智能儿童防坠窗设计

西安思源学院工学院 郭 旭 贾 先 曹勇飞 乔志华 高启睿 马 敏

针对传统防护窗的不足之处，设计出符合现代需求的智能防坠窗。本次设计的窗户具有防坠落，美观，易清洗，智能的功能。窗户及防护窗主要由2个机械结构组成，卷拉装置可以使防护窗收起时隐藏在卷拉装置中，不影响视线，拉出时挡在空缺处防坠落，起到保护作用；旋转装置可以使窗户以30°开启，保证安全且可以通风换气，窗户易清洗。本窗户采用多种传感器加蓝牙模块与Arduino单片机组合，可以满足用户多种需求，达到全方面的智能化生活，玻璃采用电动雾化设计，可以很好地保护住户的隐私。

1 技术背景

防护窗在人们的生活中被广泛使用，防护窗通常独立安装在窗户外侧，遮挡视线，风吹雨淋，经过一段时间会有安全风险。而且现在很多窗户并没有防风、雨，自动开合，高低温变化，可燃气体泄漏检测和PM2.5检测等功能。

本文根据传统防护窗的不足设计了一种新型的隐藏式防护窗，能够根据温湿度、雨滴、PM2.5、可燃气体打开/关闭窗户的智能控制系统，该系统通过Arduino单片机对传感器电路检测到的室内可燃气体，室外有无下雨、温湿度、PM2.5的信号处理，输出脉冲控制推杆以实现自动 打开和关闭窗户。

2 系统总体设计

智能儿童防坠隐形窗机械部分包括卷拉装置和旋转装置。

电路部分包括输出及输入设备，输出设备有数据处理部分、电动推杆和驱动模块；输入设备有温度和湿度、可燃气体、雨滴、PM2.5传感器、蓝牙模块。

在电路控制系统中，输入部分是一项重要环节。传感器和软件预设值是根据环境值来设置的。每个传感器都有相应的变量，可以根据传感器的设置将窗户打开或关闭，也可以通过蓝牙模块来手动控制窗户开合状态。

设计的儿童防坠窗的结构图如图1所示。当传感器检测到室内和室外环境的变化时，该窗户会自动打开和关闭。在开启和关闭窗户的同时，防护窗被拉出与收回。可自由拆卸的防护窗和窗的整体设计可以大大提高窗的密封性，确保安全，还可以防止苍蝇和其他虫类进入房间，让窗户的整个框架简单实用，更加精美。

图1 儿童防坠窗的构造示意图

2.1 机械部分设计

（1）卷拉装置设计

卷拉装置由外筒、圆柱螺旋弹簧、弹簧杆旋转轴、端盖组合而成，圆柱螺旋弹簧安装在弹簧杆上，弹簧的一端连接在弹簧杆上，另一端连接在旋转轴上，端盖上设有防止转动轴在弹簧预紧力作用下转动的锁定组件。防护窗紧装在转动轴上。拉出防护窗时转动轴转动，使套在弹簧杆上的弹簧旋紧，收回防护窗时，弹簧力作用下，转动轴反向转动，带动防护窗卷回卷筒。

（2）旋转装置设计

考虑到房屋建筑中门窗的设计原理，旋转窗采用双框架结构。在平开窗的上侧设置有轴以与旋转窗连接，下侧安装旋转装置与旋转窗的连接，达到旋转的功能。使窗户在兼具水平打开功能的前提下，增加了旋转功能。对于旋转机构的设计，使用了30°的单向开关，可以将其旋转到不同的位置上来实现不同的打开效果。 内外窗的集成，不但提高了窗户的密封性，还减少了窗扇变形的可能性。

旋转装置包括旋转轴、轴承、上旋转体、下旋转体、转动管体。内框体的上，下表面均设有安装孔，在安装孔中安装轴承，上、下旋转体设置在窗框的上，下表面并贯穿侧壁，旋转轴的一端穿过旋转管并延伸到轴承中。另一端连接在该窗户框架的内侧壁上。

2.2 电路部分设计

（1）温湿度传感器

温湿度传感器采用DHT11温湿度传感器。其具有校准数字信号输出的功能。DHT11温湿度传感器包括电阻式温湿度传感器和连接到Arduino单片机的NTC检测元件。在检测信号的过程中传感器调用OTP存储器中以程序形式存在的校准系数。因为使用单线串行接口所以系统变得简单，反应灵敏。因其质量好，体积小，功耗低，价格便宜，抗干扰能力强，信号传输距离可长达20m，连接方便，是最佳的选择。

（2）粉尘传感器

粉尘传感器选用GP2Y1010AU0F粉尘浓度传感器。它可在室外环境检测空气中PM2.5浓度。 含有灰尘的外部空气通过风扇进入吸入口，并通过导向装置进入检测室。检测室的视野与暗室中的平行光成90°，从而创建敏感区域。有PM2.5经过敏感区域，直角方向的散射光由狭缝发射到光电倍增管，光电倍增管接收后转换为光电流。光电流积分电路把光电流转换为电信号，转换后的电信号与散射光成正比。Arduino单片机通过单片机放大电路和A / D转换电路计算PM2.5质量浓度并输出。

（3）雨滴传感器

雨滴传感器选用YL-83雨滴传感器，它可以检测是否下雨及雨的大小。当连接到电源且传感器板上没有水，指示灯熄灭，DO输出为高电平。如果传感器板上有水，指示灯亮，DO输出为低电平，水滴清除，然后将返回高电平。Arduino单片机的AD端口连接AO模拟输出，以检测雨量。DO TTL数字输出端口连接到Arduino单片机以检测是否下雨。

（4）可燃气体传感器

可燃气体传感器选用MQ-5可燃气体传感器。传感器中的气体敏感材料为二氧化锡，它在清洁空气中的电导率较低。如果空气中存在易燃气体，易燃气体的浓度增加，传感器的电导率会随之增加。它对多种可燃气体具有良好的敏感性，并具有使用寿命长，价格低和电路简单等优点。

3 系统软件设计

程序设计语言为C语言。其具有结构简单，易于维护和可移植性等优点，并且可以满足开发需求。

3.1 传感器状态值的确定

（1）温湿度传感

使用温湿度传感器测量室外温湿度,变量c代表温度的状态，当室外温度＜10℃或＞28℃, 变量c为0。当温度在10℃～28℃之间时，变量c为1，在温度不适宜时自动关窗。室外湿度冬季一般为30%-80%，夏季为30%-60%，变量a代表湿度的状态，当室外湿度＜80%时，自动开窗，变量a为0；当室外湿度在80%-100%时，自动关窗，变量a为1。

（2）粉尘传感

使用粉尘传感器测量室外PM2.5，当室外PM2.5小于75，变量b为0。当PM2.5大于75，变量b为1，从而达到能在室外空气质量不好的情况下自动关窗。

（3）可燃气体传感

使用可燃气体传感器测量室内可燃气体值，当室内可燃气体浓度小于5%，变量d为1，当可燃气体浓度大于5%，变量d为0。

（4）雨滴传感使用雨滴传感器测量室外有没有下雨，室外下雨，变量e为1。室外无雨，变量e为0。

3.2 控制算法

湿度、PM2.5、温度、可燃气体、雨滴的优先级为:可燃气体(d)＞PM2.5(b)＞雨滴(e)＞温度(c)＞湿度(a),将这5个变量组成1个新的变量NUM:NUM=，用户可以根据当前状态值，自行调整窗户的状态。程序流程图如图2所示。

图2 程序流程图