牛通之+武翀

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有風(fēng)扇空轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的浪費(fèi)，能量利用率低的問題，在對(duì)現(xiàn)有風(fēng)扇調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款人體追蹤節(jié)能風(fēng)扇，通過采用紅外熱釋電傳感器實(shí)現(xiàn)人體追蹤，達(dá)到風(fēng)扇始終面向人體工作的功能；同時(shí)結(jié)合測(cè)距/測(cè)溫傳感器調(diào)節(jié)風(fēng)扇風(fēng)速。本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)制作了落地扇與臺(tái)式風(fēng)扇兩種家庭常用電扇，均達(dá)到了較理想的效果。測(cè)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)可有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目的。

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排；風(fēng)扇；人體追蹤；紅外熱釋電

中圖分類號(hào)：TN2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）09-0066-02

1 項(xiàng)目背景

電風(fēng)扇是一種應(yīng)用廣泛的家用電器，主要用于清涼解暑與空氣流通，具有低成本、低能耗的優(yōu)勢(shì)，廣泛用于家庭、辦公室、商店、醫(yī)院和賓館等場(chǎng)所，加之現(xiàn)有空調(diào)容易造成“空調(diào)病”等問題，不適合老人、小孩等體質(zhì)較弱的人群使用，因而電扇仍是許多消費(fèi)者的優(yōu)先選擇[1]。中國(guó)年鑒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，電扇銷售量仍然非常巨大，每年約為350萬臺(tái)。擺頭式風(fēng)扇有掃風(fēng)和直風(fēng)兩種工作模式：掃風(fēng)模式時(shí)，風(fēng)扇以固定角度擺動(dòng)送風(fēng)，易造成空程浪費(fèi)，能量利用率低；直風(fēng)模式下，風(fēng)扇朝固定方向送風(fēng)，不能滿足人體運(yùn)動(dòng)的特性。另外，風(fēng)扇風(fēng)速一般不能根據(jù)人體遠(yuǎn)近、溫度等實(shí)際使用情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，浪費(fèi)電能的同時(shí)降低了風(fēng)扇使用效果。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)針對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)扇的改進(jìn)多體現(xiàn)在拓展了“搖頭”，“自然風(fēng)”等功能，而并不能滿足當(dāng)今社會(huì)日益增長(zhǎng)的對(duì)于智能化的需求。通過進(jìn)行相關(guān)問卷調(diào)查，消費(fèi)者也普遍反映風(fēng)扇存在檔位過少，轉(zhuǎn)角固定等問題，因此，實(shí)現(xiàn)電風(fēng)扇的智能化、人性化及節(jié)能效果十分有前景。

現(xiàn)有人體追蹤的方式包括攝像頭識(shí)別以及紅外檢測(cè)等方式，目前最常用且成本較低的方式為利用紅外檢測(cè)方式。本文通過對(duì)紅外熱釋電技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)新，將紅外熱釋電傳感器應(yīng)用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而應(yīng)用于民用家居領(lǐng)域，為該領(lǐng)域的深入研究奠定基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體組成及處理流程

本系統(tǒng)以風(fēng)扇追蹤人體為目的，系統(tǒng)的主要組成模塊是傳感器檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)動(dòng)模塊、信號(hào)處理控制模塊、轉(zhuǎn)速控制模塊以及電源模塊組成。

2.2 模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 傳感器檢測(cè)模塊

紅外熱釋電檢測(cè)模塊由光學(xué)透鏡、紅外熱釋電傳感器以及傳感器殼體組成。光學(xué)透鏡部分包括一個(gè)平凸透鏡與一個(gè)菲涅爾透鏡。

菲涅爾透鏡與PIR探頭搭配使用時(shí)的作用有兩個(gè)：一是聚焦熱釋紅外信號(hào)折射（反射）于PIR探頭上；二是提高靈敏度。

菲涅爾透鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其擁有大的探測(cè)視場(chǎng)，視場(chǎng)角一般大于100°，因此具有目標(biāo)探測(cè)范圍寬，產(chǎn)生的信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，信號(hào)波形呈振蕩衰減趨勢(shì)等特點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，理想的傳感器探測(cè)角度小同時(shí)又要求有一定的探測(cè)范圍。為滿足以上要求，在菲涅爾透鏡前加一凸透鏡以使視場(chǎng)角減小。在本設(shè)計(jì)中，物距為1m-2m，選擇物距為1m，則視場(chǎng)角為17.06°，相距=33mm。

2.2.2 紅外熱釋電信號(hào)處理模塊

PIR探頭的輸出信號(hào)非常微弱，大小只有幾毫伏，因此輸出的信號(hào)需要經(jīng)過放大、濾波處理。利用BISS0001芯片對(duì)紅外熱釋電傳感器傳感信號(hào)處理，靜態(tài)電流極小，可靠性較高。

2.2.3 轉(zhuǎn)向模塊設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向模塊設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使得傳感器平面及風(fēng)扇平面可以在一定范圍內(nèi)精確擺動(dòng)。

風(fēng)扇工作時(shí)，系統(tǒng)控制風(fēng)扇以最大幅角擺頭，同時(shí)紅外傳感器搜索人體信號(hào)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到人體紅外信號(hào)時(shí)，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，使風(fēng)扇頭在有信號(hào)范圍內(nèi)擺動(dòng)。圖1為押解智能調(diào)節(jié)框圖。

2.2.4 風(fēng)速智能調(diào)節(jié)模塊

風(fēng)速智能模塊由溫度/距離傳感器、信號(hào)處理電路、無刷直流電機(jī)組成，溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境溫度，結(jié)合微氣候環(huán)境PMV公式，得到不同環(huán)境溫度下適宜的風(fēng)速值，并通過調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速調(diào)節(jié)。在自動(dòng)模式下，風(fēng)速隨環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，在保證人體舒適度，尤其在保障夜間睡眠舒適度的同時(shí)，有效降低能耗。圖2為風(fēng)速智能調(diào)節(jié)框圖。

2.2.5 信號(hào)處理控制模塊

信號(hào)處理控制模塊通過對(duì)傳感器檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行接受處理，控制電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的追蹤以及電機(jī)調(diào)速。本設(shè)計(jì)中采用STC89C52RC為控制芯片的控制系統(tǒng)。

3 目標(biāo)信號(hào)采集分析與處理方法研究

3.1 人體紅外信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)及特性

3.1.1 PIR探頭紅外信號(hào)采集

為探究人體紅外參數(shù)與傳感器響應(yīng)關(guān)系，首先應(yīng)對(duì)PIR探頭的輸出信號(hào)進(jìn)行獲取、分析，同時(shí)也便于后期信號(hào)處理。實(shí)驗(yàn)方法：按如下所示連接電路，其中放大器增益設(shè)置為60dB。測(cè)試時(shí)用手指靠近PIR的檢測(cè)元表面，用示波器直接測(cè)量輸出端對(duì)地電壓。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)檢測(cè)對(duì)象（手指）遠(yuǎn)離探頭，或是靠近不動(dòng)時(shí)，傳感器輸出為一條直線，當(dāng)目標(biāo)靠近時(shí)，輸出類似于一個(gè)正弦波周期的波形。在檢測(cè)對(duì)象沒有靠近傳感器時(shí)，探頭的兩個(gè)敏感元均沒有感應(yīng)到信號(hào)，因此輸出為直線。而檢測(cè)對(duì)象在探頭前靜止時(shí)，兩個(gè)敏感元件感應(yīng)到的輻射能量基本相同，從而互相抵消，對(duì)外顯示無信號(hào)，因此輸出也為一條直線。當(dāng)檢測(cè)對(duì)象出現(xiàn)在探頭前端時(shí)（或者在探頭前端移出），兩個(gè)敏感元件感應(yīng)到輻射能量不同，因此產(chǎn)生信號(hào)輸出。

3.1.2 傳感器模塊輸出信號(hào)采集分析

在PIR探頭后級(jí)加上信號(hào)調(diào)理電路后，使得傳感器最終輸出為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而輸入到控制器中進(jìn)行運(yùn)算處理。利用邏輯分析儀檢測(cè)獲取傳感器在不同輸入情況下輸出的數(shù)字波形，可以獲取傳感器模塊的輸入與輸出之間的關(guān)系，為數(shù)字信號(hào)處理提供思路。

實(shí)驗(yàn)方法：將傳感器模塊供電后，置于1m高的位置；以人體為檢測(cè)對(duì)象，在人未進(jìn)入檢測(cè)范圍時(shí)、進(jìn)入檢測(cè)范圍時(shí)、在檢測(cè)范圍內(nèi)靜止時(shí)與走出檢測(cè)范圍時(shí)提取波形進(jìn)行分析。

傳感器模塊在人未進(jìn)入范圍時(shí)輸出低電平；當(dāng)人走進(jìn)或走出檢測(cè)范圍時(shí)，才檢測(cè)到有信號(hào)輸入，輸出高電平脈沖。但是當(dāng)人在檢測(cè)范圍內(nèi)靜止不動(dòng)時(shí)則不產(chǎn)生電平變化，一直輸出低電平

3.2 信號(hào)處理方法及實(shí)驗(yàn)分析

3.2.1 信號(hào)處理

根據(jù)邏輯分析儀采集的波形信息，可以發(fā)現(xiàn)傳感器的輸出信號(hào)類似于機(jī)械按鍵摁下時(shí)發(fā)生的抖動(dòng)，原因在于傳感器的系統(tǒng)欠阻尼。在信號(hào)的上升沿加入適當(dāng)?shù)难舆t可以有效地避免這一影響。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)分析

將風(fēng)扇安裝好后，對(duì)其進(jìn)行整機(jī)測(cè)試。在室內(nèi)環(huán)境下，夜晚8：00-9：00，室溫為26℃條件，周圍無其他熱源條件下，在單人使用時(shí)，風(fēng)扇可以較為準(zhǔn)確地對(duì)人體進(jìn)行跟蹤，使用距離為2m。

3.2.3 節(jié)能效益分析

以2014年武漢市氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，若家庭采用本作品取代現(xiàn)有風(fēng)扇，在氣溫達(dá)到29攝氏度時(shí)，用戶開始使用風(fēng)扇，其日均使用時(shí)間為4小時(shí)，其中在7、8、9三月間溫度達(dá)到32攝氏度時(shí)，用戶整夜使用風(fēng)扇。因此本作品：

全年日間節(jié)電量：

W=42.3w×4h×89d×26.7%=4kw.h

全年夜間節(jié)電量：

W=（0.42-0.087）w×65d=21.645kw.h

綜上：若居民使用本作品代替現(xiàn)有普通風(fēng)扇，年均節(jié)電量25.6kw·h左右。如本作品批量生產(chǎn)，成本會(huì)進(jìn)一步降低。由于電風(fēng)扇的需求量巨大，推廣使用必將產(chǎn)生可觀的節(jié)能效益。

4 結(jié)語(yǔ)

在本設(shè)計(jì)中，主要目的是利用紅外熱釋電傳感器追蹤人體，使風(fēng)扇隨人的移動(dòng)而調(diào)整，正對(duì)人吹風(fēng)，減少電扇空吹時(shí)能源浪費(fèi)；其次還利用超聲波傳感器與溫度傳感器控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，從而使風(fēng)扇更為節(jié)能。

作品綜合運(yùn)用了智能控制、傳感器、機(jī)電一體化等技術(shù)，通過武漢產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所對(duì)本作品進(jìn)行的能耗及噪聲檢測(cè)，結(jié)果顯示其功耗、風(fēng)量、噪聲等性能參數(shù)良好，達(dá)到了節(jié)能降噪的目的。通過市場(chǎng)調(diào)研，市民對(duì)本作品期望值較高，存在購(gòu)買意向。作為一款家用型風(fēng)扇，其能夠在提升用戶體驗(yàn)的同時(shí)節(jié)約電能，具有良好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。

本設(shè)計(jì)雖實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，但仍存在諸多問題，需進(jìn)一步解決和完善。

參考文獻(xiàn)

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