一種智能玻璃窗防風(fēng)裝置的研究

葛干 王洪新 鄔志軍 許慶 陳澤禹

摘 要：臺風(fēng)、龍卷風(fēng)等惡劣天氣中，高層建筑玻璃幕墻和居民玻璃窗極易因風(fēng)壓、振動、異物碰撞等原因受到破壞;破壞的同時，容易造成高空墜物、室內(nèi)家裝破損等二次破壞。針對玻璃窗的安全需求，從密封、柔性保護、智能家居等角度，解決玻璃窗的防風(fēng)問題，設(shè)計一種防風(fēng)保護裝置。包括：安裝架總成、氣囊總成、風(fēng)速測試儀、氣泵、單片機、聲光報警器、WIFI遠程控制模塊、紅外遙控模塊等。風(fēng)暴天氣中，該裝置可主動或被動完成防護動作，隔離風(fēng)暴與玻璃窗的直接接觸，保護玻璃窗。該裝置具有防護可靠、結(jié)構(gòu)簡單、性價比高等優(yōu)點，同時可直接嵌入到智能家居系統(tǒng)中，構(gòu)成智能家居的重要一環(huán)，具有廣闊的運用前景。

關(guān)鍵詞：玻璃窗 防風(fēng) 氣囊

在全球變暖和海平面上升的背景之下，沿海地區(qū)臺風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險已經(jīng)成為國際社會和學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的熱點問題和科學(xué)前沿[1]。我國沿海地區(qū)是世界上臺風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害影響最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，風(fēng)暴天氣對我國沿海地區(qū)的生活、生產(chǎn)帶來重大危害。風(fēng)暴天氣中，高層建筑的玻璃幕墻和居民小區(qū)的窗戶玻璃的安全問題異常嚴(yán)峻。在風(fēng)載的作用下，幕墻和窗戶玻璃因氣流風(fēng)壓、玻璃振動、外界異物撞擊等原因，極易破碎。破碎的玻璃及鋁型材，形成高空墜物，對路面的人員及財產(chǎn)帶來巨大危害。同時窗戶玻璃破碎后，房屋失去玻璃的保護，屋內(nèi)外形成一定的氣壓差，進一步導(dǎo)致屋內(nèi)的物品在氣流的作用下吸出窗外，產(chǎn)生二次危害。目前市場上，針對風(fēng)暴天氣的玻璃窗保護裝置還是空白。玻璃窗的防護措施也相對落后。傳統(tǒng)的玻璃窗的防護裝置，主要用于防盜，不能起到防風(fēng)暴的作用。風(fēng)暴天氣下，普遍采用的粘貼米字型膠帶進行防護處理，操作麻煩，清洗困難，且防護效果也不理想。因此研究一種智能玻璃窗防風(fēng)裝置，具有重要的安全意義。隨著5G的到來，智能家居產(chǎn)品的普及已成大勢所趨，將玻璃窗的防護裝置智能化，與智能門禁、安全防盜、火災(zāi)監(jiān)控等一起，構(gòu)建成智能家居安全防護的重要一環(huán)，應(yīng)對家居的安全隱患，防患于未然。

1 智能玻璃窗防風(fēng)裝置工作原理

智能玻璃窗防風(fēng)裝置由安裝架總成、氣囊、氣泵、風(fēng)速測試儀、單片機、聲光報警器等組成。智能玻璃窗防風(fēng)裝置的整體效果圖見如圖1。

安裝架通過膨脹螺釘分別與窗戶洞口兩側(cè)墻體固定，安裝架左右兩側(cè)通過鋼絲繩索連接。是整個裝置的安裝平臺。氣囊一側(cè)固定在氣囊盒底部，一邊固定在蓋板上，平時收納于氣囊盒里。蓋板可在鋼絲繩索上左右滑動。蓋板扣在氣囊盒上并以電磁吸合鎖鎖緊。

工作時，當(dāng)風(fēng)速測試儀檢測風(fēng)速超過設(shè)定值，在單片機的控制下，聲光報警器打開。接著電磁吸合鎖松開，氣泵開始工作，氣囊盒里的氣囊因充氣而膨脹，推動蓋板沿著鋼絲繩索向左移動。當(dāng)氣囊膨脹與左側(cè)墻面接觸后，隨著氣壓的增大，到達設(shè)定閥門值時，氣泵停止工作。實踐中，窗戶玻璃破碎的主要原因是由于氣流的脈動載荷導(dǎo)致玻璃的振動及靠近圍框處的玻璃彎曲變形[2]。氣囊在安裝架及墻體的約束下，對玻璃窗施加均勻的壓力，使窗戶玻璃保持相對穩(wěn)定，減少振動。氣囊將玻璃與氣流隔開，形成一個柔性的阻尼器，有效抵消脈動載荷，消除了玻璃的振動載荷源。同時氣囊對玻璃施加的均勻的壓力，使玻璃受到的彎曲張力，均勻的分?jǐn)偟秸麄€玻璃面上，提高了玻璃的整體強度。由于氣囊膨脹，與墻體上窗戶洞口形成有效地密封，隔離了外界異物對玻璃的撞擊，也阻隔了由于暴風(fēng)中室內(nèi)外的氣壓的差導(dǎo)致的室內(nèi)物品吸出室外的危險。

暴風(fēng)等惡劣天氣解除后，單片機解除聲光報警。這是可手動打開排氣閥門，排空氣囊里的空氣，手動折疊氣囊，將氣囊重新放置于氣囊盒，蓋上蓋板，打開電磁吸合鎖，完成氣囊的撤收工作，為下次的防護準(zhǔn)備。

2 安裝架總成

安裝架總成由底座、氣囊盒、安裝板、鋼絲繩索、電磁吸合鎖、控制盒等組成。整體結(jié)構(gòu)采用高強度鋁合金材料，折彎焊接成型，結(jié)構(gòu)簡單，強度可靠，構(gòu)成了整個防護系統(tǒng)安裝的平臺。固定板與底座通過膨脹釘分別與兩側(cè)玻璃窗洞口墻體固定，中間采用鋼絲繩索連接，鋼絲繩索張力可調(diào)。氣囊盒與底座采用螺接，方便檢修;其孔口采用翻邊設(shè)計，與蓋板上的密封條壓緊形成密封，用于保護氣囊。蓋板上下設(shè)有導(dǎo)向孔，保證蓋板可自由在鋼絲繩索滑動;同時上下設(shè)有鎖舌，與底座上的兩個電磁吸合鎖配合，用于蓋板的可控鎖緊。控制盒用于氣泵、單片機、傳感器等的安裝與保護，安裝位置根據(jù)需要可安裝在氣囊盒上或墻體上。

3 氣囊

氣囊放置于安裝架總成的氣囊盒里。工作時展開，由于邊界約束原因，其工作時展開成形效果如圖2所示。

氣囊由內(nèi)膽與外罩構(gòu)成和充/放氣門等組成。內(nèi)膽采用特種尼龍布600D材料，其結(jié)構(gòu)為外環(huán)形氣囊+多個獨立氣囊復(fù)合結(jié)構(gòu)。外環(huán)形氣囊的設(shè)計保證在充氣時氣囊展開流暢，快速定位。而獨立氣囊設(shè)計保證單個氣囊破損后，不影響整體安全性能。

氣囊外罩采用多層復(fù)合尼龍網(wǎng)布復(fù)合結(jié)構(gòu)，防刮、防水、防菌。氣囊外罩上下設(shè)計有多余的縫縫，其上設(shè)有銅質(zhì)氣眼，貫穿于上下鋼絲繩索，起到導(dǎo)向和固定的作用。氣囊左右兩側(cè)分別于氣囊盒底部固定及蓋板固定。

4 電氣系統(tǒng)設(shè)計

玻璃窗防風(fēng)裝置的電氣系統(tǒng)由單片機、風(fēng)速測試儀、電磁吸合鎖、氣泵、DC驅(qū)動模塊、紅外遙控裝置、WIFI遠程控制模塊、聲光報警器、氣壓傳感器等組成，其原理圖如圖3所示。

根據(jù)實際工況需要，智能防風(fēng)裝置的控制模式由主動模式和干預(yù)模式兩種模式構(gòu)成。

4.1 主動模式

主動模式下，風(fēng)速測試儀實時監(jiān)測風(fēng)速的電壓信號，并傳輸給單片機。當(dāng)電壓信號超過預(yù)定電壓閾門值時，單片機先向電磁吸合鎖發(fā)出開啟指令，電磁吸合鎖打開，蓋板上的鎖舌限位消失，蓋板與氣囊盒之間的約束解除。同時打開蜂鳴器和報警指示燈，進行聲光報警。接著單片機再向氣泵發(fā)出指令，氣泵開始工作，向氣囊充氣。氣囊的氣壓傳感器實時檢測氣壓信號反饋給單片機，當(dāng)氣囊的氣壓值超過設(shè)定閾值時，單片機發(fā)出指令，氣泵停止工作。為防止氣囊因漏氣導(dǎo)致氣壓不足，或風(fēng)載條件下，內(nèi)囊內(nèi)部氣壓過大，導(dǎo)致氣囊壞等情況。單片機采用PID反饋控制，將氣囊內(nèi)實際工作氣壓與閥門值進行比較，精確控制電機，控制氣囊氣壓大小。

4.2 干預(yù)模式

為了滿足對暴風(fēng)、臺風(fēng)等惡劣天氣的提前干預(yù)以及日常的檢修的需求，智能玻璃窗防風(fēng)裝置同時設(shè)有干預(yù)模式。包括紅外遙控模式和WIFI遠程控制模式。

紅外模式下，根據(jù)天氣情況，利用紅外遙控器可以提前開啟玻璃窗防風(fēng)裝置。這時打開電磁吸合鎖，啟動充氣泵，當(dāng)氣壓達到設(shè)置值，氣泵停止工作。紅外模式下，可以設(shè)定專用的紅外編碼，與空調(diào)、電視機等家電一起，可利用智能紅外遙控器進行遙控。

WiFi遠程控制模式下，通過WiFi遠程控制模塊，實現(xiàn)智能防風(fēng)裝置的物聯(lián)網(wǎng)模式的控制。當(dāng)住戶遠離房間，根據(jù)天氣情況，可利用手機APP控制終端，通過手機WIFI或4G信號發(fā)送給云服務(wù)器。云服務(wù)器將信號發(fā)送至WIFI模塊，WIFI模塊將信號通過聯(lián)網(wǎng)傳給單片機，從而實現(xiàn)任意地點，實時干預(yù)控制。或者根據(jù)云服務(wù)器中的天氣情況，提前開啟[3]。

因此紅外遙控模式和WIFI遠程控制模式均可實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制，可方便的快速嵌入到到智能家居安防系統(tǒng)中，構(gòu)建智能家居的安防屏障。

5 結(jié)語

針對玻璃窗安全的防風(fēng)要求，提出了一種智能玻璃窗防風(fēng)裝置的設(shè)計方案。包括安裝架總成、氣囊總成、電氣系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容。采用氣囊實現(xiàn)柔性保護和密封，有效消除了臺風(fēng)等強對流天氣的脈動風(fēng)載，分散了風(fēng)壓下玻璃受到的張力，同時保持了玻璃的固定，隔離外界異物對玻璃的碰撞，解決了多種原因，導(dǎo)致玻璃的破碎。氣囊和鈑金件的安裝架總成，結(jié)構(gòu)簡單，展收方便，且安裝尺寸靈活。電氣系統(tǒng)搭載的傳感器可采集風(fēng)速、氣壓等環(huán)境信號，實現(xiàn)聲光報警和多模式控制。自動模式實現(xiàn)智能玻璃窗防護裝置的被動開啟;紅外遙控模式和WIFI遠程控制模式可以實現(xiàn)智能玻璃窗防護裝置的物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)直接干預(yù)模式控制。兩種模式控制的實現(xiàn)，滿足玻璃窗防護的多工況需要。本裝置可繼續(xù)搭載紅外安防、火焰報警等傳感器，實現(xiàn)防盜、消防預(yù)警等功能，與智能門禁、安防監(jiān)控儀器等，構(gòu)建智能家居安全系統(tǒng)，是智能家居的重要一環(huán)。智能玻璃窗防護裝置的設(shè)計研究，填補了玻璃窗防風(fēng)保護的空白，符合智能家居發(fā)展需求，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。現(xiàn)已申請發(fā)明專利，開始投放市場。

基金項目：安徽高校自然科學(xué)研究重點項目：便攜式全地形自主行走中藥株間割草機械的研究（KJ2019A0629）。

參考文獻：

[1]侯曉梅，郇長坤.我國沿海地區(qū)臺風(fēng)災(zāi)害防范分析[J].新鄉(xiāng)學(xué)院學(xué)報.2015：63-65.

[2]童麗萍，李明.風(fēng)載荷作用下玻璃幕墻結(jié)構(gòu)受力分析與計算[J].工業(yè)建筑.2000：27-30.

[3]曹杰，王春梅.淺談智能家居的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].探索與發(fā)現(xiàn).2018：281.