周利杰 孫天佑 丁 力

（常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)，江蘇 常州 213164）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對生活的舒適度的要求不斷提高。 現(xiàn)在建筑的封閉性，加上人們夏天使用空調(diào)冬天使用暖氣的習(xí)慣，導(dǎo)致空間密閉，室內(nèi)空氣中含氧量卻不斷下降， 呼吸產(chǎn)生的二氧化碳含量上升，房間內(nèi)揮發(fā)出來如甲醛等各種有機(jī)物質(zhì)加上人類自身活動(dòng)引起的灰塵和煙氣積累增加，加重了對室內(nèi)的空氣質(zhì)量的影響。長時(shí)間在這種空氣下生活很容易導(dǎo)致感冒發(fā)燒、咽炎和頭暈頭痛，嚴(yán)重影響了人們的身體健康。

開窗通風(fēng)換氣是最為簡單和可行的辦法，但是無論是人們認(rèn)知上的缺失，還是固有的生活習(xí)慣難以改變，以及不斷加快的工作和生活節(jié)奏往往都使得我們很難有時(shí)間去考慮室內(nèi)空氣質(zhì)量問題。 此外，我們也應(yīng)該認(rèn)識到，對于當(dāng)前的高層建筑開窗通風(fēng)也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，如開窗通風(fēng)時(shí)有兒童攀爬窗戶或者下雨天開窗通風(fēng)房間內(nèi)部進(jìn)水產(chǎn)生的裝修受損破壞及問題。 為此，我們需要一種安全型多功能智能窗通風(fēng)監(jiān)控裝置。

1 總體設(shè)計(jì)

整個(gè)裝置可實(shí)現(xiàn)兩部分功能，即室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測及開窗通風(fēng)和開窗時(shí)的安全防范。第一個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)通過在室內(nèi)安裝二氧化碳、甲醛及煙霧等氣體含量探測器和在窗外安裝風(fēng)速探測器，當(dāng)相關(guān)氣體含量超標(biāo)時(shí)可自動(dòng)開啟窗戶進(jìn)行通風(fēng)換氣，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的窗外風(fēng)速情況來智能調(diào)節(jié)窗戶達(dá)到理想的開度。第二個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)通過在窗體的頂端安裝非接觸的身高探測器和窗戶外側(cè)安裝雨滴探測器，當(dāng)有身高較低兒童靠近或攀爬窗戶或者窗外降雨時(shí)可立刻關(guān)閉窗戶并報(bào)警提示。 具體的工作原理如圖1 所示。

圖1 裝置系統(tǒng)工作原理圖

本設(shè)計(jì)的核心部分是一個(gè)智能化開關(guān)窗主控制器并配有相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過無線藍(lán)牙信號與配套的硬件傳感模塊通信，能可靠監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量、在開窗自然通風(fēng)狀況能可靠探測兒童的靠近情況，主控制器上運(yùn)行的智能化識別和判定程序，可根據(jù)收集到的各種數(shù)據(jù)綜合分析并判斷是否需要開關(guān)窗操作。

主控制器以單片機(jī)為核心， 配有紅外探測模塊、無線藍(lán)牙通信模塊繼電器控制模塊以及聲光報(bào)警模塊（見圖2）。 繼電器控制模塊可以控制電路上的繼電器進(jìn)行可靠的接通和斷開以控制與窗體直接相連的開窗器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)窗戶的開、關(guān)和停的操作。 正常工作時(shí)，主控制器通過無線藍(lán)牙采集各種探測器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，當(dāng)相關(guān)氣體含量超標(biāo)時(shí)可自動(dòng)開啟窗戶進(jìn)行通風(fēng)換氣同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的窗外風(fēng)速情況來智能調(diào)節(jié)窗戶達(dá)到理想的開度，當(dāng)有身高較低兒童靠近或攀爬窗戶或者窗外降雨時(shí)可立刻關(guān)閉窗戶并報(bào)警提示。

圖2 主控制器系統(tǒng)工作框圖

系統(tǒng)中的探測器有多種，每種探測器均采用單片機(jī)核心，配有無線藍(lán)牙模塊、LED 顯示模塊、一種智能窗專用的檢測模塊即本系統(tǒng)中涉及的用于檢測室內(nèi)空氣質(zhì)量、室外天氣狀況等檢測模塊。 由于每個(gè)探測器都配有無線藍(lán)牙模塊，所以安裝位置比較自由方便且能夠與主控制器進(jìn)行可靠通信。智能窗用各個(gè)探測器的系統(tǒng)功能框圖如圖3 所示。

圖3 各個(gè)智能窗用探測器系統(tǒng)框圖

各個(gè)智能窗配套相關(guān)的傳感探測器塊為了能夠更準(zhǔn)確地進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的探測，被考慮分散放置在室內(nèi)外的特定的位置上，其上的時(shí)鐘日歷芯片可用來記錄故障發(fā)生的時(shí)間，按鍵輸入和顯示輸出模塊可用于測量參數(shù)報(bào)警值的設(shè)定等操作。當(dāng)參數(shù)超過限值或模塊發(fā)生故障時(shí)其上的聲光器件會(huì)報(bào)警提示。各個(gè)智能傳感模塊均通過無線藍(lán)牙與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2 裝置硬件選型

2.1 對于裝置硬件的甲醛檢測傳感元件器的選型

甲醛檢測模塊可對室內(nèi)不斷積累的甲醛進(jìn)行探測，同時(shí)進(jìn)行電化學(xué)原理分析，是一種小型化的適合在絕大多數(shù)環(huán)境下使用的模塊。模塊的內(nèi)部有溫度傳感器可隨時(shí)進(jìn)行基于溫度的修正， 由于該模塊配備了各種輸出接口，所以很方便與單片機(jī)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，該甲醛模塊具有較低的低功耗和較高靈敏度以及較高的分辨率，具有使用方便和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。 該模塊主要應(yīng)用在空氣質(zhì)量監(jiān)測與凈化以及新風(fēng)換氣等系統(tǒng)，所以對于本設(shè)計(jì)非常的適用，具體接口電路如圖4 所示。

圖4 甲醛檢測接口電路圖

2.2 對于裝置硬件身高探測傳感模塊的選型

身高探測模塊采用的是一體化超聲波測距模塊，該模塊是一種超聲波距離探測傳感模塊。該模塊具有一體電容式靜電換能器探頭，靈敏度高。傳感模塊帶有溫度補(bǔ)償電路，可在10cm～300cm 范圍內(nèi)能夠準(zhǔn)確探測出傳感器與人體頭頂平的距離，用窗體頂部傳感器安裝高度減去這個(gè)距離就是窗前人體的身高，根據(jù)檢測身高值即可判斷是否是兒童靠近窗體。 該模塊可支持UART 和PWM 等多輸出接口與非常方便與單片機(jī)連接。 傳感器模塊廣泛應(yīng)用與非接觸式身高測量和人工智能等領(lǐng)域。

3 硬件電路實(shí)現(xiàn)

從整體硬件所實(shí)現(xiàn)功能上看該裝置可以分為兩塊，一塊是開關(guān)窗主控制器另一塊是智能窗配套相關(guān)的各種傳感探測器，系統(tǒng)原理圖如圖5 所示。

圖5 一種安全型多功能智能窗通風(fēng)監(jiān)控裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

4 裝置軟件工作流程設(shè)計(jì)

從前述的裝置硬件結(jié)構(gòu)圖的特點(diǎn)來看，軟件系統(tǒng)的工作流程圖主要包括裝置的主控制器和傳感探測器這兩個(gè)部分的程序功能流程圖設(shè)計(jì)，其中各種傳感探測器雖然測量的參數(shù)不同但可統(tǒng)一使用一種軟件程序流程，如圖6 和圖7 所示。

圖6 開關(guān)窗主控制器主程序工作流程圖

開關(guān)窗主控制器主程序可以控制實(shí)現(xiàn)如下的主要功能，正常無空氣異常時(shí)不做任何操作，當(dāng)檢測到有室內(nèi)空氣參數(shù)超標(biāo)時(shí)則開窗換氣，如果通過一段時(shí)間的開窗換氣室內(nèi)空氣參數(shù)恢復(fù)正常時(shí)則關(guān)閉窗戶，但是當(dāng)此時(shí)有兒童在窗下或者室外正在下雨時(shí)則進(jìn)行報(bào)警，交由人工進(jìn)行判定處理。 無論何種情況下開窗和關(guān)窗都進(jìn)行聲光提示以防止對人的意外擦傷。

各種傳感探測器主程序流程可實(shí)現(xiàn)的功能如下，正常時(shí)按時(shí)采集需要監(jiān)測的參數(shù)值通過無線藍(lán)牙通信將參數(shù)值上傳至主控制器，當(dāng)發(fā)現(xiàn)采集的參數(shù)異常時(shí)則進(jìn)行光報(bào)警提示，以便我們能夠盡快了解哪一種參數(shù)超標(biāo)，當(dāng)后面采集到參數(shù)正常時(shí)則關(guān)閉光報(bào)警提示。

圖7 傳感探測器主程序工作流程圖

裝置長期運(yùn)行時(shí),仍需考慮裝置系統(tǒng)的可靠性和相關(guān)的抗干擾設(shè)計(jì)，軟件和硬件的設(shè)計(jì)均需要進(jìn)行專門的設(shè)計(jì),以確保裝置能夠長時(shí)間地穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)研究闡述的一種安全型多功能智能窗通風(fēng)監(jiān)控裝置，通過主控制器和各個(gè)傳感探測器的協(xié)同工作，確保在室內(nèi)空氣質(zhì)量超標(biāo)的情況下開窗換氣并且在此基礎(chǔ)上能夠充分考慮通風(fēng)相關(guān)的安全隱患。本系統(tǒng)采用無線連接方式為后期增加監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測范圍提供了方便。