空调室外机安装支撑件健康状态监测与评估

2023-03-01 08:06梁光胜梁兆楷杨松李朝洋
电子制作 2023年2期
关键词:室外机图像识别空调

梁光胜,梁兆楷,杨松,李朝洋

(华北电力大学 电气与电子工程学院,北京, 102206)

0 引言

无论是大中小学校、居民小区,还是企事业单位,其建筑物外墙都布满了大大小小的空调室外机。空调室外机通常安放在支撑件上并由螺杆螺母固定,支撑件一般利用膨胀螺栓固定在承重墙上。空调一旦安装落户,用户一般只关注空调室内使用功能是否正常,很少关注也很难察觉空调室外机安装的稳固性和安全性。空调室外机和支撑件风吹日晒雨淋,尤其在阴雨天气频繁的地区,空调支撑件易生锈、老化、寿命短的弊端非常突出。如果政府部门不采取措施,不唤醒公民的安全意识,不及时消除这些安全隐患,这些空调室外机必将成为高空“定时炸弹”,成为隐匿于建筑物外墙的“空中杀手”,危及人们的生命安全。

1 空调室外机支撑件的种类与安装要求

空调室外机支撑件包括固定于安装面的垂直构件、用于支撑和固定空调室外机的水平构件。支撑件按照使用钢材的种类可分为碳钢支撑件和不锈钢支撑件;按照防腐方式可分为喷涂、镀锌、不锈钢支撑件;按照形状可分为三角板悬臂支撑件和三角形支撑件。国内使用最多的支撑件为碳钢镀锌或喷涂的三角板悬臂支撑件[1]。

空调室外机支撑件的安装面必须是实心砖、混凝土或与其强度等效的安装面,应坚固结实并具有足够的承载能力。安装支撑件的膨胀螺丝采用直径不小于M10、长度不小于100 mm的镀锌或不锈钢膨胀螺丝。支撑件应在4倍室外机重量作用下,保持48小时以上不得发生明显或影响安全的永久性变形和裂纹[2]。

2 空调室外机使用现状的调研与分析

■2.1 高校空调室外机支撑件使用现状的调研与分析

以华北电力大学北京校部为例,近几年新建的13、14、15、16号四栋学生宿舍楼设计预留了专门的空调室外机放置位,隐蔽性好,安全美观。其他12栋宿舍楼都没有预留专门的空调室外机放置位,安装的室外机数量多,密集分布在楼体前后外墙上,有的安装在承重墙上,大部分被安装在宿舍阳台的非承重墙面。教一楼、教二楼、教三楼没有预留室外机安装位,教四和教五楼预留了一些外置的室外机安装位(水泥台支撑件)。通过调研发现存在以下问题:

(1)室外机安装位置存在较大安全隐患

学生宿舍的室外机大部分被安装在阳台的非承重墙面,如图1所示。教四楼某处空调室外机布局如图2所示,室外机正下方是一条穿越通行要道,每天人来人往。

图1 学生宿舍室外机布局

图2 教四楼一人行通道上方室外机布局

(2)支撑件受腐蚀严重

教四楼C区建有如图3所示放置室外机的水泥平台,其边缘外加的镂空钢制护板目前已是锈迹斑斑,存在较大坠落风险。教四楼A区和B区的空调外机需要使用支撑件安装,如图4所示的教四楼空调室外机支撑件防腐涂层已风化脱落,腐蚀生锈严重。

图3 教四楼锈蚀的室外机支撑件前护板

图4 教四楼锈蚀的室外机支撑件

(3)支撑件承重过大

教五楼D区南侧空调室外机水泥支撑台布局如图5所示,支撑台最外侧加了立式水泥挡板,看似比图3的支撑台前金属护板更安全,但这种结构大大增加了对墙面的拉扯力。一台室外机已经很有分量了,再加上立式水泥挡板,会大大增加对墙体的牵引力,危险系数很高。有些水泥支撑台放置了体积很大的空调室外机,更是危机重重。

图5 教五楼D区南侧室外机水泥支撑台布局

■2.2 居民小区空调室外机支撑件使用现状的调研与分析

图6为作者所住小区所在单元门入口上部(左边)以及物业楼(右边)的室外机布局图,此小区是2000年建成使用的,22年的风吹日晒雨淋使这些头顶上的室外机支撑件变得锈迹斑斑,每天楼内居民进进出出,谁曾想头顶会隐藏着很大安全隐患。物业楼一扇窗户旁边密集安装了5台室外机。

图6 小区单元门入口以及物业楼的空调室外机布局图

3 空调室外机支撑件性能检测系统设计

■3.1 系统功能规划

本系统用于空调室外机支撑件受力状况在线检测时,支撑件的选取可分为以下多种情况:(1)不同品牌的支撑件进行受力状况对比检测;(2)同一品牌但不同型号的支撑件进行受力状况对比检测;(3)同一品牌型号历经不同使用时长的室外机支撑件进行受力状况检测。

■3.2 系统架构和硬件电路设计

支撑件性能检测系统架构设计如图7所示,其主要包括混凝土试验墙、空调室外机支撑件(包含不同品牌、不同型号、同一品牌型号历经不同使用时长的支撑件)、不同重量的实物块、应力传感器、拉力传感器、A/D转换器、STM32系列单片机、LCD显示屏等。

图7 支撑件性能检测系统架构

空调室外机支撑件的性能检测系统硬件电路原理图如图8所示。单片机主控模块选用具有Cortex-M3内核的STM32F103R6芯片,内部自带A/D转换器。模拟支撑件应力传感器模块由4路电位器代替,通过改变电位器阻值模拟应力传感器和拉力传感器的检测信号,再通过A/D转换器转换为数字信号显示在LCD屏上。显示模块采用LM3229LCD液晶屏,LCD模块可以显示项目名称和4个支撑件的受力情况。应力报警声光指示模块由蜂鸣器和LED灯组成,当检测结果超出预设值时,蜂鸣器发出警报、LED灯闪烁。

图8 硬件系统电路原理图

■3.3 STM32检测系统软件设计与运行测试

在Keil软件环境下,利用C语言完成程序编写,将编译生成的目标程序下载到STM32F103R6芯片,系统的运行测试情况如图9所示。LCD同时显示4路支撑件应力信号,当支撑件受力超过3500N时系统会报警。支撑件1的受力为3821N,此时LCD显示红色警示语“支撑件1受力超过安全值”,对应LED灯发光,蜂鸣器鸣叫。

图9 系统运行测试情况

4 空调室外机支撑件健康状态监测与评估系统的规划设计

■4.1 系统功能规划和架构设计

事前方案:基于房屋有效面积的空调匹数选择建议;空调安装位置与安全性评测。

事中方案:所安装空调的基本信息存档记录;空调室外机定期安检记录,在空调室外机安装之后,使用人工或图像识别方式定期对安装好的室外机进行巡检。

事后方案:对于存在安全警示的空调和没有使用价值的空调及时拆除、有序回收。

空调室外机支撑件健康状态监测与评估系统架构如图10所示。

图10 空调室外机支撑件健康状态监测与评估系统架构

■4.2 系统上位机界面设计

健康状态监测与评估平台上位机界面分为角色分配模块、信息展示模块等。角色分配模块包括登录身份验证、用户分组模块,用户分组由企事业单位相关工作主管、居民小区物业部门相关工作主管、城市管理部门相关工作主管、系统管理人员和系统数据采集维护人员组成。信息展示模块由导航菜单、新闻公告、消息提醒和信息展示界面等组成。

系统采用浏览器/服务器(B/S)开发模式,应用层操作系统采用Windows,软件开发环境选用Visual Studio 2019,程序设计语言采用C#。WEB服务程序运行于服务器端并将查询结果和数据采集端上传的监测数据实时以网页形式展现给用户。系统主界面主要由3大模块组成如图11所示,事前管理模块:空调匹数与房屋面积关联计算,空调安装位置与安全性评测;事中管理模块:所安装空调基本信息,空调室外机定期安全检查记录;事后管理模块:废旧危空调拆除,废旧危空调回收。系统导航菜单包括事前管理、事中管理、事后管理、统计分析、报表记录、系统管理。系统顶部关键菜单项包括首页、监测中心、安装评测、全生命周期信息管理、安全检测、系统维护、联系方式、帮助。

图11 空调室外机支撑件的健康状态监测与评估系统主界面

■4.3 事前管理模块设计

空调匹数与房屋面积关联计算模块设计:选择合适的空调匹数不仅能达到预期制冷(制热)效果,而且可以避免电能浪费。在空调匹数与房屋面积关联计算模块中输入房屋面积后,系统会根据后台统计数据计算出合适的空调匹数。例如:输入15m2,系统会提示选择1匹空调最佳。

空调安装位置与安全性评测模块设计:空调安装位置与安全性评测模块分为室外机和室内机的安装位置及安全性、高效性评测。室外机安装需考虑的因素:是否为承重墙面?室外机和支撑件是否匹配?过大过重的室外机应采取什么安全措施?室外机尽量避开人行通道,室外机在符合安全性的前提下分布尽量整齐美观。室内机安装需考虑的因素:不仅要考虑安装是否方便以及尽量缩短管路,而且还要特别关注节能效果与使用效果,即室内机安放位置与能效的关系。

■4.4 空调信息管理数据库设计

基于“全生命周期跟踪管理”理念设计空调信息管理数据库,其应包含所安装空调的基本信息(如用户、品牌型号、位置和安装日期等)、安检时间和记录(含预警信息)、废旧危空调拆除信息、废旧危空调回收信息等。

■4.5 空调室外机安检方式与工作流程

空调室外机支撑件安检方式可分为三种:(1)人工方式。通过肉眼比对便可得到结果,但其需要大量人力资源,识别效果和速度无法满足准确和及时的要求。(2)移动图像识别方式。通过移动终端将室外机支撑件拍照上传,通过后台数据库对比分析,快速准确地得到支撑件的健康状况。(3)无人机图像识别方式。对于高楼层室外机支撑件,无人机图像识别可很好地胜任,通过操控无人机对支撑件拍照分析。

空调室外机支撑件健康状况图像识别可以采取就地化和上位机集中化处理方式,将室外机支撑件图像识别结果与空调安装位置、房间进行一一对应,无生锈腐蚀的支撑件识别结果为完好,有生锈腐蚀的支撑件根据生锈腐蚀程度可以分为轻度、中度和重度。图像识别流程如图12所示,分为支撑件图像采集、支撑件分类标识、机器学习训练、训练结果校验、识别服务发布5个阶段。

图12 空调室外机支撑件图像识别工作流程

■4.6 系统运行保障机制

(1)制定安全标准,规范支撑件提供商的主体责任,加大技术研发投入,改进空调室外机支撑件安全风险防范措施。

(2)基于“全生命周期”的理念,即空调的“生产-安装-维修-拆除-回收”一体化,建立起空调室外机支撑件健康状态监测与评估的全国性运行管理机制。

(3)建立新空调安装与废旧危空调拆除的专业队伍,降低安装和拆除过程中高空作业的危险系数。

(4)建立废旧危空调回收专业队伍,将旧空调及时回收规范处理,统一送到拆解企业,进行分拣和破碎,二次循环生产再利用。

5 结语

本文从高校和居民小区两方面开展调研分析,设计了支撑件性能检测系统架构模型,基于STM32设计了支撑件性能检测系统,规划构建了空调室外机支撑件的健康状态监测与评估系统,基于“生产-安装-维修-拆除-回收”一体化的“全生命周期”理念,建立空调室外机支撑件健康状态监测与评估的全国性运行管理和保障机制。

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