一種遠(yuǎn)程控制智能防墜樓窗戶設(shè)計

謝亞楠 駱佼 陳德龍 曾添泓 王界瓔

摘要：針對傳統(tǒng)窗戶和現(xiàn)有的智能窗戶進(jìn)行分析，設(shè)計了一種遠(yuǎn)程控制智能防墜樓窗戶，包括基本窗體、電動控制中心、電磁鎖、壓力傳感器、雨滴傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器等作為系統(tǒng)的信號收集與處理源。電動控制中心通過電機控制窗戶左右平移開合，電機作用使窗戶停止;通過壓力傳感器和電磁鎖的控制使安全防護(hù)網(wǎng)張開;結(jié)合 App控制窗戶開合及環(huán)境信息反饋;按下緊急按鈕有警示燈光并自動報警。這些對于高空防墜樓、提高生活品質(zhì)等都有重要意義。

關(guān)鍵詞：智能窗戶;防墜樓;遠(yuǎn)程控制;智能開關(guān);緊急按鈕;自動報警

中圖分類號：TP23文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0183-06

A Remote Control Intelligent Anti-falling Window Design

Xie Yanan1，Luo Jiao2※，Chen Delong2，Zeng Tianhong1，Wang Jieying2

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 200335， China;2. School of Electronic and Electrical Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 200335， China）

Abstract： Based on the analysis of traditional windows and existing intelligent windows， a remote control intelligent anti-falling window was designed. The window includes basic window， electric control center， electromagnetic lock， pressure sensor， raindrop sensor， smoke sensor， temperature and humidity sensor as the signal collection and processing source of the system. The electric control center controls the left and right translation opening and closing of the window through the motor， and the motor stops the window. The safety protection net is opened through the control of pressure sensor and electromagnetic lock. Control window opening and closing and environmental information feedback in combination with App. When you press the emergency button， there will be warning light and automatic alarm. These are of great significance for preventing falling from a building at high altitude and improving the quality of life.

Key words： smart windows; fall protection; remote control; smartswitch; emergency button; automatic alarm

0 引言

隨著城市高層住宅樓越建越多，諸如兒童墜樓悲劇幾乎每年都在上演，有媒體曾對兒童墜樓做了數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)從年齡來看，在這類事件中，4～6歲是兒童墜樓高發(fā)年齡段，他們對客觀世界似懂非懂，毫無防備，還喜歡攀爬、探索，容易出事。而老年人或者非完全民事行為能力人由于個人的認(rèn)知及健康等因素導(dǎo)致誤墜樓現(xiàn)象也越來越多，除了監(jiān)護(hù)人疏于看管和教育等主觀原因外，高層住戶窗戶缺乏防護(hù)欄等安全設(shè)施也是一個重要原因[1]。除此之外，全國每年約有7萬人一氧化碳中毒。如在溫州，每年每萬戶有350多起因使用不當(dāng)引起燃?xì)庑孤┦鹿蔥2]。燃?xì)鉄崴魅紵怀浞之a(chǎn)生的一氧化碳中毒也是事故發(fā)生源頭之一。而目前的窗戶大都不具備智能的功能，傳統(tǒng)家用窗戶需要用戶到窗邊親手開窗或者關(guān)窗。市面上普遍存在的所謂“智能窗戶”，也只是簡單的由用戶遠(yuǎn)程控制開關(guān)窗戶，而不能根據(jù)環(huán)境的變化智能開關(guān)。在暴風(fēng)雨天氣，一旦遺忘關(guān)窗，或未及時關(guān)窗，會造成室內(nèi)積水，對室內(nèi)的各種物品，尤其電器等造成嚴(yán)重的損害。在室內(nèi)燃?xì)庑孤r，沒有及時開窗通風(fēng)造成用戶中毒甚至導(dǎo)致燃?xì)獗ā４送?，社會快速發(fā)展，居民對住宅和生活質(zhì)量有了更高的要求，智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)等將家居生活有關(guān)的設(shè)施進(jìn)行集成，從而構(gòu)建的高效住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)管理系統(tǒng)，可提升家居的安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境[3]，是未來的發(fā)展趨勢。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為如今最具發(fā)展?jié)摿Φ男畔⒓夹g(shù)之一，并被稱作信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命[4]。因此，如何在智能化的大環(huán)境下對傳統(tǒng)的窗戶進(jìn)行智能化改造就成了一個重要的研究課題。

針對現(xiàn)有技術(shù)不足設(shè)計的本款遠(yuǎn)程控制智能防墜樓窗戶是一個完整的智能機電一體化系統(tǒng)，由電機、電磁鎖、卡簧等執(zhí)行裝置，壓力傳感器、雨滴傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器等感應(yīng)裝置，和移動電話 App應(yīng)用層綜合完成。整個系統(tǒng)通過電控單元將收集到的感應(yīng)信息反饋給移動電話 App的用戶和執(zhí)行層，由 App用戶手動或自動模式根據(jù)相關(guān)設(shè)置進(jìn)行防墜樓網(wǎng)的彈出與收回、窗戶的開閉等功能。該產(chǎn)品設(shè)計能夠解決現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種智能窗戶并具有防墜樓的功能，重點解決高空老人小孩不慎墜樓的問題并且可以根據(jù)實際情況智能開關(guān)窗戶。

1 工作原理

本產(chǎn)品基于實際的窗體進(jìn)行，可以對窗體進(jìn)行加裝相關(guān)零部件形式進(jìn)行。圖1 （a） ～ （c）分別為加裝智能窗戶控制裝置后的內(nèi)外側(cè)全景圖及透視圖。該窗戶包括基本窗體、電動控制中心、太陽能板、電磁鎖、壓力傳感器、雨滴傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器等傳感器作為系統(tǒng)的信號收集與處理源，并且配備有防墜樓裝置以及緊急按鈕。

1.1 電控單元邏輯

電控單元主要解決窗戶的開合問題。由電控中心和各種感應(yīng)元器件和執(zhí)行設(shè)備組成。電動控制中心通過電機將傳動傳至基本窗體的窗戶使其左右平移開合，電機作用使窗戶停止，電機擁有自鎖功能，在通電狀態(tài)下無法手動移動窗戶。本裝置的特點：在微控制器的控制下，提供防墜樓的功能，通過壓力傳感器感應(yīng)是否有墜樓的風(fēng)險發(fā)生，通過電磁鎖的控制使安全防護(hù)網(wǎng)張開，智能防止老人和小孩的墜樓。通過移動電話控制窗戶的開合，根據(jù)不同環(huán)境的需求，通過電信號來控制機械傳動進(jìn)而完成窗戶的開啟和關(guān)閉，其電控單元執(zhí)行的邏輯圖如圖2和表1所示。

在窗戶的內(nèi)側(cè)設(shè)置煙霧傳感器和溫濕度傳感器，窗戶外側(cè)設(shè)置雨滴傳感器能夠?qū)崟r檢測室內(nèi)外的情況，根據(jù)環(huán)境的變化及時開關(guān)窗戶。另外在窗戶的內(nèi)側(cè)還設(shè)有緊急按鈕，當(dāng)遇到緊急情況時，用戶按動按鈕，窗戶外側(cè)的緊急求救指示燈會亮起，且會自動報警。用戶既可以通過移動電話 App ，也可以通過按鈕切換手自動模式。

在本設(shè)計中的電控部分利用 Arduino IDE進(jìn)行編程，基于 MQTT 物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)用移動電話 App 控制窗戶，傳輸數(shù)據(jù)。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。其次，各個傳感器模塊通電后同樣初始化配置，以達(dá)到穩(wěn)定測試狀態(tài)[5]。電控裝置觸發(fā)的優(yōu)先級依次為：防墜樓裝置、煙霧傳感器、雨滴傳感器。防墜樓裝置配備有逃生繩和剪刀，當(dāng)遇到需要通過窗戶逃生卻觸發(fā)了防墜樓裝置的情況時，可以用剪刀剪開安全網(wǎng)，通過逃生繩安全逃生。

1.2 防墜樓裝置實現(xiàn)

防墜樓設(shè)計是本產(chǎn)品最大的亮點之一。在設(shè)計時考慮到墜落前墜落的人體或者物體一般會在窗體內(nèi)側(cè)產(chǎn)生短暫的停留，因而會對窗體內(nèi)側(cè)產(chǎn)生一定的壓力，若能檢測到該壓力并提供一定的裝置阻止人的墜落則在一定程度上能緩解墜落的可能性。該設(shè)計的重點和難點在于壓力的檢測與反饋，以及防墜裝置的反應(yīng)速度要高于墜落速度。

在考慮以上因素的情況下，窗戶的外側(cè)設(shè)有防墜樓的裝置，通過設(shè)置在窗戶內(nèi)側(cè)的壓力傳感器，位置如圖1（b）和圖4所示，當(dāng)感應(yīng)到有人從窗內(nèi)到窗外時，上下電磁鎖（圖5）打開，圖 6所示的扭簧釋放壓力，并將附在其上的安全防護(hù)網(wǎng)張開，將人罩在網(wǎng)中防止其墜樓。

安全防護(hù)網(wǎng)的使用具有釋放和收回2個部分。

（1） 釋放部分。在窗體下方和扭臂的端頭結(jié)繩固定網(wǎng)，通過扭簧帶動扭臂將網(wǎng)張開并由電磁鎖（上端）固定扭臂。窗體上方電磁鎖的位置安裝了防震減震的海綿，減小防墜樓裝置觸發(fā)時的噪聲。

（2） 收回部分。通過棘輪扳手（圖6）可以手動將防護(hù)網(wǎng)收回;并由電磁鎖（下端）固定扭臂。扭簧的工作通過電控單元來控制。單邊窗體防墜裝置總體設(shè)計圖如圖7所示。防墜樓安全網(wǎng)未啟動時如圖8所示，啟動時如圖9所示。

1.3 窗體開合實現(xiàn)

針對窗體的開合實現(xiàn)，初步設(shè)想是在自動感應(yīng)到天氣狀況和危險情況下自動進(jìn)行窗戶的開合、鎖止與開啟。如窗體外部雨滴傳感器檢測到下雨狀態(tài)后，窗戶關(guān)閉;室內(nèi)煙霧傳感器和溫度傳感器檢測到室內(nèi)氣體或溫度異常時窗戶開啟;同時該信息可由用戶遠(yuǎn)程控制或者手動控制，因而還需增加手動和自動控制模式更改按鈕?？紤]到有可能有誤觸的情況發(fā)生，在保證安全起見，增加緊急開關(guān)應(yīng)對突發(fā)情況。

經(jīng)過分析后，設(shè)計齒輪齒條結(jié)構(gòu)來解決窗體的運動問題，用電磁鎖來解決窗戶的鎖止問題;整個電控部分由放置在控制盒內(nèi)的開發(fā)板完成。移動部分如圖10所示。手動切換按鈕位于窗體內(nèi)側(cè)下方，如圖11所示;溫濕度傳感器、煙霧傳感器、緊急按鈕位于窗體內(nèi)側(cè)上部，由成人操作，減少誤碰，如圖12所示。同時，緊急情況下按下緊急按鈕，窗體外部的緊急求救指示燈點亮并閃爍，提示外部人員房間內(nèi)有緊急狀況，可及時報警，警示燈如圖13所示。

1.4 智能手持終端實現(xiàn)

吳岳忠等[6]設(shè)計了一個物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的家居室內(nèi)環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)，通過基于 ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，基于無線通訊技術(shù)的智能家居逐漸受到大眾任何和追捧，消費者逐步將智能家居系統(tǒng)作為其選購家居用品的首選[7]。而WiFi網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相對于其他無線通信技術(shù)，具有成本低、開發(fā)難度小、組網(wǎng)方式較靈活等優(yōu)勢，可以便捷地與移動電話或 PC進(jìn)行通信，是一種實用性較強的無線通信方式[8]。本設(shè)計中，智能窗戶的實現(xiàn)同樣用的是WiFi，需要能通過移動電話端或者手持平板利用應(yīng)用程序 App來遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。App上能夠進(jìn)行信息的查看和窗戶的開閉等功能。在此基礎(chǔ)上，利用安卓平臺設(shè)計出了一款遠(yuǎn)程控制 App ，能夠在移動電話和手持平板上實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。App移動電話界面如圖14所示，可以顯示溫濕度、天氣、窗戶開合情況，同時在異常情況下能夠有警報信息推送等功能。

2 設(shè)計計算

本設(shè)計的設(shè)計計算的重點為防墜樓組件、窗體開閉設(shè)計、電控組件設(shè)計等，其重點分別為扭簧扭力計算與選型、電磁鎖選型、電機選型等。

2.1 防墜樓裝置設(shè)計

防墜樓組件采用一體式設(shè)計，包含了鋁型材、扭簧、棘輪扳手、軸、防護(hù)網(wǎng)、電磁鎖、扭簧。端頭固定處是整個裝置的著力點。因此采用了性價比較高的鋁型材作為主要零部件，在考慮了工程力學(xué)的基礎(chǔ)上，組裝了如圖7所示的防墜樓組件，通過釋放扭簧扭轉(zhuǎn)狀態(tài)的勢能，打出一張安全網(wǎng)，將窗戶完全封住，也可以根據(jù)客戶和場景需要進(jìn)行定制。該設(shè)計的重點是扭簧的計算與選型。

根據(jù)扭力計算公式：

選擇鋼性模數(shù) E=206 GPa，扭簧線徑 d=6 mm ，扭簧中徑 D=29 mm ，圈數(shù) N=7，力臂 L=700 mm的扭簧一只，并根據(jù)設(shè)計扭轉(zhuǎn)角度為180°，代入式（1） 后得出：

而防墜樓裝置的另外一個重點為電磁鎖磁力選擇。市面上常見電磁鎖的電磁力為60 kg 、180 kg 、280 kg 等，基于計算的扭力大小，選用2個60 kg和2個180 kg的電磁鎖。將180 kg的電磁鎖置于窗體下方，60 kg的電磁鎖置于窗體上方，用于固定扭臂。

根據(jù)計算得出的數(shù)據(jù)，該扭簧和磁力能夠滿足95%分位以上人群單人掉落時產(chǎn)生的力，設(shè)計和選型有效。同時，在裝配完成后測試中，防墜樓裝置的相應(yīng)時間小于0.2 s ，可以承受至少80 kg物體的掉落沖擊，從實踐效果上來看設(shè)計有效。

2.2 電機選擇

2.2.1電機設(shè)計要求

（1） 裝置應(yīng)振動小，運行平穩(wěn);

（2） 裝置應(yīng)相對靜音;

（3） 裝置應(yīng)具有高速響應(yīng)的能力;

（4） 裝置應(yīng)具有較高的精度;

（5）裝置應(yīng)具有較高的效能;

（6）設(shè)計性能指標(biāo);

（7） 工作環(huán)境為室內(nèi)工作，24 V直流;

（8） 質(zhì)量小于或等于1 kg;

（9） 窗體運行速度小于或等于150 mm/s。

2.2.2 電機總體設(shè)計方案

步進(jìn)電機易于開環(huán)控制，但是開環(huán)控制控制精度差，而且步進(jìn)電機的系統(tǒng)誤差無法克服，必須通過閉環(huán)來解決[9]，針對上述設(shè)計需求及主要性能指標(biāo)，做出如圖10所示的傳動方案，采用齒輪傳動結(jié)構(gòu)，由一個57全閉環(huán)步進(jìn)伺服電機，伺服電機起動轉(zhuǎn)矩比較大，當(dāng)一旦給定子提供控制電壓，轉(zhuǎn)子就會立即轉(zhuǎn)動，具有起動快、靈敏度高的特點[10]，能保證恒定的傳動比，傳動精度高，可靠性高，工作平穩(wěn)，耐用性好。

2.3 電控組件設(shè)計

電控組件控制模塊設(shè)計時要求可以實現(xiàn)下雨時自動關(guān)窗;煙霧濃度過高時自動開窗;當(dāng)感應(yīng)到有人試圖翻窗時開啟防墜樓裝置;當(dāng)緊急按鈕觸發(fā)時自動報警;用戶可以通過移動電話 App遠(yuǎn)程開關(guān)窗戶;用戶可以實時接收環(huán)境信息與警報信息。因此根據(jù)功能需求設(shè)計電控工作流程。

為了實現(xiàn) App與用戶之間的人機交互，電控核心控制板采用具有WiFi和藍(lán)牙開發(fā)功能、成本低、穩(wěn)定性好的 NodeMCU-32S 控制板。為了實現(xiàn)下雨自動關(guān)窗的功能，降雨量數(shù)據(jù)采集模塊選用雨滴傳感器 YL35。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)煙霧的均衡相應(yīng)。在發(fā)生火災(zāi)的過程中，大部分都是因為廚房氣體泄漏導(dǎo)致的[11]，本設(shè)計選擇可以檢測一氧化碳濃度的 MQ-2煙霧傳感器。為了能夠?qū)崟r監(jiān)測室內(nèi)的溫濕度，選擇 SHT30溫濕度傳感器。

以上傳感器的執(zhí)行邏輯和標(biāo)準(zhǔn)在1.1節(jié)中闡述，本處不再具體介紹。

2.4 成本計算

市面上現(xiàn)有的智能窗戶的價格動輒就要上萬，功能上大多是可以遠(yuǎn)程控制開關(guān)窗戶，測試屋內(nèi)溫濕度，智能開關(guān)窗戶。與市面上已有的智能窗戶相比，在現(xiàn)存功能的基礎(chǔ)上，還提供了防墜樓、緊急情況報警的功能，除了性能和功能上的提升外，本設(shè)計的另外一大優(yōu)點在于其制作的性價比上。本結(jié)構(gòu)不考慮窗體本身價格和人工費，以 4 m2的窗體計算，成本約為593元，遠(yuǎn)低于市面上功能單一的智能窗體，極具市場價值。其具體材料及價格如表2所示。

3 主要創(chuàng)新點

本設(shè)計的主要創(chuàng)新點有以下幾點。

（1） 本裝置是個能夠防墜樓的智能窗戶，防墜樓裝置是其最大創(chuàng)新點。通過窗體內(nèi)置壓力傳感器感應(yīng)是否有人試圖從窗內(nèi)到窗外，當(dāng)檢測到有人從窗內(nèi)到窗外，則電磁鎖打開，在0.2 s內(nèi)彈出防護(hù)網(wǎng)將人保護(hù)在網(wǎng)內(nèi)，防止不慎墜樓的事件發(fā)生。同時該裝置有防止誤觸防墜樓裝置的手自切換模式，使用戶的日常需求不受影響。

（2） 本裝置擁有緊急報警按鈕，安全性高。當(dāng)有緊急情況發(fā)生時，用戶按動按鈕，窗體外側(cè)會發(fā)出警示燈光并自動報警，有較傳統(tǒng)窗戶及現(xiàn)有智能窗戶更為安全的特性。

（3） 該裝置具備系統(tǒng)完整，高度智能化特性。設(shè)計結(jié)合多種傳感器，其中煙霧傳感器、溫濕度傳感器置于窗戶的內(nèi)側(cè)，雨滴傳感器置于窗戶的外側(cè)，根據(jù)實際情況及時開關(guān)窗。為了使用戶可以遠(yuǎn)程控制窗戶，實時監(jiān)控室內(nèi)狀態(tài)，該設(shè)計有一整套的手持端 App ，用戶可以通過 App實時接受環(huán)境信息與警報信息并遠(yuǎn)程控制開關(guān)窗戶。

（4） 產(chǎn)品模塊化設(shè)計是對產(chǎn)品中的相同和相似模塊識別、分類、定義、規(guī)范，建立通用模塊，在此基礎(chǔ)上對通用模塊組合和變型，設(shè)計出低成本、高質(zhì)量、快速滿足用戶的多樣化和個性化需求的設(shè)計原理[12]。

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)與家居的結(jié)合是時代發(fā)展的趨勢，本遠(yuǎn)程控制智能防墜樓窗戶利用扭簧本身速度極快的優(yōu)勢和防護(hù)網(wǎng)結(jié)合，應(yīng)用在防墜樓窗戶領(lǐng)域，通過用雨滴傳感器、WiFi模塊、煙霧傳感器、電機、傳動裝置等賦予窗戶智能，窗戶通過接受外部信息，檢測是否下雨，執(zhí)行自動開關(guān)窗功能以及 App 信息反饋等。結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、安全性強，有較強的通用性和可操作性，經(jīng)試驗驗證，能夠及時根據(jù)環(huán)境的變化自動開關(guān)窗戶，App也會實時傳輸、接收數(shù)據(jù)。并且能夠有效降低意外墜樓的事件發(fā)生。在遇到緊急危險情況下，緊急按鈕也能及時報警。對于高層防墜樓、提高生活品質(zhì)和安全保障等方面都有著重要意義。

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第一作者簡介：謝亞楠（2000-），男，福建寧德人，大學(xué)本科，研究領(lǐng)域為機械電子工程。

※通信作者簡介：駱佼（1984-），女，河南三門峽人，碩士研究生，講師，研究領(lǐng)域為汽車物流、健康管理，已發(fā)表論文10余篇。

（編輯：刁少華）