但海均，徐東耀

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化 學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

1 引言

近年來(lái)，雖然可以感受到北京市的空氣質(zhì)量有所提高。但筆者居住在學(xué)生公寓，盡管宿舍安裝有紗窗，陽(yáng)臺(tái)以及室內(nèi)仍然積下了大量灰塵。停放一晚的自行車，次日早上也能看到灰塵積下，城市街道灰塵隨處可見(jiàn)［1］。整個(gè)城市中總有人因疏忽忘記關(guān)窗而導(dǎo)致室內(nèi)遭受污染，有時(shí)刮大風(fēng)，也總會(huì)有人忘記關(guān)窗而導(dǎo)致室內(nèi)被吹亂。針對(duì)人們易忘記關(guān)窗這一現(xiàn)象，謝作敏等［2］對(duì)普通推拉窗結(jié)構(gòu)深入研究后研制了“智能窗”模型。苗現(xiàn)華［3］在窗戶上也作了智能化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉。徐鵬程等［4］針對(duì)傳統(tǒng)窗戶和紗窗缺陷，設(shè)計(jì)了一體紗窗。賀道坤等［5］研究了能用于環(huán)境檢測(cè)的智能窗戶裝置。盧鋒等［6］也系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作了智能型窗戶系統(tǒng)。國(guó)外M.Sabry等人［7］研究了智能窗的熱模擬并作出相應(yīng)評(píng)估。Claes G.Granqvist在氧化物薄膜層面更深入研究了電致變色顯示智能窗戶［8］。通過(guò)研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以上的“智能窗”均是單獨(dú)監(jiān)測(cè)，各模塊組合發(fā)揮作用。而如今，基于云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)等的迅速發(fā)展，全國(guó)又有環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)布，尤其是空氣質(zhì)量，再結(jié)合住家的窗戶，將其連理，借鑒前有的“智能窗”模型，最大化地保證“智能窗”給家庭帶來(lái)有效的呵護(hù)，逐步助力城市發(fā)展，流程見(jiàn)圖1。

圖1 以智能芯為中樞的反饋

2 機(jī)構(gòu)組織間合作

國(guó)家環(huán)境保護(hù)部已在全國(guó)設(shè)立了多個(gè)監(jiān)測(cè)站。到2015年底，所有地級(jí)以上城市都將建成適應(yīng)新空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施需要、能夠監(jiān)測(cè)PM2.5等指標(biāo)的先進(jìn)城市監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，大概有1 500個(gè)城市監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。各省市已經(jīng)有氣象局，在全國(guó)基本形成完整的氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。遼寧省結(jié)合其已有環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀，綜合利用通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)等相關(guān)先進(jìn)技術(shù)手段，開(kāi)啟新的現(xiàn)代化環(huán)保之路［9］。因此，本文意在選擇跟民眾生活息息相關(guān)的環(huán)境氣象數(shù)據(jù)作為信息源。

此外，在全國(guó)絕大多數(shù)縣市都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電視播放。數(shù)字接收機(jī)則是應(yīng)用智能芯的重點(diǎn)。在每個(gè)家庭，核心智能芯將承擔(dān)越來(lái)越重要的作用，成為指揮控制中樞。既然這個(gè)智能芯能接收衛(wèi)星電視廣播系統(tǒng)、地面廣播系統(tǒng)、有線電視系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)，那么通過(guò)對(duì)智能芯進(jìn)行改進(jìn)，置入能接受環(huán)境氣象數(shù)據(jù)的單元，就可以保證新的智能芯起到受的作用。所以，需要環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)、氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)和廣播電視總局等各方的通力合作。另外，智能芯除有受的作用外，還必須有反饋的作用——根據(jù)環(huán)境氣象信號(hào)對(duì)窗戶進(jìn)行智能控制開(kāi)合。下面，就對(duì)窗戶如何接受來(lái)自智能芯的調(diào)控加以闡述。

3 窗戶受控原理

3.1 接入共享數(shù)據(jù)

當(dāng)出現(xiàn)氣象預(yù)警以及環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)警時(shí)，每個(gè)智能芯接受的信號(hào)則屬共享數(shù)據(jù)。然后，在窗戶設(shè)置能接收來(lái)自智能芯發(fā)射信號(hào)的反饋操作（類似紅外感應(yīng)控制門的開(kāi)合般控制）活動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)空氣質(zhì)量較差或更為嚴(yán)重時(shí)，尤其是中度顆粒物污染出現(xiàn)的情況，智能芯將發(fā)揮出該有的作用——關(guān)上住家的窗戶，保證室內(nèi)空氣少受污染；而當(dāng)空氣質(zhì)量較好時(shí)，可打開(kāi)住家的窗戶，給室內(nèi)換氣。當(dāng)接收到風(fēng)力等級(jí)較大信號(hào)時(shí)，窗戶也能自動(dòng)關(guān)上。

3.2 接入個(gè)性化數(shù)據(jù)

要實(shí)現(xiàn)窗戶的個(gè)性化獨(dú)立受控，必須對(duì)窗戶做輔助單元設(shè)計(jì)。而這受控的關(guān)鍵，是在受控系統(tǒng)中電路部分加入溫度傳感器、光敏傳感器（可見(jiàn)度傳感器）、風(fēng)速（壓）傳感器、濕度傳感器、單片機(jī)、限位開(kāi)關(guān)、按鍵模塊等。通過(guò)檢測(cè)室外溫度、光強(qiáng)、風(fēng)速及濕度信號(hào)，然后傳入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，再輸出脈沖調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)窗戶的自動(dòng)開(kāi)合。

其中，按鍵模塊是區(qū)分智能芯控制和人工控制的環(huán)節(jié)，即斷電時(shí)為人工控制，而通電時(shí)又分接入共享數(shù)據(jù)和個(gè)性化數(shù)據(jù)兩個(gè)區(qū)。

延伸：跟窗戶幾乎一體的窗簾，也聯(lián)入受控系統(tǒng)：①在清晨，則會(huì)自動(dòng)打開(kāi)窗簾，讓自然光照射進(jìn)室內(nèi)，人們能在自身生物鐘與外界光線作用下，達(dá)到“自然醒”的效果，尤其是夏天更為明顯；②當(dāng)陽(yáng)光照射到窗臺(tái)附近或者溫度在28～30℃感應(yīng)區(qū)（或預(yù)設(shè)值）時(shí)，窗簾會(huì)自動(dòng)拉上；③在傍晚，由于溫度及光線減弱，則會(huì)自動(dòng)打開(kāi)窗簾；④而到了晚上，天完全黑時(shí)，窗簾則會(huì)自動(dòng)合上。

3.3 窗戶開(kāi)合設(shè)計(jì)

如圖2所示，當(dāng)反饋操作活動(dòng)感應(yīng)器②接收到來(lái)自智能芯的命令后，窗體③就能向左向右開(kāi)合。其中，本設(shè)計(jì)將窗體考慮為可嵌入墻體式，使外觀大大改善，更加美觀。而進(jìn)入墻體的窗框里層設(shè)有剛剛貼合窗玻璃兩面的毛刷，可隨時(shí)清潔窗玻璃，保證潔凈新亮。

圖2 智能窗開(kāi)合示意

4 結(jié)論及展望

在基于環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)下構(gòu)想的智能窗，承載了對(duì)智慧城市這一先進(jìn)理念的運(yùn)用。在建設(shè)生態(tài)文明的布局下，必將有更加智慧智能的能夠體現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展的設(shè)備出現(xiàn)。充分利用環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)等可用于公共服務(wù)的數(shù)據(jù)，再配以智能芯，通過(guò)核芯去控制窗戶（當(dāng)然，未來(lái)可控制的不只是窗戶，還有其他智能家居），達(dá)到室內(nèi)空氣清新流通合理等實(shí)際效果。一定程度上解決了外部環(huán)境帶給人們?nèi)粘Ｉ畹闹T多煩惱。

［1］李章平.重慶市主城區(qū)街道灰塵的污染與風(fēng)險(xiǎn)特征研究［D］.重慶：西南大學(xué)，2012.

［2］謝作敏，駱青苗，朱晨亮，等.智能窗的設(shè)計(jì)與研究［J］.科技資訊，2010（29）：1.

［3］苗現(xiàn)華.智能化窗戶的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2013（6）：19～20.

［4］許鵬程，陳 健，張文峰，等.智能一體紗窗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2013（9）：42～45.

［5］賀道坤，段向軍.用于環(huán)境檢測(cè)的智能窗戶裝置研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2014（10）：66～67.

［6］盧 鋒，馬 佳.智能窗戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015（1）：63～67.

［7］M.Sabry，P.C.Eames，H.Singh，et al.Smart windows：Thermal modelling and evaluation［J］.Solar Energy，2014（103）.

［8］Claes G.Granqvist.Electrochromics for smart windows：Oxidebased thin films and devices［J］.Thin Solid Films，2014（11）.

［9］黃 野.環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2013.