一種智能防墜樓窗戶設(shè)計＊

劉 凡，駱 佼，呂民濤，常 虎，趙雨瑄

（上海工程技術(shù)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

近年來，城市幼兒高空意外墜樓事件發(fā)生的次數(shù)較多，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，在中國，城市兒童因發(fā)生意外受傷而致死的三大因素之一就是意外墜落，但意外墜落并非是致死性傷害的第一因素。缺乏監(jiān)護人的看管是造成墜落的重要因素之一，但是對環(huán)境安全因素并不能忽略，如高層用戶中使用得比較多的是高飄窗、平推門和落地窗，家中未安裝防護欄的窗戶和陽臺等都有可能是導(dǎo)致幼兒墜落的因素。此外，家用燃?xì)獾男孤┑惹闆r造成的有害氣體不能及時察覺并排出室外，意外發(fā)生火災(zāi)時傳統(tǒng)防護欄帶來的無法讓外部人員利用窗戶解救等情況，都會造成人身危險。

但目前市面上的存在的“智能窗戶”智能化程度不夠高，只是實現(xiàn)了由用戶遠程操作窗戶的開關(guān)狀態(tài)，而沒有根據(jù)氣溫、降雨等環(huán)境的變化實現(xiàn)自動操作開關(guān)的功能。針對該類情況，設(shè)計了一款可以遠程操作的智能防墜樓窗戶，該窗戶由窗體、電動推桿、電控中心等動力裝置組成以實現(xiàn)防墜落，煙霧傳感器、壓力傳感器、溫濕度傳感器及雨滴傳感器等可實現(xiàn)環(huán)境控制窗戶，并且也可通過APP 控制窗戶開關(guān)及信息反饋。智能窗戶不僅具有傳統(tǒng)窗戶的靜音、抗風(fēng)壓、氣密性功能，還增加了很多生活細(xì)節(jié)，有助于提高生活品質(zhì)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)組成

本產(chǎn)品基于現(xiàn)有的窗體基礎(chǔ)進行改進和設(shè)計，主要以對窗體進行加裝相關(guān)裝置形式改進。以NodeMCU-32S 開發(fā)板為中心，以電機、電動推桿、各類傳感器、警報器等元件為執(zhí)行系統(tǒng)，以外接220 V電源和繼電器作為動力來源。窗戶外部示意圖如圖1所示。

圖1 窗體外部示意圖

1.2 防墜樓系統(tǒng)

在設(shè)計此部分時，考慮到即時反應(yīng)類型的防護中傳感器和執(zhí)行機構(gòu)可能會產(chǎn)生一定的延遲，因此采用主動防護的方法，即隨著窗戶打開，裝置便觸發(fā)啟動，不再需要其他更多準(zhǔn)確檢測參數(shù)的傳感器感應(yīng)后才作出反應(yīng)。由于齒輪齒條傳動機械效率高，且較為準(zhǔn)確可靠，因此選用齒輪齒條傳動機構(gòu)。電控中心通過電機轉(zhuǎn)動帶動一扇窗戶在滑移槽內(nèi)左右滑動開閉，無論是遠程控制打開窗戶還是因為煙霧檢測自動打開窗戶，窗戶移動便觸發(fā)安裝在窗戶滑道下的壓力傳感器，傳感器通過控制器給到電動推桿啟動防墜樓裝置。此外，在通電狀態(tài)自動模式下，由于電機的自鎖功能，這時無法手動使窗戶移動。窗體傳動示意圖如圖2所示。

圖2 窗體傳動結(jié)構(gòu)示意圖

防墜樓外裝置如圖3 所示，L 形支架固定在窗戶的兩側(cè)，由若干零件焊接或螺栓連接而成，形成L 形組件，旋轉(zhuǎn)桿以鉸接的形式連接在電動推桿伸縮端的支架上，旋轉(zhuǎn)桿上安裝防護網(wǎng)，同時電動推桿以鉸接的形式安裝在L 形組件上，當(dāng)收到窗戶打開的信號時，電動推桿伸長，推動旋轉(zhuǎn)桿圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，直至推桿達到最大行程，此時旋轉(zhuǎn)桿保持水平，依靠大推力推桿的自鎖力提供向上的推力，旋轉(zhuǎn)桿上安裝的安全網(wǎng)呈水平狀態(tài)。當(dāng)窗戶關(guān)閉時，電動推桿收縮至原始行程，旋轉(zhuǎn)桿回落至與外墻面平行的狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，因為此裝置安裝在主窗體下側(cè)，不會阻擋到人員從窗戶被解救或逃生，不會影響人身安全。

圖3 防墜樓結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)由電控中心、執(zhí)行機構(gòu)和各種感應(yīng)部件組成。考慮到多種天氣和緊急情況發(fā)生時窗體的開合實現(xiàn)，選用了以NodeMCU-32S 開發(fā)板為核心，搭載煙霧傳感器、壓力傳感器、溫濕度傳感器、雨滴傳感器、警報器等器件。在本設(shè)計中的電控部分利用Arduino IDE 進行編程，基于MQTT 物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)用手機APP 控制窗戶，傳輸數(shù)據(jù)[1]。當(dāng)系統(tǒng)上電后，Arduino 開發(fā)板對設(shè)定的引腳和串口等硬件初始化，完成引腳的模式及串口的波特率設(shè)置[2]。其次，各個傳感器模塊在開機通電后也開始硬件初始化，以達到一種穩(wěn)定運行的狀態(tài)。

電控中心處理各個傳感器所收集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，并對各執(zhí)行機構(gòu)下達相應(yīng)的控制指令。煙霧傳感器、溫度傳感器等安裝在門窗內(nèi)側(cè)用以檢測室內(nèi)空氣狀況，當(dāng)煙霧傳感器偵測到有異常情況時，將門窗自行打開；當(dāng)室外的雨滴傳感器感受到水滴時，窗戶自動關(guān)閉。此外，為了安全起見，在窗戶的內(nèi)側(cè)還設(shè)有壓力傳感器大板，當(dāng)兒童去攀爬窗邊的時候，手放置于窗邊，超過壓力傳感器設(shè)置的檢測值，便會發(fā)出警報提醒看護人。考慮到人的主觀想法，增設(shè)了手動控制功能，用戶既可以通過機器上的按鈕切換手自動模式、解除警報，也可以通過手機APP 端選擇手動模式。電控系統(tǒng)觸發(fā)的優(yōu)先級順序是：煙霧傳感器＞防墜樓裝置＞壓力和警報傳感器＞雨滴傳感器。

1.4 遠程系統(tǒng)

現(xiàn)在人人都使用智能手機，在現(xiàn)有的一些智能家居產(chǎn)品中，基本都實現(xiàn)了與手機的互聯(lián)功能。在實踐中，手機與接收命令的單片機控制端可以采用不同的方式進行通信，例如Wi-Fi、藍牙或紅外等[3]。此智能窗戶的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)用的是方便、靈活、實用性較強的Wi-Fi 技術(shù)，能通過手機端使用應(yīng)用程序APP 來遠程監(jiān)測與控制。在此基礎(chǔ)上，計出了一款遠程控制APP，如圖4 所示，用戶可以通過APP，查看智能窗戶傳輸?shù)募抑行畔ⅲ⑦h程控制窗戶的開關(guān)，APP 界面可以顯示溫濕度、天氣以及窗戶開合情況等，同時在觸發(fā)窗戶警報時能夠有信息提示功能。

圖4 智能窗戶手機APP 界面

2 模塊選擇

2.1 電機模塊

結(jié)合傳動機構(gòu)和日常生活中普通窗戶的基本需求，所用電機應(yīng)保證運行平穩(wěn)，相對靜音，并且要能迅速響應(yīng)。此外，考慮到工作環(huán)境為室內(nèi)，電機體積、功率、電壓應(yīng)小。步進電機易于開環(huán)控制，但是開環(huán)控制具有控制精度差，而且步進電機的系統(tǒng)誤差無法克服，必須通過閉環(huán)來解決[4]。針對上述需求，本設(shè)計選用57 混合閉環(huán)伺服電機+閉環(huán)驅(qū)動器HBS57，通過對脈沖的控制，不需要通過齒輪箱的過渡，可直接獲得較高的轉(zhuǎn)矩，從而避免了功率的損耗和運動精度的影響，工作平穩(wěn)，具有較高的精度。

電動推桿選擇24 V、最大推力100 kg、空載速度12 mm/s 的直流電動推桿，滿足承受安全防護網(wǎng)和鋁型材旋轉(zhuǎn)桿及1 個兒童的重量，使用U 形支架固定。

2.2 電控模塊

ESP32 芯片將天線開關(guān)、RF balun、功率放大器、低噪聲放大器、濾波器、電源管理模塊等功能集于一體，只需極少外圍器件即可實現(xiàn)強大的處理性能、可靠的安全性能和Wi-Fi、藍牙功能[5]。為實現(xiàn)APP 與用戶之間的通信功能，電控中控制板使用NodeMCU-32S模組，NodeMCU-32S 模組是由安信可科技開發(fā)的，此款模組的核心是ESP32 芯片，NodeMCU-32S 模組則融合了常規(guī)藍牙、低功率藍牙以及Wi-Fi，并具備了可擴充、自適應(yīng)的特性。

煙霧傳感器一般是對房間煙霧含量指標(biāo)有無超標(biāo)進行監(jiān)測，以便于防止出現(xiàn)意外火災(zāi)。煙霧傳感器主要包括光電式、離子式和氣敏式，在這3 種傳感器中，氣敏式傳感器對于氣體敏感度更高，能夠?qū)崿F(xiàn)煙霧的均衡響應(yīng)[6]。發(fā)生火災(zāi)事故的過程中，不少時候都因為廚房煤氣泄漏，所以本裝置采用MQ-2 氣敏式煙霧傳感器。

為了做到實時監(jiān)測室內(nèi)的溫度和濕度，選擇了DHT11 溫濕度感應(yīng)元件，將溫濕度信號及時傳送到單片機上。DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性[7]。其余部分，降雨量數(shù)據(jù)收集模塊選用雨滴感應(yīng)器YL35，而氣壓感應(yīng)器則選用FSR 電阻型的柔性薄膜氣壓感應(yīng)器。

3 結(jié)論

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能家居的出現(xiàn)為人們帶來了極大的便利和舒適，“十四五”規(guī)劃中首次將“智慧家居”列入其中[8]。門窗品類作為“智慧家居”的典型產(chǎn)品代表，意味著其智能化已是必然。

本項目設(shè)計的智能防墜樓窗戶，相對傳統(tǒng)普通窗戶，在預(yù)防高層墜樓事故、提升生活舒適度和安全保障等方面都有著重要作用。其創(chuàng)新點在于智能化和自動化，通過各種傳感器檢測各類信號再經(jīng)過控制中心處理輸出作出反應(yīng)，實現(xiàn)了防墜樓、檢測房屋內(nèi)空氣異常情況避免意外發(fā)生、自動檢測天氣開關(guān)窗、溫度監(jiān)測開關(guān)窗等功能，解決了人們?nèi)粘Ｉ钪杏捎谕饨缜闆r的變化帶來的煩惱。