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让家拥有森林般的清新
记电子信息学院智能防雾霾窗户系统设计学生团队
发布日期:2018-04-04 阅读次数:480 来源单位:宣传部  责任编辑:陈妍

近年来,我国多个省市迎来多轮雾霾天气,严重影响了人民的身体健康和美好生活。在重度雾霾天里,你有勇气开窗透气吗?我校电子信息学院王浩、高洋、张宇博、吴庭溪等同学组成的米虫团队,共同设计的智能防雾霾窗户系统,给了大众这样的勇气,作品在江苏省第十四届高校大学生物理及实验科技作品创新竞赛的411项作品中脱颖而出,斩获一等奖。

走步人间 创意花开自尘土

在一个迷你版房屋模型前,米虫团队一行四人点了两支烟。模型盒子内外空气质量差别来模拟实际室内外的空气质量差距,两支烟点燃后的第五分钟,“室外”空气PM2.5指数达到235重度污染,而室内空气质量显示为23

“负离子能够吸附空气中的粉尘颗粒,树木又能不断放射出这种负离子,所以森林的空气总是优质的,我们就是利用负离子的这种功效,让人们能生活在这种拟态森林的环境里。”吴庭溪介绍到,智能防雾霾窗户系统分为两大部分,一是双层纱窗的空气净化部分,二是具备防雷雨、防盗贼、防煤气泄漏、控制窗户开关等功能的基于互联网的智能防护模组。

空气净化装置的双层纱窗上均匀分布着一定数量的钕铁硼永磁铁,通过高压发射出的负离子能在磁场中做回旋运动,同时利用超声波雾化装置提高负离子产生率,吸附臭氧,延长负离子的寿命,提高了负离子的浓度,使净化作用更加彻底与有效。这就保证了在防雾霾系统正常工作的情况下,即便室外空气重度污染,室内空气条件也能达到优秀水平。

在大学生物理及实验科技作品创新竞赛答辩过程中,一位评委老师对作品设计提出这样的质疑,由于磁场分布的不均匀性,必然存在一定的PM2.5颗粒物进入室内,净化无法做到百分之百。对此团队成员们解释道,“理想状态和实际情况总会存在差距,我们只能通过计算机模型的不断测试,更精确地计算出磁场的最优分布,最大程度地防止雾霾进入室内,来达到净化空气的最佳效果。”

项目有关于系统的智能防护模组部分,则是指导老师王强的亲身经历给大家带来的灵感。新房子刚装修完的那段时间,王强老师每天要往返新家和学校给屋子通风透气,每天早上出门都要看看天色如何,总要担心会不会突然下雨。“尽管我每天都看天气预报,上班的时候还是提心吊胆的,如果真遇上下雨没关窗,就火急火燎地到新家关窗,结果到家的时候雨已经打进窗子里好一会儿了,就比较麻烦。”这是人们在生活中的常见问题,既然发明的根本是为了服务大众,那何不在防雾霾系统中添上一项“开关窗户的远程遥控”功能呢?

遇盗贼和雷雨天气自动关窗功能、感应煤气泄露时的自动开窗功能、重度雾霾天气利用互联网功能智能关窗……如同一石激起千层浪,四个队员和老师在实验室里对窗户功能的讨论越来越激烈,防雾霾窗户系统的智能化设定也由此被敲定。

紧贴大众 扎实求索应需求

七八月份,是团队对系统进行综合设计的主要时期,也是南通最热的时期。七月末,气温攀升到40℃,11号楼313-西实验室里多了张气垫床,这里成了王浩、吴庭溪的临时宿舍。“一个好的发明,各个部分在设计过程里总会出现ABCD各种方案。整个暑假,大家都在发现问题然后提出方案,比对最佳方案,最后解决问题。”吴庭溪笑着说。

“我们的定位就是贴近大众,而最重要的两个元素就是价廉物美与操作简易。”为了迎合这一设定,成员们专门到港闸、如皋、海安等地,走访了当地居民进行市场需求调研。

当下的智能防盗、防雾霾窗户系统产品成本高,并且安装时要在原有窗户上打洞,是一种“破坏式安装”,并且无法做到电子开关窗与手动开关窗的自由切换。“我们走访了很多居民,尽管可能达到防盗、防雨与遥控开关窗的效果,大多数人还是不愿意做这种破坏式安装。但如果系统呈免安装式,并且自动手动能够简单切换,人们普遍表示接受。”成员们利用巧妙的机械结构设计,在窗户的开合过程中,实现雨水传感器的自动弹出和收起于装置中,改旧有“破坏式”的室外线连雨水传感器为“内藏式”的金属条雨水传感器,在效率和使用寿命方面均得到了大幅度提高。

在“怎么才能让窗户轻松动起来”的问题上,张宇博在电脑前一坐就是几天,“我几乎看遍了类似产品的所有资料,对比其他有关自动门的装置设计。”最后,她提出三种可供选择的方案:在窗户底部安装摩擦条、橡胶轮、或是齿条。指导老师王强说:“孩子们拿了方案来和我讨论,我只说了句‘自己去试试看’。”王浩花了近一个月的时间进行实验比对,结果表明只有齿条价格低、力量大、免安装、易清洗,只要在使用时往窗户移动槽里一放即可,“这完全契合了我们对项目的定位。”提到对齿条的应用,王浩眼神发亮,“齿条的安装、拆卸方法与平时咱们拆装遥控器电池一样便捷,只需把窗户向上一推露出滑动槽就能完成装卸,清洗也很方便。”米虫团队对齿条的利用也打破了当下市场上开关窗电动与手动切换困难的壁垒。

米虫团队对系统的遥控设计,也经历了由远距离遥控、蓝牙局域网控制到WiFi连接手机app远程控制。“前两个想法虽是‘遥控’却依然存在距离限制,而wifi-app即便人们身在千里之外,也能自如控制家里的窗户。但在提出这个想法时,我们确实下了很大的决心。”由于专业的局限性,负责技术开发的王浩在过去从没接触过WiFi的有关知识,“但既然有了想法,就要尽全力去实现。”张宇博很快整理出相关资料,王浩负责从零开始研究原理协议、学习如何建立数据通道,再慢慢付诸实践。当米虫团队把智能防雾霾系统成品展示在指导老师面前时,王强老师也只能感叹一句:“优秀!”

意义先行 初心通透未来可期

作品设计巧妙,创新性好。克服了原有空气净化机和自动开关窗机的固有技术缺陷,提高空气净化相关工作性能和稳定性。适合家庭进行自动空气净化,能提高智能家居的效率和可靠性,也可作为大型企业的环境净化。省第十四届高校大学生物理及实验科技作品创新竞赛的专家评委组对该作品作出了高度肯定的评价。

在产品设计完成之后,米虫团队还去拜访了南通周边县市的大型养殖场,证明了智能防雾霾窗户系统所衍生出的产品具有巨大的市场空间。“因为牲畜粪便里含氮化合物的巨大排放,现在的一些养殖场总是安置在郊区,交通也不方便”,通过和一些养殖场的直接对接交流,队员们发现了“养殖业”这一方面的市场潜力。“我们的窗户技术能够实现‘除氮’。观现有的国内外类似窗户的售价,高达三四千每平方米,而我们的技术制造成本只需要三四百元每平方米,这些养殖户表示很愿意接受。”王浩介绍说。

“创造价值”是初心,是意义。除平日的一些科研创造外。米虫团队几人连着两年到南通育才中学等南通本地中学做志愿服务,或是教授制作机器人,或是制作简易的电动小飞机……他们坚持给那些初中的孩子进行物理知识科普。高洋说:“这也是在实现我们的个人价值吧。就为孩子们初高中生活学习中添点调味剂吧,希望有更多人喜欢物理。”

当下有很多大学生总是为比赛而比赛,许多优秀的科研项目也常因“比赛结束”而烂尾,这是大学里普遍存在的“资源浪费”。“智能防雾霾窗户项目是孩子们自行提出,出于本心去做的,利民利生活。这并不是出于什么比赛的‘激励’,我觉得很好。”王强老师说,他对于学生做项目的基本要求从来都是——项目成熟后,产品至少能直接放在市场上进行售卖。他说:“现在的大学生应该不仅仅局限于‘给什么做什么’,而是要考虑能否有效推广,能否产业化,这样才有意义。只有不停地追求‘价值创造’,才会愿意不懈努力地汲取各类知识,才可能实现意义。这群孩子,肯吃苦肯耐劳,自我学习能力很强,我看好他们。”

现在,米虫团队正紧锣密鼓地计划成立一家自己的公司,王强老师也为他们与一家南通本地的公司商谈着价值百万的合作。 “一种电子风式阻隔扫除PM2.5的纱窗装置及其工作方法”已成功通过国家知识产权局审核拿到专利,未来产业化可期。

校报学生记者 叶珊迪 施怡 相志伟 魏婷婷)

指导老师王强与团队成员合影。