一种智能防坠楼窗户设计＊

刘 凡，骆 佼，吕民涛，常 虎，赵雨瑄

（上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620）

近年来，城市幼儿高空意外坠楼事件发生的次数较多，根据相关数据，在中国，城市儿童因发生意外受伤而致死的三大因素之一就是意外坠落，但意外坠落并非是致死性伤害的第一因素。缺乏监护人的看管是造成坠落的重要因素之一，但是对环境安全因素并不能忽略，如高层用户中使用得比较多的是高飘窗、平推门和落地窗，家中未安装防护栏的窗户和阳台等都有可能是导致幼儿坠落的因素。此外，家用燃气的泄漏等情况造成的有害气体不能及时察觉并排出室外，意外发生火灾时传统防护栏带来的无法让外部人员利用窗户解救等情况，都会造成人身危险。

但目前市面上的存在的“智能窗户”智能化程度不够高，只是实现了由用户远程操作窗户的开关状态，而没有根据气温、降雨等环境的变化实现自动操作开关的功能。针对该类情况，设计了一款可以远程操作的智能防坠楼窗户，该窗户由窗体、电动推杆、电控中心等动力装置组成以实现防坠落，烟雾传感器、压力传感器、温湿度传感器及雨滴传感器等可实现环境控制窗户，并且也可通过APP 控制窗户开关及信息反馈。智能窗户不仅具有传统窗户的静音、抗风压、气密性功能，还增加了很多生活细节，有助于提高生活品质。

1 系统介绍

1.1 系统组成

本产品基于现有的窗体基础进行改进和设计，主要以对窗体进行加装相关装置形式改进。以NodeMCU-32S 开发板为中心，以电机、电动推杆、各类传感器、警报器等元件为执行系统，以外接220 V电源和继电器作为动力来源。窗户外部示意图如图1所示。

图1 窗体外部示意图

1.2 防坠楼系统

在设计此部分时，考虑到即时反应类型的防护中传感器和执行机构可能会产生一定的延迟，因此采用主动防护的方法，即随着窗户打开，装置便触发启动，不再需要其他更多准确检测参数的传感器感应后才作出反应。由于齿轮齿条传动机械效率高，且较为准确可靠，因此选用齿轮齿条传动机构。电控中心通过电机转动带动一扇窗户在滑移槽内左右滑动开闭，无论是远程控制打开窗户还是因为烟雾检测自动打开窗户，窗户移动便触发安装在窗户滑道下的压力传感器，传感器通过控制器给到电动推杆启动防坠楼装置。此外，在通电状态自动模式下，由于电机的自锁功能，这时无法手动使窗户移动。窗体传动示意图如图2所示。

图2 窗体传动结构示意图

防坠楼外装置如图3 所示，L 形支架固定在窗户的两侧，由若干零件焊接或螺栓连接而成，形成L 形组件，旋转杆以铰接的形式连接在电动推杆伸缩端的支架上，旋转杆上安装防护网，同时电动推杆以铰接的形式安装在L 形组件上，当收到窗户打开的信号时，电动推杆伸长，推动旋转杆围绕旋转轴旋转，直至推杆达到最大行程，此时旋转杆保持水平，依靠大推力推杆的自锁力提供向上的推力，旋转杆上安装的安全网呈水平状态。当窗户关闭时，电动推杆收缩至原始行程，旋转杆回落至与外墙面平行的状态。当发生火灾时，因为此装置安装在主窗体下侧，不会阻挡到人员从窗户被解救或逃生，不会影响人身安全。

图3 防坠楼结构示意图

1.3 电控系统

电控系统由电控中心、执行机构和各种感应部件组成。考虑到多种天气和紧急情况发生时窗体的开合实现，选用了以NodeMCU-32S 开发板为核心，搭载烟雾传感器、压力传感器、温湿度传感器、雨滴传感器、警报器等器件。在本设计中的电控部分利用Arduino IDE 进行编程，基于MQTT 物联网平台实现用手机APP 控制窗户，传输数据[1]。当系统上电后，Arduino 开发板对设定的引脚和串口等硬件初始化，完成引脚的模式及串口的波特率设置[2]。其次，各个传感器模块在开机通电后也开始硬件初始化，以达到一种稳定运行的状态。

电控中心处理各个传感器所收集到的环境数据，并对各执行机构下达相应的控制指令。烟雾传感器、温度传感器等安装在门窗内侧用以检测室内空气状况，当烟雾传感器侦测到有异常情况时，将门窗自行打开；当室外的雨滴传感器感受到水滴时，窗户自动关闭。此外，为了安全起见，在窗户的内侧还设有压力传感器大板，当儿童去攀爬窗边的时候，手放置于窗边，超过压力传感器设置的检测值，便会发出警报提醒看护人。考虑到人的主观想法，增设了手动控制功能，用户既可以通过机器上的按钮切换手自动模式、解除警报，也可以通过手机APP 端选择手动模式。电控系统触发的优先级顺序是：烟雾传感器＞防坠楼装置＞压力和警报传感器＞雨滴传感器。

1.4 远程系统

现在人人都使用智能手机，在现有的一些智能家居产品中，基本都实现了与手机的互联功能。在实践中，手机与接收命令的单片机控制端可以采用不同的方式进行通信，例如Wi-Fi、蓝牙或红外等[3]。此智能窗户的物联网技术实现用的是方便、灵活、实用性较强的Wi-Fi 技术，能通过手机端使用应用程序APP 来远程监测与控制。在此基础上，计出了一款远程控制APP，如图4 所示，用户可以通过APP，查看智能窗户传输的家中信息，并远程控制窗户的开关，APP 界面可以显示温湿度、天气以及窗户开合情况等，同时在触发窗户警报时能够有信息提示功能。

图4 智能窗户手机APP 界面

2 模块选择

2.1 电机模块

结合传动机构和日常生活中普通窗户的基本需求，所用电机应保证运行平稳，相对静音，并且要能迅速响应。此外，考虑到工作环境为室内，电机体积、功率、电压应小。步进电机易于开环控制，但是开环控制具有控制精度差，而且步进电机的系统误差无法克服，必须通过闭环来解决[4]。针对上述需求，本设计选用57 混合闭环伺服电机+闭环驱动器HBS57，通过对脉冲的控制，不需要通过齿轮箱的过渡，可直接获得较高的转矩，从而避免了功率的损耗和运动精度的影响，工作平稳，具有较高的精度。

电动推杆选择24 V、最大推力100 kg、空载速度12 mm/s 的直流电动推杆，满足承受安全防护网和铝型材旋转杆及1 个儿童的重量，使用U 形支架固定。

2.2 电控模块

ESP32 芯片将天线开关、RF balun、功率放大器、低噪声放大器、滤波器、电源管理模块等功能集于一体，只需极少外围器件即可实现强大的处理性能、可靠的安全性能和Wi-Fi、蓝牙功能[5]。为实现APP 与用户之间的通信功能，电控中控制板使用NodeMCU-32S模组，NodeMCU-32S 模组是由安信可科技开发的，此款模组的核心是ESP32 芯片，NodeMCU-32S 模组则融合了常规蓝牙、低功率蓝牙以及Wi-Fi，并具备了可扩充、自适应的特性。

烟雾传感器一般是对房间烟雾含量指标有无超标进行监测，以便于防止出现意外火灾。烟雾传感器主要包括光电式、离子式和气敏式，在这3 种传感器中，气敏式传感器对于气体敏感度更高，能够实现烟雾的均衡响应[6]。发生火灾事故的过程中，不少时候都因为厨房煤气泄漏，所以本装置采用MQ-2 气敏式烟雾传感器。

为了做到实时监测室内的温度和湿度，选择了DHT11 温湿度感应元件，将温湿度信号及时传送到单片机上。DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性[7]。其余部分，降雨量数据收集模块选用雨滴感应器YL35，而气压感应器则选用FSR 电阻型的柔性薄膜气压感应器。

3 结论

随着人工智能技术的发展，智能家居的出现为人们带来了极大的便利和舒适，“十四五”规划中首次将“智慧家居”列入其中[8]。门窗品类作为“智慧家居”的典型产品代表，意味着其智能化已是必然。

本项目设计的智能防坠楼窗户，相对传统普通窗户，在预防高层坠楼事故、提升生活舒适度和安全保障等方面都有着重要作用。其创新点在于智能化和自动化，通过各种传感器检测各类信号再经过控制中心处理输出作出反应，实现了防坠楼、检测房屋内空气异常情况避免意外发生、自动检测天气开关窗、温度监测开关窗等功能，解决了人们日常生活中由于外界情况的变化带来的烦恼。