陳淑芳

福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院（福建 福州 350108）

0 引言

近幾年，我國科技水平不斷提高，基于紅外傳感器教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，該系統(tǒng)在具體的運(yùn)用中，可以利用紅外傳感器自動(dòng)化檢測(cè)教室內(nèi)光線的強(qiáng)度及教室內(nèi)學(xué)生的數(shù)量，當(dāng)教室內(nèi)無人且光線強(qiáng)度不符合照度要求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉照明燈，當(dāng)教室有人且光線強(qiáng)度符合照度要求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟照明燈，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。如何將紅外傳感器科學(xué)應(yīng)用于智能教室照明控制是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)紅外傳感器在具體的運(yùn)用中，僅僅能識(shí)別動(dòng)態(tài)的人體，無法識(shí)別靜止的人體，文章設(shè)計(jì)的基于紅外傳感器教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)，除了可以精確地識(shí)別動(dòng)態(tài)的人體，還能識(shí)別教師內(nèi)相對(duì)靜止的人體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)教室照明燈照明情況的智能化控制，以最大限度地提高學(xué)校節(jié)能降耗效果。

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

通常情況下，人體發(fā)出紅外線特定波長為10 μm左右，因此通過利用紅外熱釋電傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體信號(hào)的精確識(shí)別，然后采用電路放大或A/D轉(zhuǎn)化的方式，將最終的人體信號(hào)識(shí)別結(jié)果發(fā)送給單片機(jī)控制電路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)教室照明燈的自動(dòng)化、智能化控制和管理，從而真正地實(shí)現(xiàn)“人在燈開，人走燈關(guān)”的目標(biāo)[1]。

1.2 紅外傳感器設(shè)計(jì)

（1）紅外傳感器工作原理。通過借助熱釋電紅外傳感器的作用，盡可能控制自身溫度變化對(duì)人體信號(hào)的干擾程度，同時(shí)采用非接觸的方式，科學(xué)檢測(cè)人體釋放的紅外線信號(hào)變化情況，并將紅外線信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。紅外傳感器內(nèi)部含有多個(gè)晶硅片，這些晶硅片采用反向串聯(lián)的方式，使傳感器內(nèi)部陰極、陽極的干擾信號(hào)相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的有效補(bǔ)償。為了進(jìn)一步提高人體紅外線檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，還要將熱釋電傳感器安裝在不同的探測(cè)電元件上，確保傳感器正常、穩(wěn)定地輸出電壓信號(hào)[2-3]。

（2）紅外傳感器的動(dòng)態(tài)檢測(cè)解決方案。熱釋電紅外傳感器僅僅能有效地檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的人體，而學(xué)生在教室自習(xí)時(shí)，通常處于相對(duì)靜止的狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)幅度比較小的狀態(tài)，此時(shí)熱釋電紅外傳感器無法對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)和識(shí)別，為了解決該問題，現(xiàn)提出以下解決方案。首先要確保傳感器自動(dòng)產(chǎn)生幅度較小的運(yùn)動(dòng)，然后借助人體與傳感器兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，精確地檢測(cè)和識(shí)別人體信號(hào)。熱釋電紅外傳感器運(yùn)動(dòng)方式主要有以下兩種：①振動(dòng)方式。紅外傳感器振動(dòng)方式主要是指通過將傳感器安裝和固定在小型振動(dòng)器中，檢測(cè)和識(shí)別人體信號(hào)，并向控制電路傳輸最終的識(shí)別結(jié)果，使傳感器在振動(dòng)器的帶動(dòng)下小幅度振動(dòng)，以精確檢測(cè)和識(shí)別相對(duì)靜止的人體[4]。教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)將紅外傳感器的振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)周期、振動(dòng)頻率分別設(shè)置為每2 s、30 s和30 s一次，如果在半個(gè)月內(nèi)，探測(cè)區(qū)域內(nèi)沒有出現(xiàn)人體信號(hào)，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉教室內(nèi)所有照明燈，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。②擺動(dòng)方式。紅外傳感器擺動(dòng)方式主要是指?jìng)鞲衅髟趶椘淖饔孟律舷聰[動(dòng)，確保人體處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)彈片的正常擺動(dòng)，需要利用小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪，使彈片產(chǎn)生不同程度的擺動(dòng)。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在紅外傳感器的應(yīng)用背景下，要提高教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行性能，技術(shù)人員要嚴(yán)格按照教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)總體框圖（見圖1），不斷優(yōu)化和完善系統(tǒng)功能，然后通過科學(xué)檢測(cè)和識(shí)別探測(cè)區(qū)域內(nèi)人體信號(hào)，智能化控制照明燈，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

圖1 教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)總體框圖

2.1 熱釋電人體紅外檢測(cè)功能

在具體的設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員要從以下幾個(gè)方面入手。（1）各個(gè)物體自身溫度不同，發(fā)出的紅外線也存在很大的差異。通常情況下，人體正常體溫為37 ℃，此時(shí)，人體會(huì)輻射出一定強(qiáng)度的紅外線。該系統(tǒng)可以借助自身的熱釋電效應(yīng)，采用監(jiān)測(cè)人體紅外線特征的方式，科學(xué)感知和判斷人體是否存在。當(dāng)探測(cè)區(qū)域內(nèi)沒有人時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)教室環(huán)境溫度；當(dāng)探測(cè)區(qū)域內(nèi)有人時(shí)，該系統(tǒng)可以通過科學(xué)檢測(cè)和判斷教室環(huán)境溫度和人體溫度之間的差值，精確地確定人員數(shù)量。（2）熱釋電傳感器具有強(qiáng)大的過濾功能和透鏡功能，能將少量紅外線波長聚集到熱釋電元件中，同時(shí)還能過濾室內(nèi)燈光、室外太陽光，以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的有效識(shí)別。由此可見，通過科學(xué)設(shè)計(jì)熱釋電人體紅外檢測(cè)功能，可以精確地檢測(cè)教室內(nèi)是否存在人體，為后期自動(dòng)控制教室照明燈打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5]。

2.2 環(huán)境光強(qiáng)度檢測(cè)功能

環(huán)境光強(qiáng)度檢測(cè)功能在具體的設(shè)計(jì)中，主要借助室內(nèi)自然光線強(qiáng)度，采用電路組合的方式，精確地檢測(cè)光線強(qiáng)度電壓值，并向微電腦控制電路傳輸電壓信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光照度及光源開關(guān)狀態(tài)的智能化控制和管理[6]。

2.3 微電腦控制功能

微電腦控制功能在具體的運(yùn)用中，主要根據(jù)教室內(nèi)自然光線強(qiáng)度，精確分析和判斷教室內(nèi)是否有人，便于自動(dòng)化地控制和管理教室內(nèi)光照強(qiáng)度。微電腦與人體大腦功能類似，通過在微電腦內(nèi)設(shè)置一個(gè)光線強(qiáng)度閥值，并嚴(yán)格按照照度優(yōu)先順序，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈具的自動(dòng)化、智能化控制。在具體的設(shè)計(jì)中，主要借助紅外傳感器全面接收熱釋電信號(hào)，然后根據(jù)最終的接收的信號(hào)，科學(xué)分析和檢測(cè)教室內(nèi)是否有人。此外，為了提高學(xué)校節(jié)能降耗的效果，還要綜合分析和判斷教室自然光線強(qiáng)度，如果室內(nèi)自然光線強(qiáng)度滿足照度要求，那么仍然保持教室照明燈關(guān)閉設(shè)置狀態(tài)；如果室內(nèi)自然光線強(qiáng)度無法滿足照度要求，且探測(cè)區(qū)域內(nèi)有人時(shí)，需要將照明燈設(shè)置為開啟狀態(tài)。當(dāng)教室照明燈打開后，教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)仍然會(huì)自動(dòng)地檢測(cè)教室自然光線強(qiáng)度與人體是否存在等相關(guān)信息，如果發(fā)現(xiàn)教室自然光線強(qiáng)度滿足照明要求且探測(cè)區(qū)域內(nèi)沒有人時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將該探測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)的照明燈全部關(guān)閉，以起到節(jié)能降耗的作用[7]。

3 系統(tǒng)具體應(yīng)用

在沒有使用教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)之前，即使白天教室內(nèi)光線充足，學(xué)生在教室自習(xí)時(shí)，也會(huì)開啟所有燈具，造成電能的極大浪費(fèi)，同時(shí)也縮短了燈具的使用壽命。通過利用教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)智能化控制教室照明狀態(tài)，能起到節(jié)能降耗的作用。此外，該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的手動(dòng)控制功能，能針對(duì)學(xué)校上課時(shí)間安排情況，人為控制教室照明燈，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。為了更好地驗(yàn)證教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)的節(jié)能降耗效果，現(xiàn)將基于紅外傳感器教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用于某高校教室中。首先，在充分結(jié)合教室內(nèi)自然光線與教室朝向之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用類比實(shí)驗(yàn)的方式，分別選取了兩個(gè)陽面教室和兩個(gè)陰面教室，教室均能容納150人，房間面積為170 m2，所有燈具均為熒光燈，燈具數(shù)量為20盞，同時(shí)還在每個(gè)教室內(nèi)安裝了電度表，便于準(zhǔn)確記錄和統(tǒng)計(jì)教室用電情況。從節(jié)電器耗能試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果（見表1）可以看出，基于紅外傳感器教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)不僅具有非常高的節(jié)能降耗效果，降低了學(xué)校用電損耗量，還減小了系統(tǒng)維護(hù)成本，因此該系統(tǒng)應(yīng)該被廣泛地普及和應(yīng)用于各高校[8]。

表1 節(jié)電器耗能試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)束語

在紅外傳感器的應(yīng)用背景下，教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)在開發(fā)和應(yīng)用方面取得了很大的突破和創(chuàng)新，該系統(tǒng)不僅功能強(qiáng)大、通用性強(qiáng)，具有良好的用戶體驗(yàn)，還在學(xué)校用電領(lǐng)域中取得了顯著的應(yīng)用效果，因此深受廣大用戶的青睞。為了方便后期系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)，需要相關(guān)軟件開發(fā)人員再接再厲，用更加精確的代碼擴(kuò)充更多適用的功能，從而為促進(jìn)教室照明自動(dòng)控制系統(tǒng)健康、可持續(xù)發(fā)展，提高其應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景提供有力的保障。