智能兒童防墜窗設計

西安思源學院工學院 郭 旭 賈 先 曹勇飛 喬志華 高啟睿 馬 敏

針對傳統防護窗的不足之處，設計出符合現代需求的智能防墜窗。本次設計的窗戶具有防墜落，美觀，易清洗，智能的功能。窗戶及防護窗主要由2個機械結構組成，卷拉裝置可以使防護窗收起時隱藏在卷拉裝置中，不影響視線，拉出時擋在空缺處防墜落，起到保護作用；旋轉裝置可以使窗戶以30°開啟，保證安全且可以通風換氣，窗戶易清洗。本窗戶采用多種傳感器加藍牙模塊與Arduino單片機組合，可以滿足用戶多種需求，達到全方面的智能化生活，玻璃采用電動霧化設計，可以很好地保護住戶的隱私。

1 技術背景

防護窗在人們的生活中被廣泛使用，防護窗通常獨立安裝在窗戶外側，遮擋視線，風吹雨淋，經過一段時間會有安全風險。而且現在很多窗戶并沒有防風、雨，自動開合，高低溫變化，可燃氣體泄漏檢測和PM2.5檢測等功能。

本文根據傳統防護窗的不足設計了一種新型的隱藏式防護窗，能夠根據溫濕度、雨滴、PM2.5、可燃氣體打開/關閉窗戶的智能控制系統，該系統通過Arduino單片機對傳感器電路檢測到的室內可燃氣體，室外有無下雨、溫濕度、PM2.5的信號處理，輸出脈沖控制推桿以實現自動 打開和關閉窗戶。

2 系統總體設計

智能兒童防墜隱形窗機械部分包括卷拉裝置和旋轉裝置。

電路部分包括輸出及輸入設備，輸出設備有數據處理部分、電動推桿和驅動模塊；輸入設備有溫度和濕度、可燃氣體、雨滴、PM2.5傳感器、藍牙模塊。

在電路控制系統中，輸入部分是一項重要環節。傳感器和軟件預設值是根據環境值來設置的。每個傳感器都有相應的變量，可以根據傳感器的設置將窗戶打開或關閉，也可以通過藍牙模塊來手動控制窗戶開合狀態。

設計的兒童防墜窗的結構圖如圖1所示。當傳感器檢測到室內和室外環境的變化時，該窗戶會自動打開和關閉。在開啟和關閉窗戶的同時，防護窗被拉出與收回。可自由拆卸的防護窗和窗的整體設計可以大大提高窗的密封性，確保安全，還可以防止蒼蠅和其他蟲類進入房間，讓窗戶的整個框架簡單實用，更加精美。

圖1 兒童防墜窗的構造示意圖

2.1 機械部分設計

（1）卷拉裝置設計

卷拉裝置由外筒、圓柱螺旋彈簧、彈簧桿旋轉軸、端蓋組合而成，圓柱螺旋彈簧安裝在彈簧桿上，彈簧的一端連接在彈簧桿上，另一端連接在旋轉軸上，端蓋上設有防止轉動軸在彈簧預緊力作用下轉動的鎖定組件。防護窗緊裝在轉動軸上。拉出防護窗時轉動軸轉動，使套在彈簧桿上的彈簧旋緊，收回防護窗時，彈簧力作用下，轉動軸反向轉動，帶動防護窗卷回卷筒。

（2）旋轉裝置設計

考慮到房屋建筑中門窗的設計原理，旋轉窗采用雙框架結構。在平開窗的上側設置有軸以與旋轉窗連接，下側安裝旋轉裝置與旋轉窗的連接，達到旋轉的功能。使窗戶在兼具水平打開功能的前提下，增加了旋轉功能。對于旋轉機構的設計，使用了30°的單向開關，可以將其旋轉到不同的位置上來實現不同的打開效果。 內外窗的集成，不但提高了窗戶的密封性，還減少了窗扇變形的可能性。

旋轉裝置包括旋轉軸、軸承、上旋轉體、下旋轉體、轉動管體。內框體的上，下表面均設有安裝孔，在安裝孔中安裝軸承，上、下旋轉體設置在窗框的上，下表面并貫穿側壁，旋轉軸的一端穿過旋轉管并延伸到軸承中。另一端連接在該窗戶框架的內側壁上。

2.2 電路部分設計

（1）溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用DHT11溫濕度傳感器。其具有校準數字信號輸出的功能。DHT11溫濕度傳感器包括電阻式溫濕度傳感器和連接到Arduino單片機的NTC檢測元件。在檢測信號的過程中傳感器調用OTP存儲器中以程序形式存在的校準系數。因為使用單線串行接口所以系統變得簡單，反應靈敏。因其質量好，體積小，功耗低，價格便宜，抗干擾能力強，信號傳輸距離可長達20m，連接方便，是最佳的選擇。

（2）粉塵傳感器

粉塵傳感器選用GP2Y1010AU0F粉塵濃度傳感器。它可在室外環境檢測空氣中PM2.5濃度。 含有灰塵的外部空氣通過風扇進入吸入口，并通過導向裝置進入檢測室。檢測室的視野與暗室中的平行光成90°，從而創建敏感區域。有PM2.5經過敏感區域，直角方向的散射光由狹縫發射到光電倍增管，光電倍增管接收后轉換為光電流。光電流積分電路把光電流轉換為電信號，轉換后的電信號與散射光成正比。Arduino單片機通過單片機放大電路和A / D轉換電路計算PM2.5質量濃度并輸出。

（3）雨滴傳感器

雨滴傳感器選用YL-83雨滴傳感器，它可以檢測是否下雨及雨的大小。當連接到電源且傳感器板上沒有水，指示燈熄滅，DO輸出為高電平。如果傳感器板上有水，指示燈亮，DO輸出為低電平，水滴清除，然后將返回高電平。Arduino單片機的AD端口連接AO模擬輸出，以檢測雨量。DO TTL數字輸出端口連接到Arduino單片機以檢測是否下雨。

（4）可燃氣體傳感器

可燃氣體傳感器選用MQ-5可燃氣體傳感器。傳感器中的氣體敏感材料為二氧化錫，它在清潔空氣中的電導率較低。如果空氣中存在易燃氣體，易燃氣體的濃度增加，傳感器的電導率會隨之增加。它對多種可燃氣體具有良好的敏感性，并具有使用壽命長，價格低和電路簡單等優點。

3 系統軟件設計

程序設計語言為C語言。其具有結構簡單，易于維護和可移植性等優點，并且可以滿足開發需求。

3.1 傳感器狀態值的確定

（1）溫濕度傳感

使用溫濕度傳感器測量室外溫濕度,變量c代表溫度的狀態，當室外溫度＜10℃或＞28℃, 變量c為0。當溫度在10℃～28℃之間時，變量c為1，在溫度不適宜時自動關窗。室外濕度冬季一般為30%-80%，夏季為30%-60%，變量a代表濕度的狀態，當室外濕度＜80%時，自動開窗，變量a為0；當室外濕度在80%-100%時，自動關窗，變量a為1。

（2）粉塵傳感

使用粉塵傳感器測量室外PM2.5，當室外PM2.5小于75，變量b為0。當PM2.5大于75，變量b為1，從而達到能在室外空氣質量不好的情況下自動關窗。

（3）可燃氣體傳感

使用可燃氣體傳感器測量室內可燃氣體值，當室內可燃氣體濃度小于5%，變量d為1，當可燃氣體濃度大于5%，變量d為0。

（4）雨滴傳感使用雨滴傳感器測量室外有沒有下雨，室外下雨，變量e為1。室外無雨，變量e為0。

3.2 控制算法

濕度、PM2.5、溫度、可燃氣體、雨滴的優先級為:可燃氣體(d)＞PM2.5(b)＞雨滴(e)＞溫度(c)＞濕度(a),將這5個變量組成1個新的變量NUM:NUM=，用戶可以根據當前狀態值，自行調整窗戶的狀態。程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖