一種智能玻璃窗防風(fēng)裝置的研究

葛干 王洪新 鄔志軍 許慶 陳澤禹

摘 要：臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)等惡劣天氣中，高層建筑玻璃幕墻和居民玻璃窗極易因風(fēng)壓、振動(dòng)、異物碰撞等原因受到破壞;破壞的同時(shí)，容易造成高空墜物、室內(nèi)家裝破損等二次破壞。針對(duì)玻璃窗的安全需求，從密封、柔性保護(hù)、智能家居等角度，解決玻璃窗的防風(fēng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種防風(fēng)保護(hù)裝置。包括：安裝架總成、氣囊總成、風(fēng)速測(cè)試儀、氣泵、單片機(jī)、聲光報(bào)警器、WIFI遠(yuǎn)程控制模塊、紅外遙控模塊等。風(fēng)暴天氣中，該裝置可主動(dòng)或被動(dòng)完成防護(hù)動(dòng)作，隔離風(fēng)暴與玻璃窗的直接接觸，保護(hù)玻璃窗。該裝置具有防護(hù)可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可直接嵌入到智能家居系統(tǒng)中，構(gòu)成智能家居的重要一環(huán)，具有廣闊的運(yùn)用前景。

關(guān)鍵詞：玻璃窗 防風(fēng) 氣囊

在全球變暖和海平面上升的背景之下，沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)和學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題和科學(xué)前沿[1]。我國(guó)沿海地區(qū)是世界上臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害影響最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，風(fēng)暴天氣對(duì)我國(guó)沿海地區(qū)的生活、生產(chǎn)帶來(lái)重大危害。風(fēng)暴天氣中，高層建筑的玻璃幕墻和居民小區(qū)的窗戶玻璃的安全問(wèn)題異常嚴(yán)峻。在風(fēng)載的作用下，幕墻和窗戶玻璃因氣流風(fēng)壓、玻璃振動(dòng)、外界異物撞擊等原因，極易破碎。破碎的玻璃及鋁型材，形成高空墜物，對(duì)路面的人員及財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大危害。同時(shí)窗戶玻璃破碎后，房屋失去玻璃的保護(hù)，屋內(nèi)外形成一定的氣壓差，進(jìn)一步導(dǎo)致屋內(nèi)的物品在氣流的作用下吸出窗外，產(chǎn)生二次危害。目前市場(chǎng)上，針對(duì)風(fēng)暴天氣的玻璃窗保護(hù)裝置還是空白。玻璃窗的防護(hù)措施也相對(duì)落后。傳統(tǒng)的玻璃窗的防護(hù)裝置，主要用于防盜，不能起到防風(fēng)暴的作用。風(fēng)暴天氣下，普遍采用的粘貼米字型膠帶進(jìn)行防護(hù)處理，操作麻煩，清洗困難，且防護(hù)效果也不理想。因此研究一種智能玻璃窗防風(fēng)裝置，具有重要的安全意義。隨著5G的到來(lái)，智能家居產(chǎn)品的普及已成大勢(shì)所趨，將玻璃窗的防護(hù)裝置智能化，與智能門禁、安全防盜、火災(zāi)監(jiān)控等一起，構(gòu)建成智能家居安全防護(hù)的重要一環(huán)，應(yīng)對(duì)家居的安全隱患，防患于未然。

1 智能玻璃窗防風(fēng)裝置工作原理

智能玻璃窗防風(fēng)裝置由安裝架總成、氣囊、氣泵、風(fēng)速測(cè)試儀、單片機(jī)、聲光報(bào)警器等組成。智能玻璃窗防風(fēng)裝置的整體效果圖見(jiàn)如圖1。

安裝架通過(guò)膨脹螺釘分別與窗戶洞口兩側(cè)墻體固定，安裝架左右兩側(cè)通過(guò)鋼絲繩索連接。是整個(gè)裝置的安裝平臺(tái)。氣囊一側(cè)固定在氣囊盒底部，一邊固定在蓋板上，平時(shí)收納于氣囊盒里。蓋板可在鋼絲繩索上左右滑動(dòng)。蓋板扣在氣囊盒上并以電磁吸合鎖鎖緊。

工作時(shí)，當(dāng)風(fēng)速測(cè)試儀檢測(cè)風(fēng)速超過(guò)設(shè)定值，在單片機(jī)的控制下，聲光報(bào)警器打開(kāi)。接著電磁吸合鎖松開(kāi)，氣泵開(kāi)始工作，氣囊盒里的氣囊因充氣而膨脹，推動(dòng)蓋板沿著鋼絲繩索向左移動(dòng)。當(dāng)氣囊膨脹與左側(cè)墻面接觸后，隨著氣壓的增大，到達(dá)設(shè)定閥門值時(shí)，氣泵停止工作。實(shí)踐中，窗戶玻璃破碎的主要原因是由于氣流的脈動(dòng)載荷導(dǎo)致玻璃的振動(dòng)及靠近圍框處的玻璃彎曲變形[2]。氣囊在安裝架及墻體的約束下，對(duì)玻璃窗施加均勻的壓力，使窗戶玻璃保持相對(duì)穩(wěn)定，減少振動(dòng)。氣囊將玻璃與氣流隔開(kāi)，形成一個(gè)柔性的阻尼器，有效抵消脈動(dòng)載荷，消除了玻璃的振動(dòng)載荷源。同時(shí)氣囊對(duì)玻璃施加的均勻的壓力，使玻璃受到的彎曲張力，均勻的分?jǐn)偟秸麄€(gè)玻璃面上，提高了玻璃的整體強(qiáng)度。由于氣囊膨脹，與墻體上窗戶洞口形成有效地密封，隔離了外界異物對(duì)玻璃的撞擊，也阻隔了由于暴風(fēng)中室內(nèi)外的氣壓的差導(dǎo)致的室內(nèi)物品吸出室外的危險(xiǎn)。

暴風(fēng)等惡劣天氣解除后，單片機(jī)解除聲光報(bào)警。這是可手動(dòng)打開(kāi)排氣閥門，排空氣囊里的空氣，手動(dòng)折疊氣囊，將氣囊重新放置于氣囊盒，蓋上蓋板，打開(kāi)電磁吸合鎖，完成氣囊的撤收工作，為下次的防護(hù)準(zhǔn)備。

2 安裝架總成

安裝架總成由底座、氣囊盒、安裝板、鋼絲繩索、電磁吸合鎖、控制盒等組成。整體結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度鋁合金材料，折彎焊接成型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度可靠，構(gòu)成了整個(gè)防護(hù)系統(tǒng)安裝的平臺(tái)。固定板與底座通過(guò)膨脹釘分別與兩側(cè)玻璃窗洞口墻體固定，中間采用鋼絲繩索連接，鋼絲繩索張力可調(diào)。氣囊盒與底座采用螺接，方便檢修;其孔口采用翻邊設(shè)計(jì)，與蓋板上的密封條壓緊形成密封，用于保護(hù)氣囊。蓋板上下設(shè)有導(dǎo)向孔，保證蓋板可自由在鋼絲繩索滑動(dòng);同時(shí)上下設(shè)有鎖舌，與底座上的兩個(gè)電磁吸合鎖配合，用于蓋板的可控鎖緊?？刂坪杏糜跉獗谩纹瑱C(jī)、傳感器等的安裝與保護(hù)，安裝位置根據(jù)需要可安裝在氣囊盒上或墻體上。

3 氣囊

氣囊放置于安裝架總成的氣囊盒里。工作時(shí)展開(kāi)，由于邊界約束原因，其工作時(shí)展開(kāi)成形效果如圖2所示。

氣囊由內(nèi)膽與外罩構(gòu)成和充/放氣門等組成。內(nèi)膽采用特種尼龍布600D材料，其結(jié)構(gòu)為外環(huán)形氣囊+多個(gè)獨(dú)立氣囊復(fù)合結(jié)構(gòu)。外環(huán)形氣囊的設(shè)計(jì)保證在充氣時(shí)氣囊展開(kāi)流暢，快速定位。而獨(dú)立氣囊設(shè)計(jì)保證單個(gè)氣囊破損后，不影響整體安全性能。

氣囊外罩采用多層復(fù)合尼龍網(wǎng)布復(fù)合結(jié)構(gòu)，防刮、防水、防菌。氣囊外罩上下設(shè)計(jì)有多余的縫縫，其上設(shè)有銅質(zhì)氣眼，貫穿于上下鋼絲繩索，起到導(dǎo)向和固定的作用。氣囊左右兩側(cè)分別于氣囊盒底部固定及蓋板固定。

4 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

玻璃窗防風(fēng)裝置的電氣系統(tǒng)由單片機(jī)、風(fēng)速測(cè)試儀、電磁吸合鎖、氣泵、DC驅(qū)動(dòng)模塊、紅外遙控裝置、WIFI遠(yuǎn)程控制模塊、聲光報(bào)警器、氣壓傳感器等組成，其原理圖如圖3所示。

根據(jù)實(shí)際工況需要，智能防風(fēng)裝置的控制模式由主動(dòng)模式和干預(yù)模式兩種模式構(gòu)成。

4.1 主動(dòng)模式

主動(dòng)模式下，風(fēng)速測(cè)試儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速的電壓信號(hào)，并傳輸給單片機(jī)。當(dāng)電壓信號(hào)超過(guò)預(yù)定電壓閾門值時(shí)，單片機(jī)先向電磁吸合鎖發(fā)出開(kāi)啟指令，電磁吸合鎖打開(kāi)，蓋板上的鎖舌限位消失，蓋板與氣囊盒之間的約束解除。同時(shí)打開(kāi)蜂鳴器和報(bào)警指示燈，進(jìn)行聲光報(bào)警。接著單片機(jī)再向氣泵發(fā)出指令，氣泵開(kāi)始工作，向氣囊充氣。氣囊的氣壓傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)氣壓信號(hào)反饋給單片機(jī)，當(dāng)氣囊的氣壓值超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令，氣泵停止工作。為防止氣囊因漏氣導(dǎo)致氣壓不足，或風(fēng)載條件下，內(nèi)囊內(nèi)部氣壓過(guò)大，導(dǎo)致氣囊壞等情況。單片機(jī)采用PID反饋控制，將氣囊內(nèi)實(shí)際工作氣壓與閥門值進(jìn)行比較，精確控制電機(jī)，控制氣囊氣壓大小。

4.2 干預(yù)模式

為了滿足對(duì)暴風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣的提前干預(yù)以及日常的檢修的需求，智能玻璃窗防風(fēng)裝置同時(shí)設(shè)有干預(yù)模式。包括紅外遙控模式和WIFI遠(yuǎn)程控制模式。

紅外模式下，根據(jù)天氣情況，利用紅外遙控器可以提前開(kāi)啟玻璃窗防風(fēng)裝置。這時(shí)打開(kāi)電磁吸合鎖，啟動(dòng)充氣泵，當(dāng)氣壓達(dá)到設(shè)置值，氣泵停止工作。紅外模式下，可以設(shè)定專用的紅外編碼，與空調(diào)、電視機(jī)等家電一起，可利用智能紅外遙控器進(jìn)行遙控。

WiFi遠(yuǎn)程控制模式下，通過(guò)WiFi遠(yuǎn)程控制模塊，實(shí)現(xiàn)智能防風(fēng)裝置的物聯(lián)網(wǎng)模式的控制。當(dāng)住戶遠(yuǎn)離房間，根據(jù)天氣情況，可利用手機(jī)APP控制終端，通過(guò)手機(jī)WIFI或4G信號(hào)發(fā)送給云服務(wù)器。云服務(wù)器將信號(hào)發(fā)送至WIFI模塊，WIFI模塊將信號(hào)通過(guò)聯(lián)網(wǎng)傳給單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)任意地點(diǎn)，實(shí)時(shí)干預(yù)控制?；蛘吒鶕?jù)云服務(wù)器中的天氣情況，提前開(kāi)啟[3]。

因此紅外遙控模式和WIFI遠(yuǎn)程控制模式均可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制，可方便的快速嵌入到到智能家居安防系統(tǒng)中，構(gòu)建智能家居的安防屏障。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)玻璃窗安全的防風(fēng)要求，提出了一種智能玻璃窗防風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)方案。包括安裝架總成、氣囊總成、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。采用氣囊實(shí)現(xiàn)柔性保護(hù)和密封，有效消除了臺(tái)風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣的脈動(dòng)風(fēng)載，分散了風(fēng)壓下玻璃受到的張力，同時(shí)保持了玻璃的固定，隔離外界異物對(duì)玻璃的碰撞，解決了多種原因，導(dǎo)致玻璃的破碎。氣囊和鈑金件的安裝架總成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，展收方便，且安裝尺寸靈活。電氣系統(tǒng)搭載的傳感器可采集風(fēng)速、氣壓等環(huán)境信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警和多模式控制。自動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)智能玻璃窗防護(hù)裝置的被動(dòng)開(kāi)啟;紅外遙控模式和WIFI遠(yuǎn)程控制模式可以實(shí)現(xiàn)智能玻璃窗防護(hù)裝置的物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)直接干預(yù)模式控制。兩種模式控制的實(shí)現(xiàn)，滿足玻璃窗防護(hù)的多工況需要。本裝置可繼續(xù)搭載紅外安防、火焰報(bào)警等傳感器，實(shí)現(xiàn)防盜、消防預(yù)警等功能，與智能門禁、安防監(jiān)控儀器等，構(gòu)建智能家居安全系統(tǒng)，是智能家居的重要一環(huán)。智能玻璃窗防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)研究，填補(bǔ)了玻璃窗防風(fēng)保護(hù)的空白，符合智能家居發(fā)展需求，因此具有廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)已申請(qǐng)發(fā)明專利，開(kāi)始投放市場(chǎng)。

基金項(xiàng)目：安徽高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目：便攜式全地形自主行走中藥株間割草機(jī)械的研究（KJ2019A0629）。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯曉梅，郇長(zhǎng)坤.我國(guó)沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害防范分析[J].新鄉(xiāng)學(xué)院學(xué)報(bào).2015：63-65.

[2]童麗萍，李明.風(fēng)載荷作用下玻璃幕墻結(jié)構(gòu)受力分析與計(jì)算[J].工業(yè)建筑.2000：27-30.

[3]曹杰，王春梅.淺談智能家居的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].探索與發(fā)現(xiàn).2018：281.