本作品将横流风扇装置于窗户上,利用气旋加速之原理带动窗户内外空气之流动以产生气流,并透过机构控制下方所吹出的风之流向。机构上方四组感测器,分别为温度、灰尘、雨滴与风速感测器,依这些感测器之数据决定是否需将窗户关闭及所需要的气流方向,使室内环境达到最舒适的温度与品质,减少不必要的空调能源消耗。本装置还能以G.hn晶片模组连接网路后与手机沟通,使用者透过手机应用程式可观看目前窗户与环境状态,亦可依使用者喜好手动设定气流方向与窗户的开闭状态。
现在天气温差变化大[1],室内温度调节不易。为使室内温度控制适宜,保持空气流通,一般做法是将窗户打开通风。但是窗户开启后若进出的风量有限,进一步的做法就是在窗户上加装抽风机。但传统抽风机不仅挡住视线不美观,同时控制开关及抽风的方向也相当不便。
本作品利用气旋加速[2]之原理,制造出强劲的气流,加速通风的效果以求室内达到最舒适的温度。这样不仅达到通风的效果,亦可欣赏窗外的风景。若气温实在太高,使用者选择开启冷气时,本作品也会自动将窗户关闭,达到整个流程的顺畅性。本作品以盛群微控制器HT66FU50做为控制核心,首先读取室内外两侧的温度感测模组之数值,再以所量测的数值作为判别所需气流方向的依据,以达到室内最舒适的环境温度。
另外,盛群微控制器也会侦测冷气开关状态,当冷气机被开启时,便会自动将窗户关上,避免冷气流失,达到节能的目的。而本作品透由G.hn晶片模组连结电力线网路,再以路由器与手机沟通,使用者可依自己喜好设定气流方向及窗户开关状态。
工作原理
下图为本作品的系统架构图,主要以盛群晶片HT66FU50为核心,控制底部马达机构及开关窗户机构。与使用者沟通方面则是透过G.hn晶片模组连结电力线网路。
系统流程图
下图为本作品的系统流程图,可比对室内外温度后决定所需气流之方向,最后达到舒适的室内温度。且侦测冷气开关状态来决定是否需要将窗户关上。而使用者也可依自己喜好来做设定。
窗户自动化开关功能
当冷气开启时窗户自动关闭
当室内冷气开启时,系统会侦测到冷气已启动,并连动窗户,使窗户关上。
户外下雨时窗户自动关闭
当雨滴感测器的感应板侦测到有水滴时,系统将判断为下雨,并连动窗户,使窗户关上。
室外灰尘过高时窗户自动关闭
当灰尘感测器感测到,室外的灰尘量到达我们所设定的值,系统将会连动窗户,使窗户关上。
控制风向功能
当室外温度低于室内时,风向往内吹
当系统侦测到室内比室外闷热时,风扇会开启,将室外的风吹进室内,达到内外温度一致。
下图为本作品的机构控制图,主要以伺服马达拉动内框,带动气流往不同方向吹出,内框向左靠则气流向同方向吹出;反之则相反。
行动装置通讯与G.hn传输
下图为本系统之G..hn运作流程。首先盛群晶片模组(HT66FU50)先透过TCP/IP网路转换器(PM-S2E-S01TR25)将UART讯号转换为TCP/IP通讯格式,接着再透过晶片端之G.hn模组传送至无线AP端之G.hn模组,最后将手机连上此无线AP,即可以TCP/IP通讯协定与盛群晶片传输数据。
本作品开发之手机APP,提供使用者观看目前窗户状态及手动控制之功能,让使用者不需自行前往指定窗户即可控制窗户之开闭,以及可依自己喜好来控制气流方向。手机硬体需求只需有WiFi功能,并且连线到指定的无线路由器即可与盛群晶片连结,再透过使用者介面来观看控制窗户状态与气流方向。
作品结构
微控制器
盛群微控制器HT66FU50将量测到的感测器数据经过A/D转换后,判别目前需要的气流方向及窗户状态,且控制风扇转动。最后再透过G.hn模组与手机沟通。
温度感测模组
本作品使用同为电阻式的热敏电阻与湿度元件达成温湿度侦测。热敏电阻藉由不同的参杂氧化金属与半导体材料,对不同温度有不同电阻变化。而电阻湿度感测是在感湿高分子膜上下各蒸镀上齿状电极,当湿度改变时,高分子膜吸收水分,使水分改变电极进而使电阻改变。将这类比讯号传至盛群晶片HT66FU50,再透过数位类比转换后的数值做判断,决定所需气流之方向。
灰尘感测器
光学灰尘感测器(GP2Y1010AU0F)在检测非常细的颗粒,如香烟烟雾,是特别有效的,并且是常用的空气净化器系统。
该装置中,一个红外发光二极体和光电电晶体,对角布置成允许其检测到在空气中的灰尘反射光。
该传感器具有极低的电流消耗(最大20mA,11毫安培典型的),可以搭载高达7VDC的感测器。输出的是一个类比电压正比于所测得的粉尘浓度,敏感性为0.5V/0.1mg/m3。
雨滴感测器
本感测器为TTL电位输出,TTL输出有效信号为低电位,驱动能力100mA左右,可直接驱动继电器,蜂鸣器,小风扇...等等。
接上5V电源电源灯亮,感应板上没有水滴时,DO输出为高电位,开关指示灯灭;当感应板上有水滴时,DO输出为低电位,开关指示灯亮,刷掉上面的水滴,又会恢复到,输出高电位状态。
雨滴感测器可以使用在智慧农场、环境检测...等应用。
风速计
风速计可以量测目前空气的流量大小,若是量测到室外的自然风速流量足够,盛群晶片会将窗户打开,透过自然风来调节室内温度。
横流风扇
装置于机构底部,并且透过盛群晶片控制风扇的旋转与停止,再由机构控制风向。
马达与螺杆
装置于窗户上,透过盛群晶片控制马达转向,再由螺杆推动窗户,来达成窗户的开启或关闭。
微动开关
装置于窗户上,用来感测窗户目前状态是开启或关闭,再将状态输入于盛群晶片之IO脚,若窗户已关紧或开毕则不再驱动马达。
G.hn晶片模组
作为连接电力线网路的设备,可将从手机传输至路由器的讯号,透过电力线网路传至盛群晶片HT66FU50。
将本系统连结电力线网路,只需要将电源插上插座,便可与另一端的G.hn晶片模组沟通,而另一端的G.hn晶片模组可连结路由器,如此一来手机便可连上路由器,传输讯号给本系统,可以自行设定所需的气流方向或是窗户开闭状态。
测试方法
硬体系统安装
本作品共有六处需要安装连结,分别是电源供应器、直流马达、G.hn模组、感测器、微动开关以及伺服马达,均连接完成后,电源供应器插上插座即可供电使用。
开启APP
硬体安装完成后,即可开启本队伍开发之APP来观看目前窗户状态及手动喜好设定。
开启冷气
按下下方之【开启冷气】按钮来模拟冷气开启之状态,随后窗户自动关上。
侦测下雨
当雨滴感测器侦测到下雨时,窗户也会自动关上,模拟方法为将湿纸巾碰触于雨滴感测器上。
悬浮粒子过多
当灰尘感测器侦测室外悬浮粒子过多时,窗户也会自动关上,测试方法为将物品插入灰尘感测器之中,模拟巨大悬浮物之状态。
室外自然风
当风速计侦测到室外的风速很强时,会将窗户打开,自然送风,不必再开启风扇,节省能源,测试方法为将风扇置于风速计之前,风速计便会感测到风的流量,如图所示。
室外温度较室内低
当温度感测器感测到室外的温度低于室内时,会将窗户打开,并且向内送风,调节室内温度,达到舒适的环境,测试方法为用手将温度感测器握住,使温度感测器量测到较室温高的体温,如图所示。
手动喜好设定
使用者只需按下按钮,便可以依自己喜好来决定气流风向以及窗户是否要关闭。
(本文作者陈志勇为树德科技大学电脑与通讯系教授,简敬儒、林子涵、杜子麟、于铭峻为树德科技大学电脑与通讯系研究生)
参考文献
[1] http://www.cwb.gov.tw/V7/climate/climate_info/backgrounds/backgrounds_2.html,交通部中央气象局-全球暖化与气候变迁
[2] http://technews.tw/2014/08/09/air-multiplier/科技新报-无叶风扇原理图解