基于环境能量驱动的户外显示设备防护系统及方法与流程

本发明涉及户外显示设备防护，尤其涉及基于环境能量驱动的户外显示设备防护系统及方法。

背景技术：

1、户外显示设备（如广告屏、交通诱导屏、引导屏等）长期暴露于日晒、雨淋、风沙、飞虫等复杂自然环境中，其内部电子元器件的可靠性与使用寿命受到严峻考验。目前，主流户外显示设备普遍采用金属防护箱体结合主动温控系统的防护模式，即在密封或半密封箱体内部配置空调、风扇或压缩机等主动散热设备，以维持内部工作温度。部分改进方案引入了热管散热、百叶窗通风或过滤网等辅助结构。为了应对高湿、多尘、虫害等复杂户外条件，往往还需要额外配置独立的除湿模块、防虫电网和防尘滤网。

2、然而，现有技术仍存在以下缺陷：第一，现有形状记忆合金弹簧驱动的百叶窗或通风门方案多为简单的升温开启、降温关闭控制模式，在户外环境中，昼夜温差大、阵风频繁，形状记忆合金弹簧驱动元件极易因温度短时波动而反复动作，不仅加速机械磨损，还可能导致散热通道的意外关闭。第二，现有方案中，若为追求散热效果而设置百叶窗通风孔，外部湿热空气易涌入箱体内部，遇冷结露，引发电路短路；若为追求防潮而完全密封，则内部热量积聚，加速元器件老化。现有技术缺乏一种能够实现仅排气不进气式单向通风的机械结构。第三，现有方案中当形状记忆合金弹簧驱动元件失效或控制系统掉电时，百叶窗无法按需开启或关闭，在极端高温环境下可能导致设备热失控。第四，现有户外显示设备的防尘、防虫措施多依赖于固定滤网或高压电击等手段，这些措施相互独立，未能与热管理系统实现一体化协同。第五，现有户外显示设备的散热、温控、除湿等子系统均依赖外部电网供电，功耗较高。一旦市电中断，全部防护功能即告失效，无法在无外部供电条件下维持设备基本运行。

3、综上所述，现有技术在沿海高湿地区存在一个无法调和的热-湿悖论。若追求散热（开孔/风扇）：必然导致外部湿热空气涌入，遇冷结露，导致短路。若追求防潮（密封/除湿机）：必然导致内部热量积聚，加速元器件老化，且除湿机高功耗。目前没有任何一种技术能利用环境能量，在不引入外部湿气的前提下，实现主动级的散热与除湿。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于环境能量驱动的户外显示设备防护系统及方法，解决了热-湿悖论的技术问题，克服了现有技术高功耗、高维护成本、散热与防水/防虫不可兼得的矛盾。

2、本发明采用的技术方案是：

3、基于环境能量驱动的户外显示设备防护系统，包括：

4、复合能量采集组件，至少包括热电转换单元、光伏转换单元及压电转换单元中的一种，用于从环境中获取电能；

5、储能单元，电性连接至复合能量采集组件，用于存储电能；

6、被动热防护组件，包括相变储能层和辐射制冷涂层；相变储能层填充于设备箱体夹层中，辐射制冷涂层涂覆于设备外壳表面，用于通过被动辐射换热使设备箱体表面温度低于环境温度；热电转换单元设置于辐射制冷涂层的背侧，利用设备箱体内部热源与经辐射制冷涂层冷却后的外壳冷源之间的温差进行热电转换；

7、百叶窗组件，包括转轴、多个叶片、形状记忆合金弹簧、偏置复位弹簧和电磁棘轮锁止机构；转轴安装于设备箱体的通风口处，多个叶片沿转轴的轴向间隔固定；形状记忆合金弹簧的一端连接转轴的第一端，偏置复位弹簧的一端连接转轴的第二端，形状记忆合金弹簧另一端和偏置复位弹簧的另一端分别安装在箱体内壁上；形状记忆合金弹簧与偏置复位弹簧对转轴施加的扭矩方向相反构成差动对抗结构；环境温度小于第一温度阈值时，偏置弹簧拉力大于形状记忆合金弹簧拉力；否则，偏置弹簧拉力小于形状记忆合金弹簧拉力，以便根据环境温度被动控制百叶窗的开合状态；电磁棘轮锁止机构集成于转轴末端用于在转轴的一个旋转方向上机械锁定且在另一旋转方向上允许单向旋转；

8、多源传感器阵列，用于采集得到多源环境参数数据；

9、控制单元，内置轻量化边缘ai模型以预测未来局部微气候变化，控制单元分别与多源传感器阵列、形状记忆合金弹簧上设置的加热电极及电磁棘轮锁止机构电性连接；控制单元的电源端通过电源管理电路板电性连接至储能单元；控制单元用于根据多源环境参数生成控制指令以控制电磁棘轮锁止机构在锁止状态与解锁状态之间切换；控制单元还用于根据多源环境参数控制加热电极的工作状态以调节形状记忆合金弹簧的基准温度点。

10、其中，控制单元在常态下保持电磁棘轮机构断电自锁，由形状记忆合金弹簧根据环境温度被动控制百叶窗开合，同时通过辐射制冷涂层与相变储能层进行被动散热；控制单元在急态下向电磁棘轮机构发送脉冲电流以解除锁定并强制将百叶窗拉至完全关闭位置后重新物理锁止，以阻断外部恶劣环境侵入；急态为遇到暴雨、沙尘暴或设备内部短路风险的状态。

11、进一步地，在一些实施例中，相变储能层由复合定形相变材料成型，复合定形相变材料的相变温度点为45℃至50℃，用于在温度高于50℃时吸热熔化，以及在温度低于45℃时凝固放热，以平抑设备内部温度波动；辐射制冷涂层为多层介质膜堆叠结构，辐射制冷涂层的红外发射率和太阳辐射反射率均不小于0.9。具体地，辐射制冷涂层在0.3-2.5μm太阳辐射波段具有大于95%的反射率，且在8μm至13μm大气窗口波段的发射率大于或等于0.9。

12、进一步地，在一些实施例中，热电转换单元为温差发电片，贴合设置于设备外壳内壁的辐射制冷涂层的背侧，利用涂层冷却后的外壳与内部热源之间形成的稳定温差进行热电转换，实现了热电转换单元与辐射制冷涂层的空间复用，不额外占用箱体有效空间；光伏转换单元为柔性非晶硅薄膜电池，贴合于箱体的侧立面或顶部边框的非散热区表面；压电转换单元为压电陶瓷片，嵌设在箱体的进气口防护网支架中。

13、进一步地，在一些实施例中，储能单元的输入端与复合能量采集组件的输出端之间设置有电源管理电路板，电源管理电路板固定于箱体内部，电源管理电路板的输入端电性连接至热电转换单元的输出端、光伏转换单元的输出端及压电转换单元的输出端，电源管理电路板的输出端电性连接至储能单元的输入端，实现了多源微能量的硬件级汇流与统一管理，避免了不同类型能量（持续电流与瞬态脉冲）相互干扰，提高了能量收集与存储效率。

14、上述光伏转换单元、热电转换单元及压电转换单元的输出端电性连接至电源管理电路板（pmic），通过最大功率点跟踪（mppt）算法进行能量汇聚与管理，共同构成系统的混合供电系统，确保在单一环境能量缺失时系统仍能持续运行。具体地，作为可行技术，电源管理电路板（pmic）内置能量路由算法，针对光伏/热电的持续输出与压电的瞬态脉冲进行差异化管理。对持续电流进行恒压/恒流充电管理，对压电产生的瞬态脉冲能量进行峰值捕获与整流储能。通过这种分级汇流策略，确保了超级电容器能够高效、稳定地存储来自多源环境的能量。同时，该pmic电路集成了符合iec 61000-4标准的class iii级防雷保护电路。针对城市环境中常见的高频电磁干扰及雷雨季感应雷击浪涌进行瞬态电压钳位保护，确保微能量采集系统（特别是外露的光伏与压电单元）在极端恶劣气象条件下的生存能力与功能安全。

15、进一步地，在一些实施例中，形状记忆合金弹簧连接有一加热电极，加热电极与控制单元的控制输出端电气连接；控制单元根据多源环境参数控制加热电极工作，以调节形状记忆合金弹簧的基准温度点。

16、进一步地，在一些实施例中，第一温度阈值为45℃。

17、进一步地，在一些实施例中，百叶窗包括窗框，窗框固定连接于箱体的壁面，转轴的两端分别可转动地连接于窗框的两侧边框，实现了所有叶片的同步联动开启与关闭，保证了百叶窗整体动作的一致性，避免了多轴独立驱动导致的运动不同步及密封不严的问题。

18、进一步地，在一些实施例中，转轴的第一端固设有第一连接耳，形状记忆合金拉伸弹簧的一端固定连接于第一连接耳，形状记忆合金拉伸弹簧的另一端固定连接于箱体内壁的第一固定支架；转轴的第二端固设有第二连接耳，偏置复位弹簧的一端固定连接于第二连接耳，偏置复位弹簧的另一端固定连接于箱体内壁的第二固定支架，形成了沿转轴切向方向的差动对抗施力结构，为形状记忆合金拉伸弹簧收缩驱动转轴旋转提供了稳固的受力支点，保证了长期反复动作中传动的可靠性与稳定性。

19、进一步地，在一些实施例中，电磁棘轮锁止机构包括棘轮盘和电磁插销，棘轮盘与转轴同轴设置，棘轮盘的外周面上沿圆周方向连续排列有多个棘轮齿槽，箱体内壁固定设置有电磁插销座，电磁插销座内可滑动地穿设有电磁插销；电磁插销的第一端朝向棘轮盘的棘轮齿槽设置，电磁插销卡入棘轮齿槽时仅允许棘轮盘向百叶窗开启方向单向旋转；电磁插销的第二端套设有复位压簧，电磁插销座内固定设有电磁线圈，电磁线圈环绕于电磁插销的杆部的外周，电磁线圈的两端电性连接至控制单元的控制端。断电状态下电磁插销在复位压簧作用下卡入齿槽限制棘轮反向旋转，允许转轴单向开启而阻止意外关闭，有效防止了户外温度短时波动导致的百叶窗频繁误关闭，延长了机械寿命。

20、进一步地，在一些实施例中，棘轮盘上设有零位锁止槽，零位锁止槽为沿棘轮盘的径向向内凹陷的矩形凹槽，矩形凹槽的宽度与电磁插销的第一端的直径相匹配。百叶窗到达关闭位置后，电磁插销在弹簧作用下重新弹出，卡入棘轮盘上的零位锁止槽。此时，无论外部温度多高（即使形状记忆合金弹簧试图收缩），百叶窗都被物理刚性锁定在关闭状态，彻底阻断外部恶劣环境（雨水、沙尘）的侵入路径。锁止状态由机械棘轮维持，无需持续供电，符合低功耗设计原则。

21、进一步地，在一些实施例中，转轴上固定套设有限位环，箱体内壁对应限位环的位置固定设置有限位挡块，限位环的外周面与限位挡块的端面之间具有间隙，当偏置复位弹簧拉动转轴旋转至限位环抵接于限位挡块时，百叶窗处于最小安全开度位置。最小安全开度为5°-10°，确保了在形状记忆合金弹簧完全松弛状态下百叶窗仍保持最小安全开度，既能保证基础散热，又能通过迷宫结构防止直射雨水，符合iec 61508功能安全标准，确保设备在无人值守的户外极端工况下，或在失去智能控制时，能够降级至纯被动模式，维持基本生存，从而有效规避因控制失效导致的热失控风险。

22、进一步地，在一些实施例中，百叶窗组件还包括低熔点合金剪切销，低熔点合金剪切销设置于形状记忆合金拉伸弹簧与第一连接耳之间的关键受力点，低熔点合金剪切销的两端分别固定连接于形状记忆合金拉伸弹簧的端部及第一连接耳。低熔点合金剪切销的熔点为70℃-80℃，高于形状记忆合金弹簧的工作温度上限，且熔点上限大于第一温度阈值；当箱体内部温度超过熔点且主动控制失效时，低熔点合金剪切销熔断，偏置复位弹簧释放势能并将百叶窗拉至全开状态。剪切销自动熔断并释放偏置复位弹簧势能强制开启百叶窗，实现了故障导向安全的被动保护，杜绝了因控制系统失灵导致的设备热失控风险。

23、具体地，在正常温控范围内（<70℃），该合金销保持固态，维持机械结构完整。当设备内部因故障发生异常高温（超过70℃，远高于形状记忆合金弹簧的工作点），且主动控制系统失效无法开启散热时，合金销自动熔断/软化。合金销熔断瞬间，被拉伸的偏置复位弹簧释放势能，强行将百叶窗拉至全开状态。这是一种不可逆的牺牲式保护，确保在电子系统完全瘫痪时，设备仍能通过纯物理方式开启最大散热通道，防止设备因过热而发生热失控或起火。

24、优选地，低熔点合金剪切销的材料选型需满足高于工作温度低于危险温度的窗口原则。具体优选为伍德合金（wood's metal）（熔点约为70℃）或铟基合金。该熔点阈值（70℃-80℃）被设定为高于形状记忆合金弹簧的相变工作温度上限（通常<60℃），从而构建物理层级的温度逻辑门，确保仅在热失控极端故障下才触发物理熔断，有效规避了常态下的误动作风险。

25、进一步地，在一些实施例中，箱体的底部开设有排水孔，排水孔处固定设置有单向硅胶膜阀，单向硅胶膜阀包括阀座和弹性阀片，阀座固定连接于排水孔的内壁，弹性阀片覆盖于阀座的开口端，弹性阀片的边缘与阀座之间设有供液体单向流出的缝隙。外部灰尘及虫蚁则被弹性阀片阻隔于箱体之外，实现了无源被动排水与防尘防虫的一体化功能，避免了积水腐蚀底部元器件。

26、进一步地，在一些实施例中，箱体边框设有led灯带，led灯带与控制单元电连接；控制单元包括微处理器和驱动电路，驱动电路与电磁插销的电磁线圈电连接。

27、进一步地，在一些实施例中，多源传感器阵列包括设置于箱体内部的第一温度传感器、第一湿度传感器，设置于箱体外部的第二温度传感器和第二湿度传感器，以及设置于转轴一端的霍尔角度传感器。

28、进一步地，在一些实施例中，控制单元内置优先级仲裁机制，按照安全级优先于维护级、维护级优先于节能级的优先级顺序，当多个控制指令发生冲突时，优先执行安全级指令。

29、进一步地，在一些实施例中，还包括通信模块，通信模块与控制单元电连接，控制单元通过通信模块与云端服务器通信连接。

30、本发明还公开了基于环境能量驱动的户外显示设备防护方法，包括：

31、通过复合能量采集组件中的热电转换单元、光伏转换单元及压电转换单元从环境中采集电能，并经电源管理电路板存储至储能单元；

32、通过多源传感器阵列采集设备内部与外部的温湿度、相变储能层的温度梯度及百叶窗的实际开合角度；

33、由控制单元基于多源传感器阵列采集的数据及历史气象数据，通过轻量化边缘ai模型预测未来局部微气候变化，并根据预测结果生成控制指令；

34、控制单元基于控制指令通过以下至少一种方式调节设置于箱体通风口处的百叶窗的开合状态：（a）控制单元通过加热电极向形状记忆合金弹簧施加电流，改变形状记忆合金弹簧的等效相变温度点，以调节百叶窗的开合角度；（b）向电磁棘轮机构的电磁线圈发送脉冲电流，解除电磁棘轮机构对百叶窗转轴的单向锁止，允许所述百叶窗在形状记忆合金弹簧与偏置复位弹簧的差动作用下自由调节；（c）在识别到极端天气或安全风险时，向电磁棘轮机构发送强制闭锁脉冲，将百叶窗拉至完全关闭位置并由电磁棘轮机构物理锁止。

35、进一步地，在一些实施例中，还包括远程运维步骤：

36、由控制单元生成设备的数字孪生体，并将关键热力学参数上传至云端；

37、通过联邦学习框架对多台设备的数字孪生数据进行聚合训练，并将优化后的模型参数下发至边缘侧，以实现本地预测模型的在线增量更新与协同进化。

38、进一步地，在一些实施例中，还包括针对极端环境的多场景自适应步骤：

39、（1）当预测到未来1-3小时内将出现极寒天气时，控制单元执行以下操作：

40、在傍晚时段利用设备余热或微量电能，激活相变材料中的过冷释放剂，强制相变材料提前凝固放热，将潜热储存于箱体保温层中；

41、在清晨启动前，监测箱体内部温度，当内部温度低于预设的冷启动温度阈值时，利用储能单元中储存的电能，通过形状记忆合金弹簧的微小形变产生焦耳热或通过辅助加热片对核心电路板进行预热，待内部温度回升至安全工作温度范围后再启动主屏幕。

42、（2）当预测到未来1-3小时内将出现沙尘或飞絮天气时，控制单元执行以下操作：

43、控制形状记忆合金弹簧驱动百叶窗进行高频微幅开闭震荡，利用箱体内部热空气膨胀产生的瞬间正压气流，在进气口处形成局部微正压区，将附着于进气口滤网上的沙尘或飞絮吹离；

44、在夜间风速大于预设风速阈值时，控制百叶窗完全开启，利用自然风对进气通道内的积尘和飞絮进行清扫。

45、（3）当预测到未来1-3小时内将出现持续性极端高温时，控制单元执行以下操作：

46、在高温来临前的清晨时段，控制百叶窗提前完全开启，利用夜间低温对相变材料进行预冷；

47、当判断相变材料即将达到热饱和状态时，协同设备内容系统自动降低屏幕亮度或切换为低功耗显示模式。

48、（4）当根据季节或环境数据判断当前处于昆虫活跃期时，控制单元执行以下操作：

49、控制设置于设备边框处的辅助led灯带，动态调整led灯带的闪烁频率，形成昆虫厌恶的光谱；

50、控制形状记忆合金弹簧进行微幅形变，产生20hz至50hz的机械微振动，干扰昆虫在散热口附近的停留或结网行为。

51、（5）当根据外部环境数据判断当前处于高湿环境时，控制单元执行以下操作：

52、实时计算箱体内外部的露点温差；

53、当所述露点温差小于预设安全阈值时，锁定百叶窗的开启动作，使百叶窗保持关闭状态；

54、当箱体内部气压达到预设排气压力阈值时，向电磁棘轮机构发送脉冲电流以瞬间解除锁止，利用箱体内部热空气膨胀产生的正压进行瞬时排气，排气完成后立即重新锁止所述百叶窗。

55、（6）当通过加速度传感器或麦克风阵列识别到暴雨或意外泼溅的声学特征或振动频率时，控制单元执行以下操作：

56、向电磁棘轮机构的电磁线圈发送强制闭锁脉冲，脉冲电能由超级电容器组优先供给；

57、电磁线圈产生的电磁力缩回插销并施加机械扭矩，强制克服形状记忆合金弹簧的收缩力，将百叶窗拉至完全关闭位置；

58、插销在弹簧作用下重新伸出并卡入棘轮盘上的零位锁止槽中，将百叶窗物理锁止于完全关闭状态。

59、进一步地，在一些实施例中，控制单元内置优先级仲裁机制，按照安全级优先于维护级、维护级优先于节能级的优先级顺序，当多个控制指令发生冲突时，优先执行安全级指令。

60、本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

61、（1）本发明采用辐射制冷涂层使外壳温度低于环境，创造被动冷源；形状记忆合金拉伸弹簧与偏置复位弹簧构成差动对抗结构，配合电磁棘轮单向锁止，实现仅排气不进气的二极管式呼吸效应。控制单元利用ai模型执行毫秒级脉冲排气，在高湿时锁定百叶窗，利用相变材料热惯性憋气后瞬间排气锁死，杜绝湿气倒灌，将内部湿度稳定控制在＜60%rh，同时满足-40℃至+85℃宽温域散热。

62、（2）本发明采用迷宫进气道配合304不锈钢微孔网，抑制沙尘吸附与飞絮粘连；形状记忆合金弹簧微振（20-50hz）结合动态光谱驱虫，无需化学药剂或高压电网；暴雨时ai识别声学指纹，触发电磁棘轮零功耗机械锁死，底部单向硅胶膜阀自动排水。

63、（3）本发明通过热电、光伏、压电三种采集单元经pmic内置mppt分级汇流，储存于超级电容器，驱动ai与传感器，系统能量中性，无需外部供电。

64、（4）本发明的控制单元内置ai模型，ai模型采用常态微调结合急态接管的策略，内置安全级＞维护级＞节能级仲裁，覆盖极寒预热、沙尘吹扫、高温削峰等六大场景。设备掉电时保持5°-10°最小开度；70℃低熔点合金剪切销熔断后强制全开防热失控；pmic集成class iii防雷保护，确保极端工况下可靠运行。

65、（5）本发明相比传统空调/风扇方案节省100%主动功耗，mtbf提升3倍以上，全生命周期维护成本降低60%以上。