于家浩，王 哲，李 迅

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154000)

2017-07-23

于家浩(1998- )，男，黑龍江大慶人，大學(xué)本科，專業(yè)：機(jī)器人學(xué)。

田思慶(1965- )，男，碩士生導(dǎo)師，教授，研究方向：計(jì)算機(jī)控制與應(yīng)用。

1674- 4578(2017)05- 0017- 03

窗框式無葉風(fēng)扇設(shè)計(jì)原理

于家浩，王 哲，李 迅

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154000)

隨著生活的不斷智能化，生活中的小物件也被賦予了更為便捷的功能，比如風(fēng)扇。同作為“夏日神器”，相對(duì)空調(diào)而言，風(fēng)扇具有廉價(jià)、低功耗、易安裝等優(yōu)勢(shì)。智能化的一種可以選擇模式并且實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境和生命體征，并根據(jù)生命體征數(shù)據(jù)反過來控制風(fēng)速模式的風(fēng)扇，在解決風(fēng)速風(fēng)向貼近自然和睡眠時(shí)忘記關(guān)閉風(fēng)扇造成的安全事故問題上，變形后應(yīng)用在用戶家中的活動(dòng)窗窗框上，對(duì)于室內(nèi)流動(dòng)風(fēng)的控制取得了很好的成效。

無葉風(fēng)扇；環(huán)境監(jiān)控；舒適度；窗框

“過堂風(fēng)”一直都是人們又愛又恨的自然現(xiàn)象，一般是在房屋相對(duì)面開著的兩扇窗，由于兩側(cè)溫差和氣流等原因產(chǎn)生的空氣對(duì)流現(xiàn)象造成的室內(nèi)不可控自然風(fēng)。隨著工程力學(xué)技術(shù)和技術(shù)流體力學(xué)的飛速進(jìn)步，智能溫控設(shè)備也越來越舒適而安全，風(fēng)扇幾乎可以完全做到將室內(nèi)模擬出野外一樣的空氣流動(dòng)，使人們無論是辦公還是生活都如同生活在大自然中一樣，而這是通過實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境特征和生物特征，相應(yīng)的參考人體體驗(yàn)條件做出響應(yīng)的風(fēng)力變化，從而達(dá)到最舒適的效果。

1 風(fēng)扇的生命監(jiān)控原理

空氣流動(dòng)造成的風(fēng)雖然輕柔，但常常以柔克剛，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)濕、中風(fēng)等疾病，或吹亂室內(nèi)的布置，給人的生命財(cái)產(chǎn)安全造成損失。因此即使是風(fēng)扇，也應(yīng)隨時(shí)關(guān)注潛在的安全問題。

1.1 無葉風(fēng)扇原理

2010年左右興起了一波無葉風(fēng)扇浪潮，無葉風(fēng)扇因其無扇葉的新奇外觀和噪音小、風(fēng)力大、安全等特點(diǎn)被很多人家選中。

其工作原理是風(fēng)扇基座處內(nèi)置一個(gè)壓氣裝置，將空氣吸入內(nèi)腔，然后從邊緣處縫隙吹出。由于進(jìn)出口的截面差距較大，加上吹出口呈流線造型，使風(fēng)扇吹出的風(fēng)壓被提升了至少16倍之多，并且氣流相對(duì)平穩(wěn)。無扇葉的好處還包括安全性，可以進(jìn)一步提升風(fēng)速的同時(shí)，不存在有東西卷入扇葉發(fā)生危險(xiǎn)的問題；而且沒有扇葉，也就不會(huì)積灰，清洗便捷。

1.2 環(huán)境交互原理

現(xiàn)代智能設(shè)備的好處就在于，內(nèi)置的自動(dòng)化處理程序通過傳感器對(duì)環(huán)境相應(yīng)變量的監(jiān)測(cè)，即可自動(dòng)做出反應(yīng)，而不需要人類干預(yù)，使人產(chǎn)生了一種控制了自然又沒有花費(fèi)力氣的錯(cuò)覺，也就是“舒適感”。

如圖1所示，即是生命監(jiān)控部分的硬件設(shè)定。

通過采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)和紅外人體數(shù)據(jù)，CPU會(huì)根據(jù)設(shè)定好的程序，根據(jù)葉片風(fēng)速比和出口處應(yīng)有的風(fēng)速計(jì)算出電機(jī)應(yīng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速，通過控制口位控制電子調(diào)速器，從而精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?？諝饬鲃?dòng)會(huì)產(chǎn)生熱傳遞現(xiàn)象，因此風(fēng)扇除了可以降溫外，在出風(fēng)口處放置電熱絲加熱空氣流，風(fēng)扇也就具有了加熱功能。

考慮到不同人群的需求，四個(gè)按鍵可以設(shè)置不同的功能。對(duì)于習(xí)慣穩(wěn)定風(fēng)速的人可以設(shè)置成基礎(chǔ)模式，即維持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；對(duì)于熱愛自然的人，可以設(shè)定成自然風(fēng)，同時(shí)，指示燈會(huì)隨風(fēng)速一起呼吸變化；對(duì)于不同環(huán)境不同時(shí)期對(duì)風(fēng)速要求不同的人，可以設(shè)置成智能模式，CPU會(huì)根據(jù)如圖2曲線環(huán)境數(shù)據(jù)擬合出應(yīng)得的風(fēng)速風(fēng)溫需求值，將這個(gè)值通過電機(jī)風(fēng)速比計(jì)算得出最終傳出給電子調(diào)速器的控制信號(hào)波形(PWM)。

圖1 智能監(jiān)控硬件組成

圖2 環(huán)境變量曲線

1.3 控制算法

任何控制器的程序都離不開算法，越是先進(jìn)的產(chǎn)品，算法的綜合性、智能性、容錯(cuò)性越高。近來多發(fā)生炎熱天氣下睡眠時(shí)，大風(fēng)擋風(fēng)扇忘記關(guān)閉造成的死亡事件，因此智能風(fēng)扇的智能性不僅要體現(xiàn)在對(duì)風(fēng)的控制，更要體現(xiàn)在脫離控制仍能保持舒適而安全的性能。

1) 恒速風(fēng)：基礎(chǔ)模式下的風(fēng)速相對(duì)穩(wěn)定，可分為低速、中速、高速三擋，上拉輸出電平控制電機(jī)穩(wěn)速旋轉(zhuǎn)，相對(duì)穩(wěn)定的風(fēng)力通過內(nèi)腔的整流，從出氣口傳出均勻而穩(wěn)定的氣流形成穩(wěn)流速的風(fēng)洞，達(dá)到持續(xù)降溫的效果。

2) 自然風(fēng)：自然風(fēng)主要是風(fēng)速小，風(fēng)速變化無規(guī)律而相對(duì)頻繁的特點(diǎn)，但自然風(fēng)給人一種舒適的感覺。自然風(fēng)狀態(tài)下，CPU產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，每個(gè)數(shù)字隨機(jī)賦予規(guī)定好的幾種地址，隨機(jī)數(shù)為風(fēng)速，地址為維持的時(shí)長(zhǎng)，根據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字量到模擬量轉(zhuǎn)換，得出隨即自然風(fēng)曲線，然后將此曲線微分，發(fā)送給電機(jī)，電機(jī)便產(chǎn)生自然風(fēng)。

3) 智能風(fēng)：智能風(fēng)主要功能是通過氣體流動(dòng)控制小范圍環(huán)境處于一個(gè)相對(duì)舒適而穩(wěn)定的狀態(tài)。通過采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)和用戶比較喜歡的溫度得到溫度差，然后通過人體感應(yīng)模塊得出使用者與最大風(fēng)速(即風(fēng)口)的距離，通過運(yùn)動(dòng)連貫性判斷使用者狀態(tài)(此方法主要區(qū)分是否處于睡眠或精神不振等狀態(tài))，由以上數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算實(shí)時(shí)得出電機(jī)轉(zhuǎn)速，電熱絲是否需要啟動(dòng)等數(shù)據(jù)，從而穩(wěn)定控制室內(nèi)環(huán)境。

4) 睡眠監(jiān)控：在單片機(jī)控制方面，設(shè)置最高一級(jí)中斷為睡眠狀態(tài)，當(dāng)判斷生命狀態(tài)為睡眠狀態(tài)時(shí)，風(fēng)扇也進(jìn)入相應(yīng)的睡眠保護(hù)模式，監(jiān)測(cè)到環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，則限制風(fēng)速區(qū)間輸出自然風(fēng)；不穩(wěn)定，則進(jìn)入智能模式到穩(wěn)定為止。

2 窗框式無葉風(fēng)扇優(yōu)勢(shì)

“過堂風(fēng)”的風(fēng)力往往要么過小，小到需要時(shí)基本沒什么感覺，有時(shí)過大，大到只能把窗戶關(guān)上。因此在室內(nèi)學(xué)習(xí)、辦公或生活一般都采用廉價(jià)的風(fēng)扇，為了更舒適的溫度還可以選擇空調(diào)，但是開空調(diào)時(shí)需要關(guān)閉窗戶，這就導(dǎo)致了空氣不流通，而且空調(diào)的制冷液經(jīng)常出現(xiàn)滲透，導(dǎo)致了對(duì)大氣層的破壞和很多人的空調(diào)病。但是室內(nèi)環(huán)境變化幾乎都來自于窗外的大氣流動(dòng)，因此我們大可不必進(jìn)行功耗巨大的“反向熱傳遞”，而是直接從窗口攔截掉我們不需要的變化因素即可。

在窗口，這樣一個(gè)既需要敞開有需要具有風(fēng)場(chǎng)攔截和溫度攔截的空間，無葉風(fēng)扇便具有了很大的優(yōu)勢(shì)。增壓后的風(fēng)從一個(gè)極窄的框型結(jié)構(gòu)的邊框縫隙吹出，造成整個(gè)框內(nèi)的空氣流動(dòng)產(chǎn)生風(fēng)洞，并且風(fēng)洞的溫度可以通過簡(jiǎn)單的散熱片或電熱絲輕松控制。在對(duì)立面窗口分別安裝，過堂風(fēng)方向、大小、溫度便都可以直接由人控制或控制器自動(dòng)管理，甚至可以完全阻斷；在北方的冬天，開啟對(duì)向的窗框式風(fēng)扇，并加熱風(fēng)，室內(nèi)便會(huì)迅速保持溫度恒定，同時(shí)由于空氣處于動(dòng)態(tài)流動(dòng)平衡，也不會(huì)有悶熱感。應(yīng)對(duì)很多人家存在的窗縫造成的室內(nèi)溫度低的問題，智能風(fēng)算法還可以保證嚴(yán)冬時(shí)可以開窗睡眠(通過硬件完成智能程序意外停止時(shí)自動(dòng)關(guān)窗，保證睡眠安全)。

3 結(jié)語

目前，由于智能無葉風(fēng)扇價(jià)格高昂，人們逐漸仍舊回到了普通風(fēng)扇或空調(diào)的選項(xiàng)上。但無葉風(fēng)扇的發(fā)明并非過期，將這樣新奇的技術(shù)應(yīng)用在窗框上，如同安裝了一個(gè)隱形屏障；買一個(gè)風(fēng)扇花費(fèi)幾十幾百元，很多人當(dāng)然會(huì)覺得浪費(fèi)，而換個(gè)角度，相當(dāng)于安裝一個(gè)紗窗，卻具有“場(chǎng)屏蔽”一樣的神奇的功能，人們會(huì)更容易接受。廉價(jià)的同時(shí)，可控、可進(jìn)行空氣質(zhì)量處理的智能風(fēng)力控制也更有助于人們的身體健康。

DesignPrincipleofWindowFrameTypeVanelessFan

Yu Jiahao，Wang Zhe，Li Xun

(InformationandElectronicTechnologyInstitute,JiamusiUniversity,JiamusiHeilongjiang154000,China)

With the constant intelligence of life, the small objects in life are given more convenient features, such as fans. Comparing with the “summer artifact”-air conditioning, the fan has the advantages of cheap, low power, easy to install and so on. As a intelligent one, it can chooses the model and makes real-time monitoring for the environment and vital signs, and in accordance with vital signs data, it in turn can control wind speed mode fan. In solving the questions that the wind speed closes to the natural and the safety problem caused by forgetting to close the fan when sleep, the fan is applied to the user's home window frame after deformation, which achieves very good results for the control of indoor flow wind.

vaneless fan; environmental monitoring; comfort; window frames

TN23

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