一種具有自學習功能的智能門窗控制系統的制作方法
【專利摘要】一種具有自學習功能的智能門窗控制系統。本實用新型智能門窗控制系統由智能門窗控制器、多種環境參數傳感器及其組合、WIFI無線通信鏈路設備及應用客戶端組成。該系統不僅能預先設定控制策略，實現對門窗的遠程和本地自動控制，而且系統能對人為開關門窗時刻的環境數據進行記錄存儲和自學習，實現依據人的使用行為習慣、室外空氣質量、室外環境舒適程度等因素進行綜合判斷，智能進行開關門窗操作。本實用新型既具有預設控制策略進行門窗自動控制系統的功能及優勢，而且能夠對人為開關門窗動作時記錄的相關數據進行自學習，動態生成控制策略參數，從而使家居門窗自動控制更加人性化和智能化。
【專利說明】一種具有自學習功能的智能門窗控制系統
【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及一種利用通信技術、自動控制技術和電子技術來實現家居門窗智能控制的功能系統，屬于物聯網及智能家居應用領域。
【背景技術】
[0002]隨著國民經濟的發展和科學技術水平的提高，特別是物聯網技術和智能家居技術的迅猛發展與提高，家居的門窗開關控制也進入了智能化時代。然而，縱觀國內智能門窗控制系統產品，門窗控制的智能程度還不高，有的甚至只有遙控功能也稱為智能控制，大多數智能門窗控制系統也只是根據人為設定的控制策略，進行環境相關的傳感器參數采集并執行控制。如果系統不人為更新設定控制策略的相關參數，則系統的門窗自動控制方式就不會改變，從而使得門窗的自動控制方式較為固定死板，不能依據人的日常生活習慣改變做相應自動改變，不夠人性化、智能化。
【發明內容】
[0003]為了克服目前的智能門窗控制系統只是依據人為預先設定的控制策略參數進行固定方式控制的不足，本實用新型提供一種智能門窗控制系統，該系統不僅能夠預先設定控制策略相關參數，實現對電動門窗的遠程和本地自動控制，而且系統中使用的智能門窗控制器具有數據采集存儲功能，能夠對人在平常工作生活習慣中進行開關門窗動作的時亥|J、依據當時室外環境溫濕度、風速計算得到的人體舒適度指數這些環境數據進行記錄存儲。智能門窗控制器通過對記錄存儲的這些數據進行分析和自學習，動態生成控制策略參數，實現依據人平時的開關門窗行為習慣、室外環境人體舒適程度、室外空氣質量等因數綜合判斷，智能進行開關門窗操作。
[0004]本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:本系統由智能門窗控制器、室外溫濕度傳感器、風速傳感器、空氣質量傳感器、噪聲傳感器及人體感應器等多種環境參數傳感器及其組合、WIFI無線通信鏈路設備及應用客戶端組成。溫濕度傳感器、風速傳感器、空氣質量傳感器、噪聲傳感器將外部環境物理信號轉為0-10V或4-20mA的模擬量信號；人體感應器將室內有無人存在狀態信號轉為數字量信號。智能門窗控制器是本系統的核心設備，它具有繼電器輸出端口，控制電動門窗的電機設備，從而控制門窗開關；它具有多路模擬量和數字量電信號采集端口，可以采集多個模擬量傳感器和數字量傳感器的環境參數；它具有無線WIFI通信功能，可以方便接入無線局域網，與聯網的智能手機、電腦等應用客戶端通信，實現門窗開關遠程操作和自動控制策略參數設置；它具有接入本地操作開關面板的2路數字量輸入端口，分別接面板開、關門窗按鍵信號，實現門窗開關用面板操作；它具有RS485現場通信總線接口，通過現場總線連接總線制操作終端，實現門窗開關用具有現場總線接口的應用客戶端操作；它具有本地SD卡儲存器和實時時鐘，能夠在人為操作門窗開關時將當前時間、依據當前室外環境溫濕度、風速計算出的人體舒適度指數、空氣質量環境數據進行記錄并存儲到SD卡存儲器中；它具有自學習功能，能夠對開關門窗動作時記錄存儲的歷史數據進行自學習，主要分析學習人的作息規律(開關門窗時間點)，以及分析學習影響人體舒適程度的室外人體舒適度指數，結合空氣質量參數，實現依據人的作息行為習慣、室外環境舒適程度、室外空氣質量進行綜合判斷，智能進行開關窗戶操作。
[0005]本實用新型智能門窗控制系統對存儲記錄的歷史數據通過自學習，形成新的門窗自動控制策略參數，學習方式為:首先通過對以往人為控制門窗開關動作發生的時間點進行統計分析，分析其室內作息時間規律，推斷出最適合開關門窗的時段區間，作為本智能控制系統的控制策略時間參數；另外通過對以往人為控制門窗開關動作發生時的人體舒適度指數進行統計分析，分析其對室外舒適度等級的感受習慣，推斷出最適合開關門窗的人體舒適度指數等級，作為本智能控制系統的自動控制策略人體舒適度指數參數；然后依據控制策略的時間和人體舒適度指數參數，結合考慮空氣質量情況，有人在屋內時，還要考慮噪聲影響，無人時不考慮噪聲，綜合所述這些因素，得出最終控制策略，從而智能控制門窗的打開和關閉。
[0006]本實用新型的有益效果是既具有目前常見智能門窗控制系統的功能及優勢，而且同時具有本地控制、無線遙控多種應用客戶端控制手段，更重要的是能夠對開關門窗動作時采集存儲的歷史環境數據進行自學習，動態生成并更新自動控制策略參數，從而使門窗自動控制系統更加人性化和智能化，為人們的生活和學習創造更加安全舒適的條件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]下面結合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0008]圖1是本實用新型的系統結構原理圖。
[0009]圖2是本實用新型的智能門窗控制器電路結構原理圖。
[0010]圖3是本實用新型的智能門窗控制器系統軟件流程圖。
[0011]圖4是本實用新型的智能門窗控制器開窗控制策略參數自學習流程圖。
[0012]圖5是本實用新型的智能門窗控制器關窗控制策略參數自學習流程圖。
[0013]圖1中本實用新型系統主要由:(5)智能門窗控制器、(7)溫濕度傳感器、⑶空氣質量傳感器、(10)人體感應傳感器、(11)聲音傳感器、(12)風速傳感器、(3) WIFI無線路由器、(9)門窗電機及應用客戶端組成。應用客戶端包括:(I)監控電腦、(2)智能手機、(4)總線制操作終端、(6)本地操作面板。
[0014]圖2中智能門窗控制器電路主要由:(I)電源管理電路、(2)RS485總線接口電路、
(3)開關量輸入電路、(4)繼電器輸出電路、(6)光電隔離電路、(8)MCU微控制器、(9)A/D米集電路、(15)WIFI功能模塊、(16)數據存儲電路、(7)RTC晶振和(12)系統時鐘有源晶振電路組成。
[0015]圖3中智能門窗控制器的系統軟件工作流程為:①系統軟硬件初始化，②定時器定時時間到后，③執行讀取存儲在SD卡中的門窗自動控制策略參數；④然后判斷讀取的參數是否合理有效，有效則接著執行⑤⑥⑦⑧⑩流程，綜合判斷開窗和關窗的當前時間及人體舒適度等級、空氣質量等環境參數是否與自動控制策略參數相符合，如果相符，則執行⑨開門窗或?關門窗動作；自動控制流程執行完畢后系統處理外部應用客戶端發送的指令，如果是?控制策略參數設置指令，則執行?控制策略參數的存儲和更新，如果是?開關門窗的動作指令，則?依據當前門窗的開關狀態執行相應動作，并?將當前環境參數(溫濕度、風速)計算得到的人體舒適度指數和時間采集存儲至SD卡存儲器；進而通過?對采集存儲的數據進行分析自學習，?更新存儲新的控制策略參數，并返回至定時讀取控制策略參數，執行自動控制策略、接受處理應用客戶端發送指令和基于新采集數據分析自學習的流程。
[0016]圖4中智能門窗控制器的開窗控制策略參數自學習流程為:①開始開窗控制策略參數自學習控制流程；②讀取人為開窗時記錄存儲的數據量大小判斷數據量是否達到30，即達到自學習流程所需的數據量要求；如果達到要求，則④讀取存儲的時間和人體舒適度指數數據，否則結束自學習流程；⑤統計存儲數據在每個時間窗口的數據量；⑥比較獲取數據量最大的時間窗口 ；⑦得到控制策略時間參數更新存儲控制策略時間參數；@統計存儲數據在每個人體舒適度指數窗口的數據量；⑩比較獲取數據量最大的人體舒適度指數窗口得到控制策略人體舒適度指數參數；?更新存儲控制策略人體舒適度指數參數；?結束開窗控制策略參數自學習控制流程。
[0017]圖5中智能門窗控制器的關窗控制策略參數自學習流程為:①開始關窗控制策略參數自學習控制流程；②讀取人為關窗時記錄存儲的數據量大小判斷數據量是否達到30，即達到自學習流程所需的數據量要求；如果達到要求，則④讀取存儲的時間和人體舒適度指數數據，否則結束自學習流程；⑤統計存儲數據在每個時間窗口的數據量；⑥比較獲取數據量最大的時間窗口 ；⑦得到控制策略時間參數更新存儲控制策略時間參數；@統計存儲數據在每個人體舒適度指數窗口的數據量；⑩比較獲取數據量最大的人體舒適度指數窗口得到控制策略人體舒適度指數參數；?更新存儲控制策略人體舒適度指數參數丨?結束關窗控制策略參數自學習控制流程。
【具體實施方式】
[0018]圖1中，本實用新型智能門窗控制系統通信鏈路連接方式為:智能門窗控制器與傳感器設備之間通過傳感器輸出信號線連接。其中，人體感應器輸出為干接點信號，通過2芯無極性線路連接至智能門窗控制器開關量輸入端口 ；溫濕度傳感器、風速傳感器、空氣質量傳感器、噪聲傳感器為模擬量信號，電流信號按照電流方向、電壓信號按照輸出信號和參考地信號通過2芯極性線路分別連接至智能門窗控制器模擬量輸入端口。智能門窗控制器與本地操作面板通過開關量信號連接，本地操作面板的開、關信號為2路無源干接點信號，分別通過2芯無極性線路連接至智能門窗控制器的2個開關量輸入端口。智能門窗控制器具有WIFI功能，與智能手機、電腦通過無線WIFI通信連接。智能門窗控制器具有RS485現場總線接口，可以與具有同樣通信總線接口的第三方應用客戶端設備連接。智能門窗控制器具有2路硬件互鎖繼電器輸出端口，分別與控制電動門窗開關方向的電機極性連接。
[0019]圖2所示了本實用新型中智能門窗控制器的電路原理圖，主要由:(1)電源管理電路、(2)RS485總線接口電路、(3)開關量輸入電路、(4)繼電器輸出電路、(6)光電隔離電路、
(8)MCU微控制器、(9)A/D采集電路、(15) WIFI功能模塊、(16)數據存儲電路、(7) RTC晶振和(12)系統時鐘有源晶振電路組成。晶振包含:(12)系統時鐘有源晶振，為7.3728MHz有源晶振，給(8)MCU微控制器提供工作時序時鐘信號；(7) RTC晶振，為32.768KHz無源晶振，給MCU微控制器的RTC提供時鐘信號。圖2中，(17)系統電源信號是24V直流電源，經過(I)電源管理電路中DC-DC芯片LM2576-5及LM2576-3.3輸出要求的5V和3.3V直流電壓給系統元件使用。(2) RS485接口電路芯片為SP3485，將(8)MCU微控制器UARTl的TTL電平信號轉換為RS485差分電平信號，與RS485接口的應用客戶端連接，實現智能門窗控制器與應用客戶端的信息交互。(15)WIFI功能模塊為WizFi210 —串口轉WIFI模塊，與(8)MCU微控制器的UART2通信接口連接，通過對WizFi210簡單AT指令配置，即可實現智能門窗控制器無線聯網功能。(8)MCU微控制器、晶振及其他系統有源電子元件獲得相應工作電源后，(8)MCU微控制器從(16)數據儲存電路的外部SD卡存儲器中讀取自動控制策略參數信息，根據控制策略執行相應的智能應用程序。智能門窗控制器作為本控制系統核心功能設備，在開關門窗的時刻，通過(9)A/D采集電路實時采集傳感器環境參數，并利用(16)數據儲存電路將時間參數和人體舒適度指數參數儲存，并定時通過對采集歷史數據的分析和自學習，不斷更新自動控制策略參數。(9)A/D采集電路中的模數轉換芯片為8通道AD芯片MAX1292，最大輸入電壓為5V，因此，當傳感器為輸出O-1OV電壓信號時，需通過2個IK歐阻值的精密電阻串聯分壓，分壓得到0-5V電壓信號，再進入A/D芯片采樣通道；當傳感器為輸出4-20mA電流信號時，需電流流經250歐取樣精密電阻，變換為1_5V電壓信號，再進入A/D芯片采樣通道。智能門窗控制器的(3)開關量輸入電路能夠采集人體感應開關信號和開關面板信號，(4)繼電器輸出電路能夠輸出2路互鎖繼電器信號控制(5)門窗電機行動方向，從而控制門窗的開閉，開關量輸入信號和繼電器輸出信號均通過(6)光電隔離電路與(8)MCU微控制器的控制引腳實現光電隔離。
[0020]圖3所示了本實用新型中智能門窗控制器的系統軟件流程圖，主要流程為:
[0021]1、①系統定時器、SD卡存儲器、WIFI無線模塊、通用輸入輸出端口、串口、模數轉換器等外設初始化；
[0022]2、系統初始化完畢后啟動I分鐘定時器，②系統定時標志有效后，③讀取外設SD卡存儲器中的自動控制門窗開關的策略參數(時間參數、人體舒適度指數參數)和人為設定的參考環境參數(空氣質量、噪聲)；
[0023]3、④判斷讀取的控制策略參數的有效性，如參數無效則執行客戶端接收數據處理；
[0024]4、⑤將讀取的參數與當前實時讀取的環境參數進行比較判斷，是否符合開關門窗的條件。首先進行開門窗時間參數條件判斷，當此時滿足開窗時間條件時，接著判斷依據當前環境溫濕度、風速計算出的人體舒適度指數是否符合人體舒適度指數參數設定的開窗要求；如果符合，則接著⑥判斷當前環境空氣質量是否符合開窗要求；如果符合，則⑦根據人體感應器的室內有無人感應狀態執行判斷流程，有人在室內時⑧接著判斷室外環境噪聲情況是否符合開窗要求，無人時不需判斷噪聲情況。當以上邏輯判斷都符合開門窗條件時⑨執行自動開門窗動作，否則不執行；
[0025]5、當前環境參數和時間不符合自動開門窗要求的條件參數時，則接著⑩判斷是否符合關門窗條件。關門窗條件符合性判斷方法為:當自動控制策略參數(時間參數、人體舒適度指數參數)和人為設定的參考環境參數(空氣質量、噪聲)的任意一項參數指標符合要求時，就?執行關窗操作；
[0026]6、完成定時讀取自動控制策略參數、判斷并執行門窗自動開關控制的流程后，系統軟件需要處理接收應用客戶端指令，應用客戶端指令分為控制策略參數設置指令和控制門窗開關指令。如果是?控制策略參數設置指令，則?直接將接受的參數進行更新存儲；如果是?控制門窗開關的指令，則在?執行此指令后，?將此時的時間、人體舒適度指數(利用定時采集的風速、溫濕度環境數據計算得到)記錄存儲。若此時數據存儲記錄已達30條，則當前記錄數據覆蓋存儲至記錄時間最早的數據位置；
[0027]7、接著?基于新的記錄存儲的數據進行分析和自學習，生成新的自動控制策略參數，并將新參數進行更新存儲；
[0028]8、至此，系統將繼續返回至③定時讀取控制策略參數、④判斷并⑤執行自動控制策略、?⑩接受處理應用客戶端發送指令和?基于新記錄數據進行自學習的流程。
[0029]人體舒適度指數計算，參照以下經驗公式:
[0030](ssd) = (1.818t+18.18) (0.88+0.002f) + (t_32) / (45_t) -3.2v+18.2
[0031]其中t為氣溫，f為相對濕度，V為風速，ssd為計算得到的人體舒適度指數值。
[0032]圖4所示了本實用新型中智能門窗控制器的開窗控制策略參數自學習流程圖，主要過程為:
[0033]1、首先基于生成控制策略時間參數的需要，系統默認將I天時間按每小時分成24個時間窗口 ；基于生成控制策略人體舒適度指數等級參數的需要，系統默認將人體舒適度指數分為10個等級；
[0034]2、在控制策略參數自學習過程啟動前，系統首先讀取開窗時已記錄存儲至智能門窗控制器SD卡中的總數據量；
[0035]3、判斷數據量大小，當數據量達到30條時說明自學習需要的參考數據量達到要求，如果未達到30條，則不啟動自學習過程；
[0036]4、自學習過程啟動后，系統讀取存儲在存儲器中的30條參考數據，每條數據都包含人為開窗時記錄的時間點；
[0037]5、先進行時間參數的自學習:接著將記錄的時間點數據按照24個時間窗口分別統計得到落入其中每個窗口的數量值；
[0038]6、接著對統計出的24個數量值進行比較；
[0039]7、擁有最大值的一個時間窗口即為自學習過程得到的控制策略時間參數。若擁有最大統計值的時間窗口為多個，則按時間順序取最前面的時間窗口為自學習過程得到控制策略時間參數；
[0040]8、更新存儲控制策略時間參數；
[0041]9、在控制策略時間參數自學習完成后，繼續進行控制策略人體舒適度指數等級參數的自學習，將記錄的人體舒適度指數值數據按照10個舒適度等級窗口分別統計得到落入其中每個窗口的數量值；
[0042]10、接著對統計出的10個數量值進行比較；
[0043]11、擁有最大值的一個舒適度等級窗口即為自學習過程得到的控制策略人體舒適度指數等級參數。若擁有最大統計值的舒適度等級窗口為多個，則按等級順序取最前面的舒適度等級窗口為自學習過程得到控制策略舒適度等級參數；
[0044]12、更新存儲控制策略人體舒適度指數參數；
[0045]圖5所示了本實用新型中智能門窗控制器的關窗控制策略自學習流程圖，主要過程與開窗控制策略自學習流程圖類似。主要過程為:
[0046]1、首先基于生成控制策略時間參數的需要，系統默認將I天時間按每小時分成24個時間窗口 ；基于生成控制策略人體舒適度指數等級參數的需要，系統默認將人體舒適度指數分為10個等級；
[0047]2、在控制策略自學習過程啟動前，系統首先進行相關存儲數據量判斷，當數據量達到30條時說明自學習需要的參考數據量達到要求，否則不啟動自學習過程；
[0048]3、自學習過程啟動后，先進行關窗控制策略時間參數的自學習:系統讀取存儲在存儲器中的30條參考數據(每條數據都包含人為關窗時記錄的時間點)，接著將記錄的時間點數據按照24個時間窗口分別統計得到落入其中每個時間窗口的數量值，接著對統計出的24個數量值進行比較，擁有最大值的一個時間窗口即為自學習過程得到的控制策略時間參數。若擁有最大統計值的時間窗口為多個，則按時間順序取最前面的時間窗口為自學習過程得到控制策略時間參數；
[0049]4、在控制策略時間參數自學習完成后，繼續進行關窗控制策略人體舒適度指數參數的自學習過程:系統讀取存儲在存儲器中的30條參考數據(每條數據都包含人為關窗時記錄的人體舒適度指數值)，接著將記錄的人體舒適度指數值數據按照10個舒適度等級窗口分別統計得到落入其中每個窗口的數量值，接著對統計出的10個數量值進行比較，擁有最大值的一個舒適度等級窗口即為自學習過程得到的控制策略人體舒適度指數參數。若擁有最大統計值的舒適度等級窗口為多個，則按等級順序取最前面的舒適度等級窗口為自學習過程得到的控制策略人體舒適度指數參數；
[0050]本實用新型由于智能門窗控制器具有多種應用客戶端接口和采用了人為設置控制策略參數和自學習控制策略參數相結合的智能控制技術，相對于其他智能門窗控制系統主要有以下方面的優勢:
[0051]第一，豐富的控制方式，同時具有本地控制、電腦聯網控制、手機無線遙控多種應用客戶％5控制手段；
[0052]第二，智能門窗控制器不僅能實時采集接入的多種環境傳感器數據，還可以把人為開關門窗動作發生時所采集的時間數據和室外環境人體舒適度指數數據記錄存儲；
[0053]第三，系統既支持自動控制策略參數人為預先設定，又能夠對人為開關門窗動作時記錄存儲的相關歷史數據進行自學習，動態生成自動控制策略參數，從而使門窗自動控制系統更加智能；
[0054]第四，將門窗控制系統與人的日常作息習慣、人體舒適度指數、空氣質量、噪聲環境相結合，進行綜合智能控制，使得系統更加人性化，為人們的生活和學習創造更加安全舒適的條件。
【權利要求】
1.一種具有自學習功能的智能門窗控制系統，系統中智能門窗控制器采集多種環境參數傳感器數據，所述環境參數傳感器包括溫濕度傳感器、風速傳感器、空氣質量傳感器、噪聲傳感器、人體紅外感應器，并通過有線或WIFI無線通信方式與應用客戶端進行信息交互，其特征是:智能門窗控制器能將采集的傳感器數據記錄至存儲器，并通過對記錄數據自學習后，能動態生成控制策略參數，進而依據這些參數智能開關門窗。
2.根據權利要求1所述的具有自學習功能的智能門窗控制系統，其特征是:智能門窗控制器具有數據記錄存儲功能，能夠將人為開關門窗動作時的當前時間、與室外人體舒適度指數相關的溫濕度及風速傳感器數據、空氣質量傳感器數據進行記錄存儲。
3.根據權利要求1所述的具有自學習功能的智能門窗控制系統，其特征是:智能門窗控制器具有自學習功能，能夠對人為開關門窗動作時記錄存儲的相關環境數據進行自學習，動態生成自動控制策略參數，實現依據人的使用行為習慣、室外環境舒適程度、室外空氣質量綜合判斷，智能進行開關門窗操作。
4.根據權利要求1所述的具有自學習功能的智能門窗控制系統，其特征是:應用客戶端包含與智能門窗控制器直接連接的本地操作面板，還包含通過現場總線接口方式與智能門窗控制器通信連接的總線制操作終端，還包含通過WIFI與智能門窗控制器通信連接的智能手機、電腦等裝置。
5.根據權利要求1所述的具有自學習功能的智能門窗控制系統，其特征是:智能門窗控制器具有WIFI無線通信功能，應用客戶端能夠通過WIFI與智能門窗控制器實現通信連接，獲取其采集的環境參數信息、設置其工作參數、對其進行實時控制。
6.根據權利要求1所述的具有自學習功能的智能門窗控制系統，其特征是:智能門窗控制器具有RS485現場通信總線接口，應用客戶端能夠通過RS485現場通信總線與智能門窗控制器實現通信連接，獲取其采集的環境參數信息、設置其工作參數、對其進行實時控制。
【文檔編號】E05F15/20GK203925102SQ201420245782
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月15日 優先權日:2014年5月15日
【發明者】楊玉峰, 王小燕 申請人:楊玉峰