运用环境监测大数据助力城市发展智能窗

但海均，徐东耀

（中国矿业大学 化 学与环境工程学院，北京100083）

1 引言

近年来，虽然可以感受到北京市的空气质量有所提高。但笔者居住在学生公寓，尽管宿舍安装有纱窗，阳台以及室内仍然积下了大量灰尘。停放一晚的自行车，次日早上也能看到灰尘积下，城市街道灰尘随处可见［1］。整个城市中总有人因疏忽忘记关窗而导致室内遭受污染，有时刮大风，也总会有人忘记关窗而导致室内被吹乱。针对人们易忘记关窗这一现象，谢作敏等［2］对普通推拉窗结构深入研究后研制了“智能窗”模型。苗现华［3］在窗户上也作了智能化设计，实现自动开启或关闭。徐鹏程等［4］针对传统窗户和纱窗缺陷，设计了一体纱窗。贺道坤等［5］研究了能用于环境检测的智能窗户装置。卢锋等［6］也系统设计制作了智能型窗户系统。国外M.Sabry等人［7］研究了智能窗的热模拟并作出相应评估。Claes G.Granqvist在氧化物薄膜层面更深入研究了电致变色显示智能窗户［8］。通过研究对比发现，以上的“智能窗”均是单独监测，各模块组合发挥作用。而如今，基于云计算与物联网等的迅速发展，全国又有环境监测数据以及气象数据的实时发布，尤其是空气质量，再结合住家的窗户，将其连理，借鉴前有的“智能窗”模型，最大化地保证“智能窗”给家庭带来有效的呵护，逐步助力城市发展，流程见图1。

图1 以智能芯为中枢的反馈

2 机构组织间合作

国家环境保护部已在全国设立了多个监测站。到2015年底，所有地级以上城市都将建成适应新空气质量标准实施需要、能够监测PM2.5等指标的先进城市监测网络，大概有1 500个城市监测站点。各省市已经有气象局，在全国基本形成完整的气象数据网。辽宁省结合其已有环境监测技术现状，综合利用通信网络和数据库等相关先进技术手段，开启新的现代化环保之路［9］。因此，本文意在选择跟民众生活息息相关的环境气象数据作为信息源。

此外，在全国绝大多数县市都实现了数字电视播放。数字接收机则是应用智能芯的重点。在每个家庭，核心智能芯将承担越来越重要的作用，成为指挥控制中枢。既然这个智能芯能接收卫星电视广播系统、地面广播系统、有线电视系统发出的信号，那么通过对智能芯进行改进，置入能接受环境气象数据的单元，就可以保证新的智能芯起到受的作用。所以，需要环境监测数据网、气象数据网和广播电视总局等各方的通力合作。另外，智能芯除有受的作用外，还必须有反馈的作用——根据环境气象信号对窗户进行智能控制开合。下面，就对窗户如何接受来自智能芯的调控加以阐述。

3 窗户受控原理

3.1 接入共享数据

当出现气象预警以及环境空气质量预警时，每个智能芯接受的信号则属共享数据。然后，在窗户设置能接收来自智能芯发射信号的反馈操作（类似红外感应控制门的开合般控制）活动系统，当空气质量较差或更为严重时，尤其是中度颗粒物污染出现的情况，智能芯将发挥出该有的作用——关上住家的窗户，保证室内空气少受污染；而当空气质量较好时，可打开住家的窗户，给室内换气。当接收到风力等级较大信号时，窗户也能自动关上。

3.2 接入个性化数据

要实现窗户的个性化独立受控，必须对窗户做辅助单元设计。而这受控的关键，是在受控系统中电路部分加入温度传感器、光敏传感器（可见度传感器）、风速（压）传感器、湿度传感器、单片机、限位开关、按键模块等。通过检测室外温度、光强、风速及湿度信号，然后传入单片机，单片机对信号进行处理，再输出脉冲调节步进电机，实现窗户的自动开合。

其中，按键模块是区分智能芯控制和人工控制的环节，即断电时为人工控制，而通电时又分接入共享数据和个性化数据两个区。

延伸：跟窗户几乎一体的窗帘，也联入受控系统：①在清晨，则会自动打开窗帘，让自然光照射进室内，人们能在自身生物钟与外界光线作用下，达到“自然醒”的效果，尤其是夏天更为明显；②当阳光照射到窗台附近或者温度在28～30℃感应区（或预设值）时，窗帘会自动拉上；③在傍晚，由于温度及光线减弱，则会自动打开窗帘；④而到了晚上，天完全黑时，窗帘则会自动合上。

3.3 窗户开合设计

如图2所示，当反馈操作活动感应器②接收到来自智能芯的命令后，窗体③就能向左向右开合。其中，本设计将窗体考虑为可嵌入墙体式，使外观大大改善，更加美观。而进入墙体的窗框里层设有刚刚贴合窗玻璃两面的毛刷，可随时清洁窗玻璃，保证洁净新亮。

图2 智能窗开合示意

4 结论及展望

在基于环境监测大数据下构想的智能窗，承载了对智慧城市这一先进理念的运用。在建设生态文明的布局下，必将有更加智慧智能的能够体现人与自然和谐发展的设备出现。充分利用环境监测大数据以及气象数据等可用于公共服务的数据，再配以智能芯，通过核芯去控制窗户（当然，未来可控制的不只是窗户，还有其他智能家居），达到室内空气清新流通合理等实际效果。一定程度上解决了外部环境带给人们日常生活的诸多烦恼。

［1］李章平.重庆市主城区街道灰尘的污染与风险特征研究［D］.重庆：西南大学，2012.

［2］谢作敏，骆青苗，朱晨亮，等.智能窗的设计与研究［J］.科技资讯，2010（29）：1.

［3］苗现华.智能化窗户的设计［J］.现代制造技术与装备，2013（6）：19～20.

［4］许鹏程，陈 健，张文峰，等.智能一体纱窗的系统设计［J］.机械设计与制造工程，2013（9）：42～45.

［5］贺道坤，段向军.用于环境检测的智能窗户装置研究［J］.工业安全与环保，2014（10）：66～67.

［6］卢 锋，马 佳.智能窗户系统设计［J］.西安文理学院学报：自然科学版，2015（1）：63～67.

［7］M.Sabry，P.C.Eames，H.Singh，et al.Smart windows：Thermal modelling and evaluation［J］.Solar Energy，2014（103）.

［8］Claes G.Granqvist.Electrochromics for smart windows：Oxidebased thin films and devices［J］.Thin Solid Films，2014（11）.

［9］黄 野.环境监测数据管理系统开发与实现［D］.成都：电子科技大学，2013.