一种远程控制智能防坠楼窗户设计

2021-08-20谢亚楠骆佼陈德龙曾添泓王界璎

机电工程技术 2021年11期

谢亚楠骆佼陈德龙曾添泓王界璎

摘要：针对传统窗户和现有的智能窗户进行分析，设计了一种远程控制智能防坠楼窗户，包括基本窗体、电动控制中心、电磁锁、压力传感器、雨滴传感器、烟雾传感器、温湿度传感器等作为系统的信号收集与处理源。电动控制中心通过电机控制窗户左右平移开合，电机作用使窗户停止;通过压力传感器和电磁锁的控制使安全防护网张开;结合 App控制窗户开合及环境信息反馈;按下紧急按钮有警示灯光并自动报警。这些对于高空防坠楼、提高生活品质等都有重要意义。

关键词：智能窗户;防坠楼;远程控制;智能开关;紧急按钮;自动报警

中图分类号：TP23文献标志码：A文章编号：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

隨着城市高层住宅楼越建越多，诸如儿童坠楼悲剧几乎每年都在上演，有媒体曾对儿童坠楼做了数据分析，发现从年龄来看，在这类事件中，4～6岁是儿童坠楼高发年龄段，他们对客观世界似懂非懂，毫无防备，还喜欢攀爬、探索，容易出事。而老年人或者非完全民事行为能力人由于个人的认知及健康等因素导致误坠楼现象也越来越多，除了监护人疏于看管和教育等主观原因外，高层住户窗户缺乏防护栏等安全设施也是一个重要原因[1]。除此之外，全国每年约有7万人一氧化碳中毒。如在温州，每年每万户有350多起因使用不当引起燃气泄漏事故[2]。燃气热水器燃烧不充分产生的一氧化碳中毒也是事故发生源头之一。而目前的窗户大都不具备智能的功能，传统家用窗户需要用户到窗边亲手开窗或者关窗。市面上普遍存在的所谓“智能窗户”，也只是简单的由用户远程控制开关窗户，而不能根据环境的变化智能开关。在暴风雨天气，一旦遗忘关窗，或未及时关窗，会造成室内积水，对室内的各种物品，尤其电器等造成严重的损害。在室内燃气泄漏时，没有及时开窗通风造成用户中毒甚至导致燃气爆炸。此外，社会快速发展，居民对住宅和生活质量有了更高的要求，智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、自动控制技术、音视频技术等将家居生活有关的设施进行集成，从而构建的高效住宅设施与家庭日程事务管理系统，可提升家居的安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境[3]，是未来的发展趋势。物联网技术成为如今最具发展潜力的信息技术之一，并被称作信息科技产业的第三次革命[4]。因此，如何在智能化的大环境下对传统的窗户进行智能化改造就成了一个重要的研究课题。

针对现有技术不足设计的本款远程控制智能防坠楼窗户是一个完整的智能机电一体化系统，由电机、电磁锁、卡簧等执行装置，压力传感器、雨滴传感器、烟雾传感器、温湿度传感器等感应装置，和移动电话 App应用层综合完成。整个系统通过电控单元将收集到的感应信息反馈给移动电话 App的用户和执行层，由 App用户手动或自动模式根据相关设置进行防坠楼网的弹出与收回、窗户的开闭等功能。该产品设计能够解决现有技术缺陷，提供一种智能窗户并具有防坠楼的功能，重点解决高空老人小孩不慎坠楼的问题并且可以根据实际情况智能开关窗户。

1 工作原理

本产品基于实际的窗体进行，可以对窗体进行加装相关零部件形式进行。图1 （a）～（c）分别为加装智能窗户控制装置后的内外侧全景图及透视图。该窗户包括基本窗体、电动控制中心、太阳能板、电磁锁、压力传感器、雨滴传感器、烟雾传感器、温湿度传感器等传感器作为系统的信号收集与处理源，并且配备有防坠楼装置以及紧急按钮。

1.1 电控单元逻辑

电控单元主要解决窗户的开合问题。由电控中心和各种感应元器件和执行设备组成。电动控制中心通过电机将传动传至基本窗体的窗户使其左右平移开合，电机作用使窗户停止，电机拥有自锁功能，在通电状态下无法手动移动窗户。本装置的特点：在微控制器的控制下，提供防坠楼的功能，通过压力传感器感应是否有坠楼的风险发生，通过电磁锁的控制使安全防护网张开，智能防止老人和小孩的坠楼。通过移动电话控制窗户的开合，根据不同环境的需求，通过电信号来控制机械传动进而完成窗户的开启和关闭，其电控单元执行的逻辑图如图2和表1所示。

在窗户的内侧设置烟雾传感器和温湿度传感器，窗户外侧设置雨滴传感器能够实时检测室内外的情况，根据环境的变化及时开关窗户。另外在窗户的内侧还设有紧急按钮，当遇到紧急情况时，用户按动按钮，窗户外侧的紧急求救指示灯会亮起，且会自动报警。用户既可以通过移动电话 App ，也可以通过按钮切换手自动模式。

在本设计中的电控部分利用 Arduino IDE进行编程，基于 MQTT 物联网平台实现用移动电话 App 控制窗户，传输数据。当系统上电后，Arduino开发板对设定的引脚和串口等硬件初始化，完成引脚的模式及串口的波特率设置。其次，各个传感器模块通电后同样初始化配置，以达到稳定测试状态[5]。电控装置触发的优先级依次为：防坠楼装置、烟雾传感器、雨滴传感器。防坠楼装置配备有逃生绳和剪刀，当遇到需要通过窗户逃生却触发了防坠楼装置的情况时，可以用剪刀剪开安全网，通过逃生绳安全逃生。

1.2 防坠楼装置实现

防坠楼设计是本产品最大的亮点之一。在设计时考虑到坠落前坠落的人体或者物体一般会在窗体内侧产生短暂的停留，因而会对窗体内侧产生一定的压力，若能检测到该压力并提供一定的装置阻止人的坠落则在一定程度上能缓解坠落的可能性。该设计的重点和难点在于压力的检测与反馈，以及防坠装置的反应速度要高于坠落速度。

在考虑以上因素的情况下，窗户的外侧设有防坠楼的装置，通过设置在窗户内侧的压力传感器，位置如图1（b）和图4所示，当感应到有人从窗内到窗外时，上下电磁锁（图5）打开，图 6所示的扭簧释放压力，并将附在其上的安全防护网张开，将人罩在网中防止其坠楼。

安全防护网的使用具有释放和收回2个部分。

（1）释放部分。在窗体下方和扭臂的端头结绳固定网，通过扭簧带动扭臂将网张开并由电磁锁（上端）固定扭臂。窗体上方电磁锁的位置安装了防震减震的海绵，减小防坠楼装置触发时的噪声。

（2）收回部分。通过棘轮扳手（图6）可以手动将防护网收回;并由电磁锁（下端）固定扭臂。扭簧的工作通过电控单元来控制。单边窗体防坠装置总体设计图如图7所示。防坠楼安全网未启动时如图8所示，启动时如图9所示。

1.3 窗体开合实现

针对窗体的开合实现，初步设想是在自动感应到天气状况和危险情况下自动进行窗户的开合、锁止与开启。如窗体外部雨滴传感器检测到下雨状态后，窗户关闭;室内烟雾传感器和温度传感器检测到室内气体或温度异常时窗户开启;同时该信息可由用户远程控制或者手动控制，因而还需增加手动和自动控制模式更改按钮。考虑到有可能有误触的情况发生，在保证安全起见，增加紧急开关应对突发情况。

经过分析后，设计齿轮齿条结构来解决窗体的运动问题，用电磁锁来解决窗户的锁止问题;整个电控部分由放置在控制盒内的开发板完成。移动部分如图10所示。手动切换按钮位于窗体内侧下方，如图11所示;温湿度传感器、烟雾传感器、紧急按钮位于窗体内侧上部，由成人操作，减少误碰，如图12所示。同时，紧急情况下按下紧急按钮，窗体外部的紧急求救指示灯点亮并闪烁，提示外部人员房间内有紧急状况，可及时报警，警示灯如图13所示。

1.4 智能手持终端实现

吴岳忠等[6]设计了一个物联网架构下的家居室内环境在线监控系统，通过基于 ZigBee的无线传感器网络对室内环境进行监控，基于无线通讯技术的智能家居逐渐受到大众任何和追捧，消费者逐步将智能家居系统作为其选购家居用品的首选[7]。而WiFi网络技术相对于其他无线通信技术，具有成本低、开发难度小、组网方式较灵活等优势，可以便捷地与移动电话或 PC进行通信，是一种实用性较强的无线通信方式[8]。本设计中，智能窗户的实现同样用的是WiFi，需要能通过移动电话端或者手持平板利用应用程序 App来远程监测与控制。App上能够进行信息的查看和窗户的开闭等功能。在此基础上，利用安卓平台设计出了一款远程控制 App ，能够在移动电话和手持平板上实现远程控制功能。App移动电话界面如图14所示，可以显示温湿度、天气、窗户开合情况，同时在异常情况下能够有警报信息推送等功能。

2 设计计算

本设计的设计计算的重点为防坠楼组件、窗体开闭设计、电控组件设计等，其重点分别为扭簧扭力计算与选型、电磁锁选型、电机选型等。

2.1 防坠楼装置设计

防坠楼组件采用一体式设计，包含了铝型材、扭簧、棘轮扳手、轴、防护网、电磁锁、扭簧。端頭固定处是整个装置的着力点。因此采用了性价比较高的铝型材作为主要零部件，在考虑了工程力学的基础上，组装了如图7所示的防坠楼组件，通过释放扭簧扭转状态的势能，打出一张安全网，将窗户完全封住，也可以根据客户和场景需要进行定制。该设计的重点是扭簧的计算与选型。

根据扭力计算公式：

选择钢性模数 E=206 GPa，扭簧线径 d=6 mm ，扭簧中径 D=29 mm ，圈数 N=7，力臂 L=700 mm的扭簧一只，并根据设计扭转角度为180°，代入式（1）后得出：

而防坠楼装置的另外一个重点为电磁锁磁力选择。市面上常见电磁锁的电磁力为60 kg 、180 kg 、280 kg 等，基于计算的扭力大小，选用2个60 kg和2个180 kg的电磁锁。将180 kg的电磁锁置于窗体下方，60 kg的电磁锁置于窗体上方，用于固定扭臂。

根据计算得出的数据，该扭簧和磁力能够满足95%分位以上人群单人掉落时产生的力，设计和选型有效。同时，在装配完成后测试中，防坠楼装置的相应时间小于0.2 s ，可以承受至少80 kg物体的掉落冲击，从实践效果上来看设计有效。

2.2 电机选择

2.2.1电机设计要求

（1）装置应振动小，运行平稳;

（2）装置应相对静音;

（3）装置應具有高速响应的能力;

（4）装置应具有较高的精度;

（5）装置应具有较高的效能;

（6）设计性能指标;

（7）工作环境为室内工作，24 V直流;

（8）质量小于或等于1 kg;

（9）窗体运行速度小于或等于150 mm/s。

2.2.2 电机总体设计方案

步进电机易于开环控制，但是开环控制控制精度差，而且步进电机的系统误差无法克服，必须通过闭环来解决[9]，针对上述设计需求及主要性能指标，做出如图10所示的传动方案，采用齿轮传动结构，由一个57全闭环步进伺服电机，伺服电机起动转矩比较大，当一旦给定子提供控制电压，转子就会立即转动，具有起动快、灵敏度高的特点[10]，能保证恒定的传动比，传动精度高，可靠性高，工作平稳，耐用性好。

2.3 电控组件设计

电控组件控制模块设计时要求可以实现下雨时自动关窗;烟雾浓度过高时自动开窗;当感应到有人试图翻窗时开启防坠楼装置;当紧急按钮触发时自动报警;用户可以通过移动电话 App远程开关窗户;用户可以实时接收环境信息与警报信息。因此根据功能需求设计电控工作流程。

为了实现 App与用户之间的人机交互，电控核心控制板采用具有WiFi和蓝牙开发功能、成本低、稳定性好的 NodeMCU-32S 控制板。为了实现下雨自动关窗的功能，降雨量数据采集模块选用雨滴传感器 YL35。烟雾传感器主要包括光电式、离子式和气敏式，在这3种传感器中，气敏式传感器对于气体敏感度更高，能够实现烟雾的均衡相应。在发生火灾的过程中，大部分都是因为厨房气体泄漏导致的[11]，本设计选择可以检测一氧化碳浓度的 MQ-2烟雾传感器。为了能够实时监测室内的温湿度，选择 SHT30温湿度传感器。

以上传感器的执行逻辑和标准在1.1节中阐述，本处不再具体介绍。

2.4 成本计算

市面上现有的智能窗户的价格动辄就要上万，功能上大多是可以远程控制开关窗户，测试屋内温湿度，智能开关窗户。与市面上已有的智能窗户相比，在现存功能的基础上，还提供了防坠楼、紧急情况报警的功能，除了性能和功能上的提升外，本设计的另外一大优点在于其制作的性价比上。本结构不考虑窗体本身价格和人工费，以 4 m2的窗体计算，成本约为593元，远低于市面上功能单一的智能窗体，极具市场价值。其具体材料及价格如表2所示。

3 主要创新点

本设计的主要创新点有以下几点。

（1）本装置是个能够防坠楼的智能窗户，防坠楼装置是其最大创新点。通过窗体内置压力传感器感应是否有人试图从窗内到窗外，当检测到有人从窗内到窗外，则电磁锁打开，在0.2 s内弹出防护网将人保护在网内，防止不慎坠楼的事件发生。同时该装置有防止误触防坠楼装置的手自切换模式，使用户的日常需求不受影响。

（2）本装置拥有紧急报警按钮，安全性高。当有紧急情况发生时，用户按动按钮，窗体外侧会发出警示灯光并自动报警，有较传统窗户及现有智能窗户更为安全的特性。

（3）该装置具备系统完整，高度智能化特性。设计结合多种传感器，其中烟雾传感器、温湿度传感器置于窗户的内侧，雨滴传感器置于窗户的外侧，根据实际情况及时开关窗。为了使用户可以远程控制窗户，实时监控室内状态，该设计有一整套的手持端 App ，用户可以通过 App实时接受环境信息与警报信息并远程控制开关窗户。

（4）产品模块化设计是对产品中的相同和相似模块识别、分类、定义、规范，建立通用模块，在此基础上对通用模块组合和变型，设计出低成本、高质量、快速满足用户的多样化和个性化需求的设计原理[12]。

4 结束语

物联网与家居的结合是时代发展的趋势，本远程控制智能防坠楼窗户利用扭簧本身速度极快的优势和防护网结合，应用在防坠楼窗户领域，通过用雨滴传感器、WiFi模块、烟雾传感器、电机、传动装置等赋予窗户智能，窗户通过接受外部信息，检测是否下雨，执行自动开关窗功能以及 App 信息反馈等。结构简单、成本低廉、安全性强，有较强的通用性和可操作性，经试验验证，能够及时根据环境的变化自动开关窗户，App也会实时传输、接收数据。并且能够有效降低意外坠楼的事件发生。在遇到紧急危险情况下，紧急按钮也能及时报警。对于高层防坠楼、提高生活品质和安全保障等方面都有着重要意义。

参考文献：

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