一種智能防墜樓窗戶設計＊

劉 凡，駱 佼，呂民濤，常 虎，趙雨瑄

（上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620）

近年來，城市幼兒高空意外墜樓事件發生的次數較多，根據相關數據，在中國，城市兒童因發生意外受傷而致死的三大因素之一就是意外墜落，但意外墜落并非是致死性傷害的第一因素。缺乏監護人的看管是造成墜落的重要因素之一，但是對環境安全因素并不能忽略，如高層用戶中使用得比較多的是高飄窗、平推門和落地窗，家中未安裝防護欄的窗戶和陽臺等都有可能是導致幼兒墜落的因素。此外，家用燃氣的泄漏等情況造成的有害氣體不能及時察覺并排出室外，意外發生火災時傳統防護欄帶來的無法讓外部人員利用窗戶解救等情況，都會造成人身危險。

但目前市面上的存在的“智能窗戶”智能化程度不夠高，只是實現了由用戶遠程操作窗戶的開關狀態，而沒有根據氣溫、降雨等環境的變化實現自動操作開關的功能。針對該類情況，設計了一款可以遠程操作的智能防墜樓窗戶，該窗戶由窗體、電動推桿、電控中心等動力裝置組成以實現防墜落，煙霧傳感器、壓力傳感器、溫濕度傳感器及雨滴傳感器等可實現環境控制窗戶，并且也可通過APP 控制窗戶開關及信息反饋。智能窗戶不僅具有傳統窗戶的靜音、抗風壓、氣密性功能，還增加了很多生活細節，有助于提高生活品質。

1 系統介紹

1.1 系統組成

本產品基于現有的窗體基礎進行改進和設計，主要以對窗體進行加裝相關裝置形式改進。以NodeMCU-32S 開發板為中心，以電機、電動推桿、各類傳感器、警報器等元件為執行系統，以外接220 V電源和繼電器作為動力來源。窗戶外部示意圖如圖1所示。

圖1 窗體外部示意圖

1.2 防墜樓系統

在設計此部分時，考慮到即時反應類型的防護中傳感器和執行機構可能會產生一定的延遲，因此采用主動防護的方法，即隨著窗戶打開，裝置便觸發啟動，不再需要其他更多準確檢測參數的傳感器感應后才作出反應。由于齒輪齒條傳動機械效率高，且較為準確可靠，因此選用齒輪齒條傳動機構。電控中心通過電機轉動帶動一扇窗戶在滑移槽內左右滑動開閉，無論是遠程控制打開窗戶還是因為煙霧檢測自動打開窗戶，窗戶移動便觸發安裝在窗戶滑道下的壓力傳感器，傳感器通過控制器給到電動推桿啟動防墜樓裝置。此外，在通電狀態自動模式下，由于電機的自鎖功能，這時無法手動使窗戶移動。窗體傳動示意圖如圖2所示。

圖2 窗體傳動結構示意圖

防墜樓外裝置如圖3 所示，L 形支架固定在窗戶的兩側，由若干零件焊接或螺栓連接而成，形成L 形組件，旋轉桿以鉸接的形式連接在電動推桿伸縮端的支架上，旋轉桿上安裝防護網，同時電動推桿以鉸接的形式安裝在L 形組件上，當收到窗戶打開的信號時，電動推桿伸長，推動旋轉桿圍繞旋轉軸旋轉，直至推桿達到最大行程，此時旋轉桿保持水平，依靠大推力推桿的自鎖力提供向上的推力，旋轉桿上安裝的安全網呈水平狀態。當窗戶關閉時，電動推桿收縮至原始行程，旋轉桿回落至與外墻面平行的狀態。當發生火災時，因為此裝置安裝在主窗體下側，不會阻擋到人員從窗戶被解救或逃生，不會影響人身安全。

圖3 防墜樓結構示意圖

1.3 電控系統

電控系統由電控中心、執行機構和各種感應部件組成?？紤]到多種天氣和緊急情況發生時窗體的開合實現，選用了以NodeMCU-32S 開發板為核心，搭載煙霧傳感器、壓力傳感器、溫濕度傳感器、雨滴傳感器、警報器等器件。在本設計中的電控部分利用Arduino IDE 進行編程，基于MQTT 物聯網平臺實現用手機APP 控制窗戶，傳輸數據[1]。當系統上電后，Arduino 開發板對設定的引腳和串口等硬件初始化，完成引腳的模式及串口的波特率設置[2]。其次，各個傳感器模塊在開機通電后也開始硬件初始化，以達到一種穩定運行的狀態。

電控中心處理各個傳感器所收集到的環境數據，并對各執行機構下達相應的控制指令。煙霧傳感器、溫度傳感器等安裝在門窗內側用以檢測室內空氣狀況，當煙霧傳感器偵測到有異常情況時，將門窗自行打開；當室外的雨滴傳感器感受到水滴時，窗戶自動關閉。此外，為了安全起見，在窗戶的內側還設有壓力傳感器大板，當兒童去攀爬窗邊的時候，手放置于窗邊，超過壓力傳感器設置的檢測值，便會發出警報提醒看護人?？紤]到人的主觀想法，增設了手動控制功能，用戶既可以通過機器上的按鈕切換手自動模式、解除警報，也可以通過手機APP 端選擇手動模式。電控系統觸發的優先級順序是：煙霧傳感器＞防墜樓裝置＞壓力和警報傳感器＞雨滴傳感器。

1.4 遠程系統

現在人人都使用智能手機，在現有的一些智能家居產品中，基本都實現了與手機的互聯功能。在實踐中，手機與接收命令的單片機控制端可以采用不同的方式進行通信，例如Wi-Fi、藍牙或紅外等[3]。此智能窗戶的物聯網技術實現用的是方便、靈活、實用性較強的Wi-Fi 技術，能通過手機端使用應用程序APP 來遠程監測與控制。在此基礎上，計出了一款遠程控制APP，如圖4 所示，用戶可以通過APP，查看智能窗戶傳輸的家中信息，并遠程控制窗戶的開關，APP 界面可以顯示溫濕度、天氣以及窗戶開合情況等，同時在觸發窗戶警報時能夠有信息提示功能。

圖4 智能窗戶手機APP 界面

2 模塊選擇

2.1 電機模塊

結合傳動機構和日常生活中普通窗戶的基本需求，所用電機應保證運行平穩，相對靜音，并且要能迅速響應。此外，考慮到工作環境為室內，電機體積、功率、電壓應小。步進電機易于開環控制，但是開環控制具有控制精度差，而且步進電機的系統誤差無法克服，必須通過閉環來解決[4]。針對上述需求，本設計選用57 混合閉環伺服電機+閉環驅動器HBS57，通過對脈沖的控制，不需要通過齒輪箱的過渡，可直接獲得較高的轉矩，從而避免了功率的損耗和運動精度的影響，工作平穩，具有較高的精度。

電動推桿選擇24 V、最大推力100 kg、空載速度12 mm/s 的直流電動推桿，滿足承受安全防護網和鋁型材旋轉桿及1 個兒童的重量，使用U 形支架固定。

2.2 電控模塊

ESP32 芯片將天線開關、RF balun、功率放大器、低噪聲放大器、濾波器、電源管理模塊等功能集于一體，只需極少外圍器件即可實現強大的處理性能、可靠的安全性能和Wi-Fi、藍牙功能[5]。為實現APP 與用戶之間的通信功能，電控中控制板使用NodeMCU-32S模組，NodeMCU-32S 模組是由安信可科技開發的，此款模組的核心是ESP32 芯片，NodeMCU-32S 模組則融合了常規藍牙、低功率藍牙以及Wi-Fi，并具備了可擴充、自適應的特性。

煙霧傳感器一般是對房間煙霧含量指標有無超標進行監測，以便于防止出現意外火災。煙霧傳感器主要包括光電式、離子式和氣敏式，在這3 種傳感器中，氣敏式傳感器對于氣體敏感度更高，能夠實現煙霧的均衡響應[6]。發生火災事故的過程中，不少時候都因為廚房煤氣泄漏，所以本裝置采用MQ-2 氣敏式煙霧傳感器。

為了做到實時監測室內的溫度和濕度，選擇了DHT11 溫濕度感應元件，將溫濕度信號及時傳送到單片機上。DHT11 數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性[7]。其余部分，降雨量數據收集模塊選用雨滴感應器YL35，而氣壓感應器則選用FSR 電阻型的柔性薄膜氣壓感應器。

3 結論

隨著人工智能技術的發展，智能家居的出現為人們帶來了極大的便利和舒適，“十四五”規劃中首次將“智慧家居”列入其中[8]。門窗品類作為“智慧家居”的典型產品代表，意味著其智能化已是必然。

本項目設計的智能防墜樓窗戶，相對傳統普通窗戶，在預防高層墜樓事故、提升生活舒適度和安全保障等方面都有著重要作用。其創新點在于智能化和自動化，通過各種傳感器檢測各類信號再經過控制中心處理輸出作出反應，實現了防墜樓、檢測房屋內空氣異常情況避免意外發生、自動檢測天氣開關窗、溫度監測開關窗等功能，解決了人們日常生活中由于外界情況的變化帶來的煩惱。