運用環境監測大數據助力城市發展智能窗

但海均，徐東耀

（中國礦業大學 化 學與環境工程學院，北京100083）

1 引言

近年來，雖然可以感受到北京市的空氣質量有所提高。但筆者居住在學生公寓，盡管宿舍安裝有紗窗，陽臺以及室內仍然積下了大量灰塵。停放一晚的自行車，次日早上也能看到灰塵積下，城市街道灰塵隨處可見［1］。整個城市中總有人因疏忽忘記關窗而導致室內遭受污染，有時刮大風，也總會有人忘記關窗而導致室內被吹亂。針對人們易忘記關窗這一現象，謝作敏等［2］對普通推拉窗結構深入研究后研制了“智能窗”模型。苗現華［3］在窗戶上也作了智能化設計，實現自動開啟或關閉。徐鵬程等［4］針對傳統窗戶和紗窗缺陷，設計了一體紗窗。賀道坤等［5］研究了能用于環境檢測的智能窗戶裝置。盧鋒等［6］也系統設計制作了智能型窗戶系統。國外M.Sabry等人［7］研究了智能窗的熱模擬并作出相應評估。Claes G.Granqvist在氧化物薄膜層面更深入研究了電致變色顯示智能窗戶［8］。通過研究對比發現，以上的“智能窗”均是單獨監測，各模塊組合發揮作用。而如今，基于云計算與物聯網等的迅速發展，全國又有環境監測數據以及氣象數據的實時發布，尤其是空氣質量，再結合住家的窗戶，將其連理，借鑒前有的“智能窗”模型，最大化地保證“智能窗”給家庭帶來有效的呵護，逐步助力城市發展，流程見圖1。

圖1 以智能芯為中樞的反饋

2 機構組織間合作

國家環境保護部已在全國設立了多個監測站。到2015年底，所有地級以上城市都將建成適應新空氣質量標準實施需要、能夠監測PM2.5等指標的先進城市監測網絡，大概有1 500個城市監測站點。各省市已經有氣象局，在全國基本形成完整的氣象數據網。遼寧省結合其已有環境監測技術現狀，綜合利用通信網絡和數據庫等相關先進技術手段，開啟新的現代化環保之路［9］。因此，本文意在選擇跟民眾生活息息相關的環境氣象數據作為信息源。

此外，在全國絕大多數縣市都實現了數字電視播放。數字接收機則是應用智能芯的重點。在每個家庭，核心智能芯將承擔越來越重要的作用，成為指揮控制中樞。既然這個智能芯能接收衛星電視廣播系統、地面廣播系統、有線電視系統發出的信號，那么通過對智能芯進行改進，置入能接受環境氣象數據的單元，就可以保證新的智能芯起到受的作用。所以，需要環境監測數據網、氣象數據網和廣播電視總局等各方的通力合作。另外，智能芯除有受的作用外，還必須有反饋的作用——根據環境氣象信號對窗戶進行智能控制開合。下面，就對窗戶如何接受來自智能芯的調控加以闡述。

3 窗戶受控原理

3.1 接入共享數據

當出現氣象預警以及環境空氣質量預警時，每個智能芯接受的信號則屬共享數據。然后，在窗戶設置能接收來自智能芯發射信號的反饋操作（類似紅外感應控制門的開合般控制）活動系統，當空氣質量較差或更為嚴重時，尤其是中度顆粒物污染出現的情況，智能芯將發揮出該有的作用——關上住家的窗戶，保證室內空氣少受污染；而當空氣質量較好時，可打開住家的窗戶，給室內換氣。當接收到風力等級較大信號時，窗戶也能自動關上。

3.2 接入個性化數據

要實現窗戶的個性化獨立受控，必須對窗戶做輔助單元設計。而這受控的關鍵，是在受控系統中電路部分加入溫度傳感器、光敏傳感器（可見度傳感器）、風速（壓）傳感器、濕度傳感器、單片機、限位開關、按鍵模塊等。通過檢測室外溫度、光強、風速及濕度信號，然后傳入單片機，單片機對信號進行處理，再輸出脈沖調節步進電機，實現窗戶的自動開合。

其中，按鍵模塊是區分智能芯控制和人工控制的環節，即斷電時為人工控制，而通電時又分接入共享數據和個性化數據兩個區。

延伸：跟窗戶幾乎一體的窗簾，也聯入受控系統：①在清晨，則會自動打開窗簾，讓自然光照射進室內，人們能在自身生物鐘與外界光線作用下，達到“自然醒”的效果，尤其是夏天更為明顯；②當陽光照射到窗臺附近或者溫度在28～30℃感應區（或預設值）時，窗簾會自動拉上；③在傍晚，由于溫度及光線減弱，則會自動打開窗簾；④而到了晚上，天完全黑時，窗簾則會自動合上。

3.3 窗戶開合設計

如圖2所示，當反饋操作活動感應器②接收到來自智能芯的命令后，窗體③就能向左向右開合。其中，本設計將窗體考慮為可嵌入墻體式，使外觀大大改善，更加美觀。而進入墻體的窗框里層設有剛剛貼合窗玻璃兩面的毛刷，可隨時清潔窗玻璃，保證潔凈新亮。

圖2 智能窗開合示意

4 結論及展望

在基于環境監測大數據下構想的智能窗，承載了對智慧城市這一先進理念的運用。在建設生態文明的布局下，必將有更加智慧智能的能夠體現人與自然和諧發展的設備出現。充分利用環境監測大數據以及氣象數據等可用于公共服務的數據，再配以智能芯，通過核芯去控制窗戶（當然，未來可控制的不只是窗戶，還有其他智能家居），達到室內空氣清新流通合理等實際效果。一定程度上解決了外部環境帶給人們日常生活的諸多煩惱。

［1］李章平.重慶市主城區街道灰塵的污染與風險特征研究［D］.重慶：西南大學，2012.

［2］謝作敏，駱青苗，朱晨亮，等.智能窗的設計與研究［J］.科技資訊，2010（29）：1.

［3］苗現華.智能化窗戶的設計［J］.現代制造技術與裝備，2013（6）：19～20.

［4］許鵬程，陳 健，張文峰，等.智能一體紗窗的系統設計［J］.機械設計與制造工程，2013（9）：42～45.

［5］賀道坤，段向軍.用于環境檢測的智能窗戶裝置研究［J］.工業安全與環保，2014（10）：66～67.

［6］盧 鋒，馬 佳.智能窗戶系統設計［J］.西安文理學院學報：自然科學版，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］黃 野.環境監測數據管理系統開發與實現［D］.成都：電子科技大學，2013.