一種安全型多功能智能窗通風監控裝置設計

周利杰 孫天佑 丁 力

（常州機電職業技術學，江蘇 常州 213164）

0 引言

隨著社會的發展，人們對生活的舒適度的要求不斷提高。 現在建筑的封閉性，加上人們夏天使用空調冬天使用暖氣的習慣，導致空間密閉，室內空氣中含氧量卻不斷下降， 呼吸產生的二氧化碳含量上升，房間內揮發出來如甲醛等各種有機物質加上人類自身活動引起的灰塵和煙氣積累增加，加重了對室內的空氣質量的影響。長時間在這種空氣下生活很容易導致感冒發燒、咽炎和頭暈頭痛，嚴重影響了人們的身體健康。

開窗通風換氣是最為簡單和可行的辦法，但是無論是人們認知上的缺失，還是固有的生活習慣難以改變，以及不斷加快的工作和生活節奏往往都使得我們很難有時間去考慮室內空氣質量問題。 此外，我們也應該認識到，對于當前的高層建筑開窗通風也存在一定的安全風險，如開窗通風時有兒童攀爬窗戶或者下雨天開窗通風房間內部進水產生的裝修受損破壞及問題。 為此，我們需要一種安全型多功能智能窗通風監控裝置。

1 總體設計

整個裝置可實現兩部分功能，即室內空氣質量監測及開窗通風和開窗時的安全防范。第一個功能的實現通過在室內安裝二氧化碳、甲醛及煙霧等氣體含量探測器和在窗外安裝風速探測器，當相關氣體含量超標時可自動開啟窗戶進行通風換氣，同時根據實時監測的窗外風速情況來智能調節窗戶達到理想的開度。第二個功能的實現通過在窗體的頂端安裝非接觸的身高探測器和窗戶外側安裝雨滴探測器，當有身高較低兒童靠近或攀爬窗戶或者窗外降雨時可立刻關閉窗戶并報警提示。 具體的工作原理如圖1 所示。

圖1 裝置系統工作原理圖

本設計的核心部分是一個智能化開關窗主控制器并配有相應的傳動機構，通過無線藍牙信號與配套的硬件傳感模塊通信，能可靠監測室內空氣質量、在開窗自然通風狀況能可靠探測兒童的靠近情況，主控制器上運行的智能化識別和判定程序，可根據收集到的各種數據綜合分析并判斷是否需要開關窗操作。

主控制器以單片機為核心， 配有紅外探測模塊、無線藍牙通信模塊繼電器控制模塊以及聲光報警模塊（見圖2）。 繼電器控制模塊可以控制電路上的繼電器進行可靠的接通和斷開以控制與窗體直接相連的開窗器傳動機構實現窗戶的開、關和停的操作。 正常工作時，主控制器通過無線藍牙采集各種探測器的數據進行分析和處理，當相關氣體含量超標時可自動開啟窗戶進行通風換氣同時根據實時監測的窗外風速情況來智能調節窗戶達到理想的開度，當有身高較低兒童靠近或攀爬窗戶或者窗外降雨時可立刻關閉窗戶并報警提示。

圖2 主控制器系統工作框圖

系統中的探測器有多種，每種探測器均采用單片機核心，配有無線藍牙模塊、LED 顯示模塊、一種智能窗專用的檢測模塊即本系統中涉及的用于檢測室內空氣質量、室外天氣狀況等檢測模塊。 由于每個探測器都配有無線藍牙模塊，所以安裝位置比較自由方便且能夠與主控制器進行可靠通信。智能窗用各個探測器的系統功能框圖如圖3 所示。

圖3 各個智能窗用探測器系統框圖

各個智能窗配套相關的傳感探測器塊為了能夠更準確地進行相關參數的探測，被考慮分散放置在室內外的特定的位置上，其上的時鐘日歷芯片可用來記錄故障發生的時間，按鍵輸入和顯示輸出模塊可用于測量參數報警值的設定等操作。當參數超過限值或模塊發生故障時其上的聲光器件會報警提示。各個智能傳感模塊均通過無線藍牙與主控制器進行數據交換。

2 裝置硬件選型

2.1 對于裝置硬件的甲醛檢測傳感元件器的選型

甲醛檢測模塊可對室內不斷積累的甲醛進行探測，同時進行電化學原理分析，是一種小型化的適合在絕大多數環境下使用的模塊。模塊的內部有溫度傳感器可隨時進行基于溫度的修正， 由于該模塊配備了各種輸出接口，所以很方便與單片機接口進行數據交換，該甲醛模塊具有較低的低功耗和較高靈敏度以及較高的分辨率，具有使用方便和穩定性好的優點。 該模塊主要應用在空氣質量監測與凈化以及新風換氣等系統，所以對于本設計非常的適用，具體接口電路如圖4 所示。

圖4 甲醛檢測接口電路圖

2.2 對于裝置硬件身高探測傳感模塊的選型

身高探測模塊采用的是一體化超聲波測距模塊，該模塊是一種超聲波距離探測傳感模塊。該模塊具有一體電容式靜電換能器探頭，靈敏度高。傳感模塊帶有溫度補償電路，可在10cm～300cm 范圍內能夠準確探測出傳感器與人體頭頂平的距離，用窗體頂部傳感器安裝高度減去這個距離就是窗前人體的身高，根據檢測身高值即可判斷是否是兒童靠近窗體。 該模塊可支持UART 和PWM 等多輸出接口與非常方便與單片機連接。 傳感器模塊廣泛應用與非接觸式身高測量和人工智能等領域。

3 硬件電路實現

從整體硬件所實現功能上看該裝置可以分為兩塊，一塊是開關窗主控制器另一塊是智能窗配套相關的各種傳感探測器，系統原理圖如圖5 所示。

圖5 一種安全型多功能智能窗通風監控裝置硬件結構圖

4 裝置軟件工作流程設計

從前述的裝置硬件結構圖的特點來看，軟件系統的工作流程圖主要包括裝置的主控制器和傳感探測器這兩個部分的程序功能流程圖設計，其中各種傳感探測器雖然測量的參數不同但可統一使用一種軟件程序流程，如圖6 和圖7 所示。

圖6 開關窗主控制器主程序工作流程圖

開關窗主控制器主程序可以控制實現如下的主要功能，正常無空氣異常時不做任何操作，當檢測到有室內空氣參數超標時則開窗換氣，如果通過一段時間的開窗換氣室內空氣參數恢復正常時則關閉窗戶，但是當此時有兒童在窗下或者室外正在下雨時則進行報警，交由人工進行判定處理。 無論何種情況下開窗和關窗都進行聲光提示以防止對人的意外擦傷。

各種傳感探測器主程序流程可實現的功能如下，正常時按時采集需要監測的參數值通過無線藍牙通信將參數值上傳至主控制器，當發現采集的參數異常時則進行光報警提示，以便我們能夠盡快了解哪一種參數超標，當后面采集到參數正常時則關閉光報警提示。

圖7 傳感探測器主程序工作流程圖

裝置長期運行時,仍需考慮裝置系統的可靠性和相關的抗干擾設計，軟件和硬件的設計均需要進行專門的設計,以確保裝置能夠長時間地穩定運行。

5 結語

本設計研究闡述的一種安全型多功能智能窗通風監控裝置，通過主控制器和各個傳感探測器的協同工作，確保在室內空氣質量超標的情況下開窗換氣并且在此基礎上能夠充分考慮通風相關的安全隱患。本系統采用無線連接方式為后期增加監測點和監測范圍提供了方便。