一种安全型多功能智能窗通风监控装置设计

周利杰 孙天佑 丁 力

（常州机电职业技术学，江苏 常州 213164）

0 引言

随着社会的发展，人们对生活的舒适度的要求不断提高。 现在建筑的封闭性，加上人们夏天使用空调冬天使用暖气的习惯，导致空间密闭，室内空气中含氧量却不断下降， 呼吸产生的二氧化碳含量上升，房间内挥发出来如甲醛等各种有机物质加上人类自身活动引起的灰尘和烟气积累增加，加重了对室内的空气质量的影响。长时间在这种空气下生活很容易导致感冒发烧、咽炎和头晕头痛，严重影响了人们的身体健康。

开窗通风换气是最为简单和可行的办法，但是无论是人们认知上的缺失，还是固有的生活习惯难以改变，以及不断加快的工作和生活节奏往往都使得我们很难有时间去考虑室内空气质量问题。 此外，我们也应该认识到，对于当前的高层建筑开窗通风也存在一定的安全风险，如开窗通风时有儿童攀爬窗户或者下雨天开窗通风房间内部进水产生的装修受损破坏及问题。 为此，我们需要一种安全型多功能智能窗通风监控装置。

1 总体设计

整个装置可实现两部分功能，即室内空气质量监测及开窗通风和开窗时的安全防范。第一个功能的实现通过在室内安装二氧化碳、甲醛及烟雾等气体含量探测器和在窗外安装风速探测器，当相关气体含量超标时可自动开启窗户进行通风换气，同时根据实时监测的窗外风速情况来智能调节窗户达到理想的开度。第二个功能的实现通过在窗体的顶端安装非接触的身高探测器和窗户外侧安装雨滴探测器，当有身高较低儿童靠近或攀爬窗户或者窗外降雨时可立刻关闭窗户并报警提示。 具体的工作原理如图1 所示。

图1 装置系统工作原理图

本设计的核心部分是一个智能化开关窗主控制器并配有相应的传动机构，通过无线蓝牙信号与配套的硬件传感模块通信，能可靠监测室内空气质量、在开窗自然通风状况能可靠探测儿童的靠近情况，主控制器上运行的智能化识别和判定程序，可根据收集到的各种数据综合分析并判断是否需要开关窗操作。

主控制器以单片机为核心， 配有红外探测模块、无线蓝牙通信模块继电器控制模块以及声光报警模块（见图2）。 继电器控制模块可以控制电路上的继电器进行可靠的接通和断开以控制与窗体直接相连的开窗器传动机构实现窗户的开、关和停的操作。 正常工作时，主控制器通过无线蓝牙采集各种探测器的数据进行分析和处理，当相关气体含量超标时可自动开启窗户进行通风换气同时根据实时监测的窗外风速情况来智能调节窗户达到理想的开度，当有身高较低儿童靠近或攀爬窗户或者窗外降雨时可立刻关闭窗户并报警提示。

图2 主控制器系统工作框图

系统中的探测器有多种，每种探测器均采用单片机核心，配有无线蓝牙模块、LED 显示模块、一种智能窗专用的检测模块即本系统中涉及的用于检测室内空气质量、室外天气状况等检测模块。 由于每个探测器都配有无线蓝牙模块，所以安装位置比较自由方便且能够与主控制器进行可靠通信。智能窗用各个探测器的系统功能框图如图3 所示。

图3 各个智能窗用探测器系统框图

各个智能窗配套相关的传感探测器块为了能够更准确地进行相关参数的探测，被考虑分散放置在室内外的特定的位置上，其上的时钟日历芯片可用来记录故障发生的时间，按键输入和显示输出模块可用于测量参数报警值的设定等操作。当参数超过限值或模块发生故障时其上的声光器件会报警提示。各个智能传感模块均通过无线蓝牙与主控制器进行数据交换。

2 装置硬件选型

2.1 对于装置硬件的甲醛检测传感元件器的选型

甲醛检测模块可对室内不断积累的甲醛进行探测，同时进行电化学原理分析，是一种小型化的适合在绝大多数环境下使用的模块。模块的内部有温度传感器可随时进行基于温度的修正， 由于该模块配备了各种输出接口，所以很方便与单片机接口进行数据交换，该甲醛模块具有较低的低功耗和较高灵敏度以及较高的分辨率，具有使用方便和稳定性好的优点。 该模块主要应用在空气质量监测与净化以及新风换气等系统，所以对于本设计非常的适用，具体接口电路如图4 所示。

图4 甲醛检测接口电路图

2.2 对于装置硬件身高探测传感模块的选型

身高探测模块采用的是一体化超声波测距模块，该模块是一种超声波距离探测传感模块。该模块具有一体电容式静电换能器探头，灵敏度高。传感模块带有温度补偿电路，可在10cm～300cm 范围内能够准确探测出传感器与人体头顶平的距离，用窗体顶部传感器安装高度减去这个距离就是窗前人体的身高，根据检测身高值即可判断是否是儿童靠近窗体。 该模块可支持UART 和PWM 等多输出接口与非常方便与单片机连接。 传感器模块广泛应用与非接触式身高测量和人工智能等领域。

3 硬件电路实现

从整体硬件所实现功能上看该装置可以分为两块，一块是开关窗主控制器另一块是智能窗配套相关的各种传感探测器，系统原理图如图5 所示。

图5 一种安全型多功能智能窗通风监控装置硬件结构图

4 装置软件工作流程设计

从前述的装置硬件结构图的特点来看，软件系统的工作流程图主要包括装置的主控制器和传感探测器这两个部分的程序功能流程图设计，其中各种传感探测器虽然测量的参数不同但可统一使用一种软件程序流程，如图6 和图7 所示。

图6 开关窗主控制器主程序工作流程图

开关窗主控制器主程序可以控制实现如下的主要功能，正常无空气异常时不做任何操作，当检测到有室内空气参数超标时则开窗换气，如果通过一段时间的开窗换气室内空气参数恢复正常时则关闭窗户，但是当此时有儿童在窗下或者室外正在下雨时则进行报警，交由人工进行判定处理。 无论何种情况下开窗和关窗都进行声光提示以防止对人的意外擦伤。

各种传感探测器主程序流程可实现的功能如下，正常时按时采集需要监测的参数值通过无线蓝牙通信将参数值上传至主控制器，当发现采集的参数异常时则进行光报警提示，以便我们能够尽快了解哪一种参数超标，当后面采集到参数正常时则关闭光报警提示。

图7 传感探测器主程序工作流程图

装置长期运行时,仍需考虑装置系统的可靠性和相关的抗干扰设计，软件和硬件的设计均需要进行专门的设计,以确保装置能够长时间地稳定运行。

5 结语

本设计研究阐述的一种安全型多功能智能窗通风监控装置，通过主控制器和各个传感探测器的协同工作，确保在室内空气质量超标的情况下开窗换气并且在此基础上能够充分考虑通风相关的安全隐患。本系统采用无线连接方式为后期增加监测点和监测范围提供了方便。