、风速计算出的人体舒适度指数、空气质量环境数据进行记录并存储到SD卡存储器中；它具有自学习功能，能够对开关门窗动作时记录存储的历史数据进行自学习，主要分析学习人的作息规律（开关门窗时间点），以及分析学习影响人体舒适程度的室外人体舒适度指数，结合空气质量参数，实现依据人的作息行为习惯、室外环境舒适程度、室外空气质量进行综合判断，智能进行开关窗户操作。

本实用新型智能门窗控制系统对存储记录的历史数据通过自学习，形成新的门窗自动控制策略参数，学习方式为：首先通过对以往人为控制门窗开关动作发生的时间点进行统计分析，分析其室内作息时间规律，推断出最适合开关门窗的时段区间，作为本智能控制系统的控制策略时间参数；另外通过对以往人为控制门窗开关动作发生时的人体舒适度指数进行统计分析，分析其对室外舒适度等级的感受习惯，推断出最适合开关门窗的人体舒适度指数等级，作为本智能控制系统的自动控制策略人体舒适度指数参数；然后依据控制策略的时间和人体舒适度指数参数，结合考虑空气质量情况，有人在屋内时，还要考虑噪声影响，无人时不考虑噪声，综合所述这些因素，得出最终控制策略，从而智能控制门窗的打开和关闭。

本实用新型的有益效果是既具有目前常见智能门窗控制系统的功能及优势，而且同时具有本地控制、无线遥控多种应用客户端控制手段，更重要的是能够对开关门窗动作时采集存储的历史环境数据进行自学习，动态生成并更新自动控制策略参数，从而使门窗自动控制系统更加人性化和智能化，为人们的生活和学习创造更加安全舒适的条件。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型的系统结构原理图。

图2是本实用新型的智能门窗控制器电路结构原理图。

图3是本实用新型的智能门窗控制器系统软件流程图。

图4是本实用新型的智能门窗控制器开窗控制策略参数自学习流程图。

图5是本实用新型的智能门窗控制器关窗控制策略参数自学习流程图。

图1中本实用新型系统主要由：(5)智能门窗控制器、(7)温湿度传感器、(8)空气质量传感器、(10)人体感应传感器、(11)声音传感器、(12)风速传感器、(3)WIFI无线路由器、(9)门窗电机及应用客户端组成。应用客户端包括：(1)监控电脑、(2)智能手机、(4)总线制操作终端、(6)本地操作面板。

图2中智能门窗控制器电路主要由：(1)电源管理电路、(2)RS485总线接口电路、(3)开关量输入电路、(4)继电器输出电路、(6)光电隔离电路、(8)MCU微控制器、(9)A/D采集电路、(15)WIFI功能模块、(16)数据存储电路、(7)RTC晶振和(12)系统时钟有源晶振电路组成。

图3中智能门窗控制器的系统软件工作流程为：①系统软硬件初始化，②定时器定时时间到后，③执行读取存储在SD卡中的门窗自动控制策略参数；④然后判断读取的参数是否合理有效，有效则接着执行⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑩流程，综合判断开窗和关窗的当前时间及人体舒适度等级、空气质量等环境参数是否与自动控制策略参数相符合，如果相符，则执行⑨开门窗或⑪关门窗动作；自动控制流程执行完毕后系统处理外部应用客户端发送的指令，如果是⑫控制策略参数设置指令，则执行⑬控制策略参数的存储和更新，如果是⑭开关门窗的动作指令，则⑮依据当前门窗的开关状态执行相应动作，并⑯将当前环境参数（温湿度、风速）计算得到的人体舒适度指数和时间采集存储至SD卡存储器；进而通过⑰对采集存储的数据进行分析自学习，⑬更新存储新的控制策略参数，并返回至定时读取控制策略参数，执行自动控制策略、接受处理应用客户端发送指令和基于新采集数据分析自学习的流程。

图4中智能门窗控制器的开窗控制策略参数自学习流程为：①开始开窗控制策略参数自学习控制流程；②读取人为开窗时记录存储的数据量大小；③判断数据量是否达到30，即达到自学习流程所需的数据量要求；如果达到要求，则④读取存储的时间和人体舒适度指数数据，否则结束自学习流程；⑤统计存储数据在每个时间窗口的数据量；⑥比较获取数据量最大的时间窗口；⑦得到控制策略时间参数；⑧更新存储控制策略时间参数；⑨统计存储数据在每个人体舒适度指数窗口的数据量；⑩比较获取数据量最大的人体舒适度指数窗口；⑪得到控制策略人体舒适度指数参数；⑫更新存储控制策略人体舒适度指数参数；⑬结束开窗控制策略参数自学习控制流程。

图5中智能门窗控制器的关窗控制策略参数自学习流程为：①开始关窗控制策略参数自学习控制流程；②读取人为关窗时记录存储的数据量大小；③判断数据量是否达到30，即达到自学习流程所需的数据量要求；如果达到要求，则④读取存储的时间和人体舒适度指数数据，否则结束自学习流程；⑤统计存储数据在每个时间窗口的数据量；⑥比较获取数据量最大的时间窗口；⑦得到控制策略时间参数；⑧更新存储控制策略时间参数；⑨统计存储数据在每个人体舒适度指数窗口的数据量；⑩比较获取数据量最大的人体舒适度指数窗口；⑪得到控制策略人体舒适度指数参数；⑫更新存储控制策略人体舒适度指数参数；⑬结束关窗控制策略参数自学习控制流程。

具体实施方式

图1中，本实用新型智能门窗控制系统通信链路连接方式为：智能门窗控制器与传感器设备之间通过传感器输出信号线连接。其中，人体感应器输出为干接点信号，通过2芯无极性线路连接至智能门窗控制器开关量输入端口；温湿度传感器、风速传感器、空气质量传感器、噪声传感器为模拟量信号，电流信号按照电流方向、电压信号按照输出信号和参考地信号通过2芯极性线路分别连接至智能门窗控制器模拟量输入端口。智能门窗控制器与本地操作面板通过开关量信号连接，本地操作面板的开、关信号为2路无源干接点信号，分别通过2芯无极性线路连接至智能门窗控制器的2个开关量输入端口。智能门窗控制器具有WIFI功能，与智能手机、电脑通过无线WIFI通信连接。智能门窗控制器具有RS485现场总线接口，可以与具有同样通信总线接口的第三方应用客户端设备连接。智能门窗控制器具有2路硬件互锁继电器输出端口，分别与控制电动门窗开关方向的电机极性连接。

图2所示了本实用新型中智能门窗控制器的电路原理图，主要由：(1)电源管理电路、(2)RS485总线接口电路、(3)开关量输入电路、(4)继电器输出电路、(6)光电隔离电路、(8)MCU微控制器、(9)A/D采集电路、(15)WIFI功能模块、(16)数据存储电路、(7)RTC晶振和(12)系统时钟有源晶振电路组成。晶振包含：(12)系统时钟有源晶振，为7.3728MHz有源晶振，给(8)MCU微控制器提供工作时序时钟信号；(7)RTC晶振，为32.768KHz无源晶振，给MCU微控制器的RTC提供时钟信号。图2中，(17)系统电源信号是24V直流电源，经过(1)电源管理电路中DC-DC芯片LM2576-5及LM2576-3.3输出要求的5V和3.3V直流电压给系统元件使用。(2)RS485接口电路芯片为SP3485，将(8)MCU微控制器UART1的TTL电平信号转换为RS485差分电平信号，与RS485接口的应用客户端连接，实现智能门窗控制器与应用客户端的信息交互。(15)WIFI功能模块为WizFi210—串口转WIFI模块，与(8)MCU微控制器的UART2通信接口连接，通过对WizFi210简单AT指令配置，即可实现智能门窗控制器无线联网功能。(8)MCU微控制器、晶振及其他系统有源电子元件获得相应工作电源后，(8)MCU微控制器从(16)数据储存电路的外部SD卡存储器中读取自动控制策略参数信息，根据控制策略执行相应的智能应用程序。智能门窗控制器作为本控制系统核心功能设备，在开关门窗的时刻，通过(9)A/D采集电路实时采集传感器环境参数，并利用(16)数据储存电路将时间参数和人体舒适度指数参数储存，并定时通过对采集历史数据的分析和自学习，不断更新自动控制策略参数。(9)A/D采集电路中的模数转换芯片为8通道AD芯片MAX1292，最大输入电压为5V，因此，当传感器为输出0-10V电压信号时，需通过2个1K欧阻值的精密电阻串联分压，分压得到0-5V电压信号，再进入A/D芯片采样通道；当传感器为输出4-20mA电流信号时，需电流流经250欧取样精密电阻，变换为1-5V电压信号，再进入A/D芯片采样通道。智能门窗控制器的(3)开关量输入电路能够采集人体感应开关信号和开关面板信号，(4)继电器输出电路能够输出2路互锁继电器信号控制(5)门窗电机行动方向，从而控制门窗的开闭，开关量输入信号和继电器输出信号均通过(6)光电隔离电路与(8)MCU微控制器的控制引脚实现光电隔离。

图3所示了本实用新型中智能门窗控制器的系统软件流程图，主要流程为：

1、①系统定时器、SD卡存储器、WIFI无线模块、通用输入输出端口、串口、模数转换器等外设初始化；

2、系统初始化完毕后启动1分钟定时器，②系统定时标志有效后，③读取外设SD卡存储器中的自动控制门窗开关的策略参数（时间参数、人体舒适度指数参数）和人为设定的参考环境参数（空气质量、噪声）；

3、④判断读取的控制策略参数的有效性，如参数无效则执行客户端接收数据处理；

4、⑤将读取的参数与当前实时读取的环境参数进行比较判断，是否符合开关门窗的条件。首先进行开门窗时间参数条件判断，当此时满足开窗时间条件时，接着判断依据当前环境温湿度、风速计算出的人体舒适度指数是否符合人体舒适度指数参数设定的开窗要求；如果符合，则接着⑥判断当前环境空气质量是否符合开窗要求；如果符合，则⑦根据人体感应器的室内有无人感应状态执行判断流程，有人在室内时⑧接着判断室外环境噪声情况是否符合开窗要求，无人时不需判断噪声情况。当以上逻辑判断都符合开门窗条件时⑨执行自动开门窗动作，否则不执行；

5、当前环境参数和时间不符合自动开门窗要求的条件参数时，则接着⑩判断是否符合关门窗条件。关门窗条件符合性判断方法为：当自动控制策略参数（时间参数、人体舒适度指数参数）和人为设定的参考环境参数（空气质量、噪声）的任意一项参数指标符合要求时，就⑪执行关窗操作；

6、完成定时读取自动控制策略参数、判断并执行门窗自动开关控制的流程后，系统软件需要处理接收应用客户端指令，应用客户端指令分为控制策略参数设置指令和控制门窗开关指令。如果是⑫控制策略参数设置指令，则⑬直接将接受的参数进行更新存储；如果是⑭控制门窗开关的指令，则在⑮执行此指令后，⑯将此时的时间、人体舒适度指数（利用定时采集的风速、温湿度环境数据计算得到）记录存储。若此时数据存储记录已达30条，则当前记录数据覆盖存储至记录时间最早的数据位置；

7、接着⑰基于新的记录存储的数据进行分析和自学习，生成新的自动控制策略参数，并将新参数进行更新存储；

8、至此，系统将继续返回至③定时读取控制策略参数、④判断并⑤执行自动控制策略、⑫⑭接受处理应用客户端发送指令和⑰基于新记录数据进行自学习的流程。

人体舒适度指数计算，参照以下经验公式：

(ssd)=(1.818t+18.18)(0.88+0.002f)+(t-32)/(45-t)-3.2v+18.2

其中t为气温，f为相对湿度，v为风速，ssd为计算得到的人体舒适度指数值。

图4所示了本实用新型中智能门窗控制器的开窗控制策略参数自学习流程图，主要过程为：

1、首先基于生成控制策略时间参数的需要，系统默认将1天时间按每小时分成24个时间窗口；基于生成控制策略人体舒适度指数等级参数的需要，系统默认将人体舒适度指数分为10个等级；

2、在控制策略参数自学习过程启动前，系统首先读取开窗时已记录存储至智能门窗控制器SD卡中的总数据量；

3、判断数据量大小，当数据量达到30条时说明自学习需要的参考数据量达到要求，如果未达到30条，则不启动自学习过程；

4、自学习过程启动后，系统读取存储在存储器中的30条参考数据，每条数据都包含人为开窗时记录的时间点；

5、先进行时间参数的自学习：接着将记录的时间点数据按照24个时间窗口分别统计得到落入其中每个窗口的数量值；

6、接着对统计出的24个数量值进行比较；

7、拥有最大值的一个时间窗口即为自学习过程得到的控制策略时间参数。若拥有最大统计值的时间窗口为多个，则按时间顺序取最前面的时间窗口为自学习过程得到控制策略时间参数；

8、更新存储控制策略时间参数；

9、在控制策略时间参数自学习完成后，继续进行控制策略人体舒适度指数等级参数的自学习，将记录的人体舒适度指数值数据按照10个舒适度等级窗口分别统计得到落入其中每个窗口的数量值；

10、接着对统计出的10个数量值进行比较；

11、拥有最大值的一个舒适度等级窗口即为自学习过程得到的控制策略人体舒适度指数等级参数。若拥有最大统计值的舒适度等级窗口为多个，则按等级顺序取最前面的舒适度等级窗口为自学习过程得到控制策略舒适度等级参数；

12、更新存储控制策略人体舒适度指数参数；

图5所示了本实用新型中智能门窗控制器的关窗控制策略自学习流程图，主要过程与开窗控制策略自学习流程图类似。主要过程为：

1、首先基于生成控制策略时间参数的需要，系统默认将1天时间按每小时分成24个时间窗口；基于生成控制策略人体舒适度指数等级参数的需要，系统默认将人体舒适度指数分为10个等级；

2、在控制策略自学习过程启动前，系统首先进行相关存储数据量判断，当数据量达到30条时说明自学习需要的参考数据量达到要求，否则不启动自学习过程；

3、自学习过程启动后，先进行关窗控制策略时间参数的自学习：系统读取存储在存储器中的30条参考数据（每条数据都包含人为关窗时记录的时间点），接着将记录的时间点数据按照24个时间窗口分别统计得到落入其中每个时间窗口的数量值，接着对统计出的24个数量值进行比较，拥有最大值的一个时间窗口即为自学习过程得到的控制策略时间参数。若拥有最大统计值的时间窗口为多个，则按时间顺序取最前面的时间窗口为自学习过程得到控制策略时间参数；

4、在控制策略时间参数自学习完成后，继续进行关窗控制策略人体舒适度指数参数的自学习过程：系统读取存储在存储器中的30条参考数据（每条数据都包含人为关窗时记录的人体舒适度指数值），接着将记录的人体舒适度指数值数据按照10个舒适度等级窗口分别统计得到落入其中每个窗口的数量值，接着对统计出的10个数量值进行比较，拥有最大值的一个舒适度等级窗口即为自学习过程得到的控制策略人体舒适度指数参数。若拥有最大统计值的舒适度等级窗口为多个，则按等级顺序取最前面的舒适度等级窗口为自学习过程得到的控制策略人体舒适度指数参数；

本实用新型由于智能门窗控制器具有多种应用客户端接口和采用了人为设置控制策略参数和自学习控制策略参数相结合的智能控制技术，相对于其他智能门窗控制系统主要有以下方面的优势：

第一，丰富的控制方式，同时具有本地控制、电脑联网控制、手机无线遥控多种应用客户端控制手段；

第二，智能门窗控制器不仅能实时采集接入的多种环境传感器数据，还可以把人为开关门窗动作发生时所采集的时间数据和室外环境人体舒适度指数数据记录存储；

第三，系统既支持自动控制策略参数人为预先设定，又能够对人为开关门窗动作时记录存储的相关历史数据进行自学习，动态生成自动控制策略参数，从而使门窗自动控制系统更加智能；

第四，将门窗控制系统与人的日常作息习惯、人体舒适度指数、空气质量、噪声环境相结合，进行综合智能控制，使得系统更加人性化，为人们的生活和学习创造更加安全舒适的条件。

Claims (6)

1.一种具有自学习功能的智能门窗控制系统，系统中智能门窗控制器采集多种环境参数传感器数据，所述环境参数传感器包括温湿度传感器、风速传感器、空气质量传感器、噪声传感器、人体红外感应器，并通过有线或WIFI无线通信方式与应用客户端进行信息交互，其特征是：智能门窗控制器能将采集的传感器数据记录至存储器，并通过对记录数据自学习后，能动态生成控制策略参数，进而依据这些参数智能开关门窗。

2.根据权利要求1所述的具有自学习功能的智能门窗控制系统，其特征是：智能门窗控制器具有数据记录存储功能，能够将人为开关门窗动作时的当前时间、与室外人体舒适度指数相关的温湿度及风速传感器数据、空气质量传感器数据进行记录存储。

3.根据权利要求1所述的具有自学习功能的智能门窗控制系统，其特征是：智能门窗控制器具有自学习功能，能够对人为开关门窗动作时记录存储的相关环境数据进行自学习，动态生成自动控制策略参数，实现依据人的使用行为习惯、室外环境舒适程度、室外空气质量综合判断，智能进行开关门窗操作。

4.根据权利要求1所述的具有自学习功能的智能门窗控制系统，其特征是：应用客户端包含与智能门窗控制器直接连接的本地操作面板，还包含通过现场总线接口方式与智能门窗控制器通信连接的总线制操作终端，还包含通过WIFI与智能门窗控制器通信连接的智能手机、电脑等装置。

5.根据权利要求1所述的具有自学习功能的智能门窗控制系统，其特征是：智能门窗控制器具有WIFI无线通信功能，应用客户端能够通过WIFI与智能门窗控制器实现通信连接，获取其采集的环境参数信息、设置其工作参数、对其进行实时控制。

6.根据权利要求1所述的具有自学习功能的智能门窗控制系统，其特征是：智能门窗控制器具有RS485现场通信总线接口，应用客户端能够通过RS485现场通信总线与智能门窗控制器实现通信连接，获取其采集的环境参数信息、设置其工作参数、对其进行实时控制。