安窗智户——智能式窗户防护系统设计

安窗智户——智能式窗户防护系统设计

王瑞新，李润，羿关成，孟凡辰，刘敬源

（西安工业大学 陕西 西安 710021）

[摘要]：针对目前高楼和农村民房窗户缺乏防护措施，及现有防护措施采光性与智能性差的现状，研制了一种智能式窗户防护系统。本文进行了机械系统和电路系统设计，并利用搭建的样机模型进行了功能验证实验。实验结果表明本文设计的系统能够在儿童靠近时开启防护功能，在火灾和有害泄漏时及时报警和进行自动通风。本文的研究成果能够为高楼防护和智能式家居提供有益的参考和借鉴。

[关键字]：窗户防护；智能家居；安防；物联网；嵌入式

1. 引言

随着我国经济的飞速发展以及城市化进程的不断深入，越来越多的居民选择在楼房中居住，但也带来一系列严重问题：①高层窗户坠落事故严重威胁住户特别是儿童的生命安全，我国年均近7万人因高层窗户坠楼导致死亡，其中近6万是3-6岁的儿童[1-4]；②高层建筑一旦发生有害气体泄漏事件逃生难度很大；③室内煤气等有害气体泄漏严重威胁着百姓的生命与财产安全[5-6]。

然而目前城市高层窗户以及农村民房窗户都普遍缺乏防护措施，通常采用加装栅栏与金属窗纱的方式，不但严重影响视野与采光，且不具备报警与自动开合功能[7]。本文正是针对这一问题，研究了一种智能式高层窗户防护系统，具有以下5个特点：①能够区分儿童和成人；②防护状态自动开启；③有害气体检测与防护；④紧急情况远程报警；⑤不影响室内采光和视线。

2. 系统设计

2.1结构设计

如图1所示，本文设计的智能式窗户防护系统主要由窗户-窗户框、滚珠丝杠支撑座、安装底板、滑动开合杆件、电机-联轴器结构、滚珠丝杠传动机构、电机制动机构组成，滑动杆件与窗户之间用螺栓连接。图2-图4为系统的主要部件，如图2所示为导轨，采用不锈钢材料和石墨轴套滑块，防护杆件之间采用铰链连接。上拉机构如图3所示，采用高弹拉力回位卷簧。如图4所示为窗内锁紧机构，窗户关闭到位且儿童并未离开时，锁紧机构的销子自动弹出卡住棘轮阻止丝杠转动从而达到锁定窗户的目的，当儿童离开危险区域时，销子收回，释放丝杠，窗户可自由开合。

图1 窗内窗户开合紧锁三维结构模型图

图2导轨三维图        图3上拉机构结构三维图     图4 窗内锁紧机构三维图

2.2硬件电路系统设计

本文采用STM32F103RCT6单片机作为控制核心，L9110S芯片为电机控制核心， LM393比较器作为室内火焰检测电路的主控芯片。为了实现对人体体重检测功能，本文通过体重和身高检测来区分成人与儿童，设计了如图6所示的体重检测电路，采用LM393比较器作为体重检测电路的主控芯片；采用红外对射式光电传感器作为身高检测电路的核心器件。智能式高层窗户防护系统在遇紧急情况时，需要向用户远程报警或者远程接收用户命令。本文选用Air720-H网络通信模块作为4G-LTE无线数据传输与入网模块。

图5 直流电机驱动原理图              图6 体重检测电路原理图

2.2.6 4G网络通讯模块

3. 样机测试

3.1儿童防护测试

本文利用亚克力与木质板搭建了如图7-8所示的窗户防护系统样机，并进行了功能验证实验。如图7所示当儿童未靠近窗户时，窗户和护栏为打开状态，不影响住户的采光和视线。如图8-9所示当儿童靠近窗户时，系统检测到儿童靠近窗户自动启动保护措施，窗户与护栏进入关闭状态，儿童无法打开窗户，避免儿童坠楼。如图10所示当发生火灾时，系统检测到有明显火源，窗户自动启动保护措施，窗户进入打开状态，方便将屋内燃烧产生的有毒气体排出，护栏进入关闭状态，在不影响向外排放有毒浓烟的同时依然可以防止儿童翻窗坠楼，同时系统向用户发送火灾报警短信。该状态下，由于有护栏的存在，儿童无法翻越护栏，打开的窗户可以将有毒烟雾排放到屋外，防止屋内儿童窒息。

                    图7 防护系统正常状态              图8儿童靠近窗户打开防护状态

            图9  防护系统外景                           图10 火灾防护状态

3.3有害气体防护测试

如图12所示当未发生有害气体泄漏时，系统处于正常状态，窗户和护栏为打开状态。不会影响住户的采光和视线。如图13所示当发生有害气体泄漏时，系统检测到有害气体浓度显著升高，防护系统自动启动保护措施，窗户进入打开状态，方便将屋内泄漏的有害气体排出，护栏进入关闭状态，在不影响向外排放有害气体的同时依然可以防止儿童翻窗坠楼，同时系统向用户发送有害气体泄漏报警短信。该状态下，由于有护栏的存在，儿童无法翻越护栏，打开的窗户可以将有有害气体排放到屋外，防止屋内儿童中毒窒息。

图11防护系统正常状态            图12有害气体防护状态

4. 结论

智能式高层窗户是一种新兴的智能家具结构形式，相较于传统推拉窗户，具有体积小巧、可应急和可控性强、采光好、成本低、智能程度高、不破坏原有窗户结构等优点，解决了普通推拉窗户不可防范多种危险的弊端，并结合基于窗户空间位置，能够高效、高质量的完成火焰、有害气体等参数的测量。本系统可以不拆除居民已安装的传统推拉窗户，而是将已有窗户作为载体，将控制系统与防护系统等装置设计在窗户框架外部，实现安全防护和参数参量。实验结果表明本系统在保证居民正常生活作息的前提下，还具备全天候远程控制开关窗、火灾智能警报、有害气体泄漏预警和紧急情况自动报警等多种功能，为高层住户提供了全面的安全保障。本系统还可加装不同的设备，如空气净化仪、PM2.5防护装置、储物栏、气象仪等，以应对不同需求，助力智能家居发展。

[参考文献]

[1] 田腾.多学科视角下幼儿意外伤害发生机制研究[D].  南京: 南京师范大学, 2018.

[2] 王水发, 范伟华. 基于Arduino的智能安全窗监控系统的开发与研究[J]. 电子质量, 2019, (10): 43-45.

[3] Xingyu C, Cifa C, Shaojun Z, et al. A Smart window design based on wireless sensor networks technology[C]. 2012 International Conference on Power Electronics Engineering and Computer Technology.Yichang, China, Dec. 21-23, 2012: 297-300.

[4] 刘万萍. 一氧化碳中毒的急救护理方法[J]. 人人健康, 2022, (19): 36.

[5] 闫玉敏. 一氧化碳中毒继发脑梗死患者的临床相关因素分析及预后评估研究[D]. 延边：延边大学, 2017.

[6] 任璐, 任孟虎. 急性一氧化碳中毒致心肌损伤的分析[J]. 心脏杂志, 2018, 30(6):127-129.

[7]王伟胜, 熊蒋芹, 谭玉姣, 等.基于物联网技术的智能窗户控制系统设计[J]. 湖北理工学院学报, 2021, 37(6): 5-8+20

基金项目：西安工业大学2023年省级大学生创新创业计划项目（S202310702070）