一种智能玻璃窗防风装置的研究

葛干 王洪新 邬志军 许庆 陈泽禹

摘 要：台风、龙卷风等恶劣天气中，高层建筑玻璃幕墙和居民玻璃窗极易因风压、振动、异物碰撞等原因受到破坏;破坏的同时，容易造成高空坠物、室内家装破损等二次破坏。针对玻璃窗的安全需求，从密封、柔性保护、智能家居等角度，解决玻璃窗的防风问题，设计一种防风保护装置。包括：安装架总成、气囊总成、风速测试仪、气泵、单片机、声光报警器、WIFI远程控制模块、红外遥控模块等。风暴天气中，该装置可主动或被动完成防护动作，隔离风暴与玻璃窗的直接接触，保护玻璃窗。该装置具有防护可靠、结构简单、性价比高等优点，同时可直接嵌入到智能家居系统中，构成智能家居的重要一环，具有广阔的运用前景。

关键词：玻璃窗 防风 气囊

在全球变暖和海平面上升的背景之下，沿海地区台风风暴潮灾害风险已经成为国际社会和学术界普遍关注的热点问题和科学前沿[1]。我国沿海地区是世界上台风风暴潮灾害影响最为严重的区域之一，风暴天气对我国沿海地区的生活、生产带来重大危害。风暴天气中，高层建筑的玻璃幕墙和居民小区的窗户玻璃的安全问题异常严峻。在风载的作用下，幕墙和窗户玻璃因气流风压、玻璃振动、外界异物撞击等原因，极易破碎。破碎的玻璃及铝型材，形成高空坠物，对路面的人员及财产带来巨大危害。同时窗户玻璃破碎后，房屋失去玻璃的保护，屋内外形成一定的气压差，进一步导致屋内的物品在气流的作用下吸出窗外，产生二次危害。目前市场上，针对风暴天气的玻璃窗保护装置还是空白。玻璃窗的防护措施也相对落后。传统的玻璃窗的防护装置，主要用于防盗，不能起到防风暴的作用。风暴天气下，普遍采用的粘贴米字型胶带进行防护处理，操作麻烦，清洗困难，且防护效果也不理想。因此研究一种智能玻璃窗防风装置，具有重要的安全意义。随着5G的到来，智能家居产品的普及已成大势所趋，将玻璃窗的防护装置智能化，与智能门禁、安全防盗、火灾监控等一起，构建成智能家居安全防护的重要一环，应对家居的安全隐患，防患于未然。

1 智能玻璃窗防风装置工作原理

智能玻璃窗防风装置由安装架总成、气囊、气泵、风速测试仪、单片机、声光报警器等组成。智能玻璃窗防风装置的整体效果图见如图1。

安装架通过膨胀螺钉分别与窗户洞口两侧墙体固定，安装架左右两侧通过钢丝绳索连接。是整个装置的安装平台。气囊一侧固定在气囊盒底部，一边固定在盖板上，平时收纳于气囊盒里。盖板可在钢丝绳索上左右滑动。盖板扣在气囊盒上并以电磁吸合锁锁紧。

工作时，当风速测试仪检测风速超过设定值，在单片机的控制下，声光报警器打开。接着电磁吸合锁松开，气泵开始工作，气囊盒里的气囊因充气而膨胀，推动盖板沿着钢丝绳索向左移動。当气囊膨胀与左侧墙面接触后，随着气压的增大，到达设定阀门值时，气泵停止工作。实践中，窗户玻璃破碎的主要原因是由于气流的脉动载荷导致玻璃的振动及靠近围框处的玻璃弯曲变形[2]。气囊在安装架及墙体的约束下，对玻璃窗施加均匀的压力，使窗户玻璃保持相对稳定，减少振动。气囊将玻璃与气流隔开，形成一个柔性的阻尼器，有效抵消脉动载荷，消除了玻璃的振动载荷源。同时气囊对玻璃施加的均匀的压力，使玻璃受到的弯曲张力，均匀的分摊到整个玻璃面上，提高了玻璃的整体强度。由于气囊膨胀，与墙体上窗户洞口形成有效地密封，隔离了外界异物对玻璃的撞击，也阻隔了由于暴风中室内外的气压的差导致的室内物品吸出室外的危险。

暴风等恶劣天气解除后，单片机解除声光报警。这是可手动打开排气阀门，排空气囊里的空气，手动折叠气囊，将气囊重新放置于气囊盒，盖上盖板，打开电磁吸合锁，完成气囊的撤收工作，为下次的防护准备。

2 安装架总成

安装架总成由底座、气囊盒、安装板、钢丝绳索、电磁吸合锁、控制盒等组成。整体结构采用高强度铝合金材料，折弯焊接成型，结构简单，强度可靠，构成了整个防护系统安装的平台。固定板与底座通过膨胀钉分别与两侧玻璃窗洞口墙体固定，中间采用钢丝绳索连接，钢丝绳索张力可调。气囊盒与底座采用螺接，方便检修;其孔口采用翻边设计，与盖板上的密封条压紧形成密封，用于保护气囊。盖板上下设有导向孔，保证盖板可自由在钢丝绳索滑动;同时上下设有锁舌，与底座上的两个电磁吸合锁配合，用于盖板的可控锁紧。控制盒用于气泵、单片机、传感器等的安装与保护，安装位置根据需要可安装在气囊盒上或墙体上。

3 气囊

气囊放置于安装架总成的气囊盒里。工作时展开，由于边界约束原因，其工作时展开成形效果如图2所示。

气囊由内胆与外罩构成和充/放气门等组成。内胆采用特种尼龙布600D材料，其结构为外环形气囊+多个独立气囊复合结构。外环形气囊的设计保证在充气时气囊展开流畅，快速定位。而独立气囊设计保证单个气囊破损后，不影响整体安全性能。

气囊外罩采用多层复合尼龙网布复合结构，防刮、防水、防菌。气囊外罩上下设计有多余的缝缝，其上设有铜质气眼，贯穿于上下钢丝绳索，起到导向和固定的作用。气囊左右两侧分别于气囊盒底部固定及盖板固定。

4 电气系统设计

玻璃窗防风装置的电气系统由单片机、风速测试仪、电磁吸合锁、气泵、DC驱动模块、红外遥控装置、WIFI远程控制模块、声光报警器、气压传感器等组成，其原理图如图3所示。

根据实际工况需要，智能防风装置的控制模式由主动模式和干预模式两种模式构成。

4.1 主动模式

主动模式下，风速测试仪实时监测风速的电压信号，并传输给单片机。当电压信号超过预定电压阈门值时，单片机先向电磁吸合锁发出开启指令，电磁吸合锁打开，盖板上的锁舌限位消失，盖板与气囊盒之间的约束解除。同时打开蜂鸣器和报警指示灯，进行声光报警。接着单片机再向气泵发出指令，气泵开始工作，向气囊充气。气囊的气压传感器实时检测气压信号反馈给单片机，当气囊的气压值超过设定阈值时，单片机发出指令，气泵停止工作。为防止气囊因漏气导致气压不足，或风载条件下，内囊内部气压过大，导致气囊坏等情况。单片机采用PID反馈控制，将气囊内实际工作气压与阀门值进行比较，精确控制电机，控制气囊气压大小。

4.2 干预模式

为了满足对暴风、台风等恶劣天气的提前干预以及日常的检修的需求，智能玻璃窗防风装置同时设有干预模式。包括红外遥控模式和WIFI远程控制模式。

红外模式下，根据天气情况，利用红外遥控器可以提前开启玻璃窗防风装置。这时打开电磁吸合锁，启动充气泵，当气压达到设置值，气泵停止工作。红外模式下，可以设定专用的红外编码，与空调、电视机等家电一起，可利用智能红外遥控器进行遥控。

WiFi远程控制模式下，通过WiFi远程控制模块，实现智能防风装置的物联网模式的控制。当住户远离房间，根据天气情况，可利用手机APP控制终端，通过手机WIFI或4G信号发送给云服务器。云服务器将信号发送至WIFI模块，WIFI模块将信号通过联网传给单片机，从而实现任意地点，实时干预控制。或者根据云服务器中的天气情况，提前开启[3]。

因此红外遥控模式和WIFI远程控制模式均可实现物联网控制，可方便的快速嵌入到到智能家居安防系统中，构建智能家居的安防屏障。

5 结语

针对玻璃窗安全的防风要求，提出了一种智能玻璃窗防风装置的设计方案。包括安裝架总成、气囊总成、电气系统设计等内容。采用气囊实现柔性保护和密封，有效消除了台风等强对流天气的脉动风载，分散了风压下玻璃受到的张力，同时保持了玻璃的固定，隔离外界异物对玻璃的碰撞，解决了多种原因，导致玻璃的破碎。气囊和钣金件的安装架总成，结构简单，展收方便，且安装尺寸灵活。电气系统搭载的传感器可采集风速、气压等环境信号，实现声光报警和多模式控制。自动模式实现智能玻璃窗防护装置的被动开启;红外遥控模式和WIFI远程控制模式可以实现智能玻璃窗防护装置的物联网，实现直接干预模式控制。两种模式控制的实现，满足玻璃窗防护的多工况需要。本装置可继续搭载红外安防、火焰报警等传感器，实现防盗、消防预警等功能，与智能门禁、安防监控仪器等，构建智能家居安全系统，是智能家居的重要一环。智能玻璃窗防护装置的设计研究，填补了玻璃窗防风保护的空白，符合智能家居发展需求，因此具有广泛的应用前景。现已申请发明专利，开始投放市场。

基金项目：安徽高校自然科学研究重点项目：便携式全地形自主行走中药株间割草机械的研究（KJ2019A0629）。

参考文献：

[1]侯晓梅，郇长坤.我国沿海地区台风灾害防范分析[J].新乡学院学报.2015：63-65.

[2]童丽萍，李明.风载荷作用下玻璃幕墙结构受力分析与计算[J].工业建筑.2000：27-30.

[3]曹杰，王春梅.浅谈智能家居的现状与发展趋势[J].探索与发现.2018：281.