劉遠社

(西南民族大學電氣信息工程學院，四川 成都 610041)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活條件不斷改善，辦公學習環(huán)境也隨之日益優(yōu)化.與之相應(yīng)的公眾場所的空調(diào)使用率越來越高，用電量占比越來越大.然而人們的公眾節(jié)能意識卻相對落后，自覺性不強，特別是像學校教室這樣的學習場所，學生學習結(jié)束離開時通常不會主動去關(guān)閉空調(diào)和照明燈，造成電能浪費比較嚴重.因此，教室的節(jié)能控制成為學校有關(guān)部門的頭痛問題，制定許多節(jié)能條款或采用人為的方法來加以控制，但效果并不理想，也不符合科學發(fā)展觀.隨著科技的進步，智能節(jié)能控制的理念已進入人們的日常生活.人們活動場合的智能節(jié)能控制實質(zhì)上就是通過對人存在與否的判斷和特定量(如溫度、照度等)的測量來實現(xiàn)自動控制，對人的存在與否以及數(shù)量多少的判斷主要有監(jiān)控視頻分析[1-2]、熱釋電紅外監(jiān)控判斷[3-5]和紅外對管計數(shù)[6-8].智能監(jiān)控視頻分析成本較高且需要相應(yīng)的軟件支持；熱釋電紅外監(jiān)控系統(tǒng)受環(huán)境影響較大且無法區(qū)分人員的分布情況；紅外對管計數(shù)雖然簡單易行，但實際安裝位置和使用過程受限.而目前報道的有關(guān)節(jié)能控制系統(tǒng)多是針對照明電燈[9-12]，對用電較大且日益普及的空調(diào)在使用中的節(jié)能控制研究較少.

微波傳感器是利用微波的多普勒效應(yīng)來探測物體的位置移動、速度、距離等信息的器件，在公共場所的自動報警控制及智能家居方面已獲得越來越多的應(yīng)用[13-16].由于微波傳感器比紅外傳感器在耐候性(不受溫度、氣流、灰塵等影響)和距離方面更勝一籌，可以安裝在一定厚度的塑料、玻璃、木制等非金屬的外殼里面，而對其探測能力沒有影響，且隨著微波傳感器價格的降低，在許多應(yīng)用領(lǐng)域有逐漸取代紅外傳感器之勢.本文基于微波傳感器提出了一套相對可靠的教室節(jié)能控制系統(tǒng).

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

系統(tǒng)以微波傳感器為核心，主要由人體感應(yīng)系統(tǒng)、照度測控系統(tǒng)和溫度測控系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)組成如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理圖Fig.1 System structure and schematic diagram

首先微波傳感器感應(yīng)教室是否有人，如果教室無人，繼電器KA斷開，相應(yīng)系統(tǒng)關(guān)閉；如果教室有人存在，繼電器KA閉合接通，照度測控系統(tǒng)和溫度測控系統(tǒng)啟動；然后，照度傳感器檢測室內(nèi)照度是否低于一定值EL(如300lx)，如果低于該值，繼電器KA1閉合接通，燈光照明啟動，否則，燈光照明關(guān)閉.與此同時溫度傳感器檢測室內(nèi)溫度，如果溫度高于一定值tH(如25℃)，繼電器KA2閉合接通，風扇電路啟動，否則斷開；如果溫度高于某一值tH(如25℃)或低于某一值tL(如15℃)，繼電器SSR閉合接通，空調(diào)電路啟動，否則斷開.

1.1 人體感應(yīng)系統(tǒng)

微波傳感器由微波發(fā)射器定向發(fā)出微波信號，遇到被測物體時，微波信號部分被吸收，部分被反射，利用微波接收器的天線接收被測物體反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換成電信號，再由測量電路處理，實現(xiàn)對被測物體的測量判斷.為了可靠的感應(yīng)室內(nèi)人體，微波傳感器的感應(yīng)角度不能太大，以90°左右為宜，感測距離2～20m為佳，可選用GH-719C微波傳感器.

GH-719C微波傳感器，工作于X波段(10.525/10.687GHz)，是在國際電聯(lián)規(guī)定的無需申請使用頻點的ISM頻段，其功率密度1m處0.7 μW/cm2，遠小于國家環(huán)境電磁波衛(wèi)生一級標準(＜10 μW/cm2)，對人體不會構(gòu)成安全危害，且墻壁等遮擋物外的物體對其干擾很小.微波感應(yīng)模塊信號處理采用單片機程序分析，可靠性高.直接加直流3.5～20V電源即可工作，電路板上有16級靈敏度調(diào)整，使感應(yīng)距離在0.8～30米內(nèi)可調(diào).4種觸發(fā)模式選擇，使輸出信號延時2～30s可調(diào).在此時間內(nèi)，模塊以每秒30次的頻率，不斷的檢測，在檢測到人體的每一次活動(包括肢體移動)后會自動順延相應(yīng)的時間，如此重復(fù)，直到人離開檢測范圍為止.電路如圖2所示.

220V交流電經(jīng)整流、穩(wěn)壓，為微波傳感器GH719C提供12V的工作電壓，當GH719C感受到移動人體時，輸出一個3V的高電平電壓，驅(qū)動三極管T1飽和導(dǎo)通，使常開繼電器 KA吸合，通過穩(wěn)壓器LM7805為后繼電路提供工作電壓，為照度測控系統(tǒng)和溫度測控系統(tǒng)做好正常工作的準備.

1.2 照度測控系統(tǒng)

照度測控系統(tǒng)由LX1970集成可見光亮度傳感器構(gòu)成，電路如圖3所示.

圖2 人體感應(yīng)控制電路Fig.2 Human body induction control circuit

圖3 照度測控電路Fig.3 Illuminance measurement and control circuit

LX1970芯片中包含PIN型光電二極管、高增益放大器和兩個互補式電流輸出端.光電二極管的光譜特性及靈敏度都與人眼十分相似，能代替人眼感受環(huán)境亮度的明暗程度，并將接受到的可見光轉(zhuǎn)換成電流信號，在峰值波長520nm處電流靈敏度為0.38 μA/lx，暗電流為10nA.按照國家教室照明標準，在最低300lx環(huán)境照度下，測得LX1970電流輸出約40 μA，通過電阻R2、R3將其轉(zhuǎn)換為0.83V的控制電壓USRC加在比較器LM311的反相輸入端.比較器的同相輸入端接參考電壓，該電壓可根據(jù)實際情況通過電位器RP來調(diào)節(jié).這樣，當參考電壓設(shè)定為0.83V時，如果教室照度低于特定值300lx，LX1970輸出的電壓USRC就低于比較器的參考電壓，比較器輸出高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器KA1吸合，照明燈電路接通，否則，斷開.

1.3 溫度測控系統(tǒng)

溫度測控系統(tǒng)由DS1620集成溫度控制器構(gòu)成，電路如圖4所示.

DS1620集成溫度控制器內(nèi)部包含溫度傳感器、溫度-數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路和溫度控制器.溫度范圍-55～125℃，分辨力0.5℃，適配各種微處理器或單片機，構(gòu)成智能化溫控系統(tǒng).控制的上限溫度和下限溫度也可由用戶通過三線串行接口輸入，并且可通過內(nèi)部的EPROM由用戶設(shè)定，構(gòu)成獨立模式.獨立使用時CLK/時鐘輸入端/控制端接低電平，以便連續(xù)進行溫度-數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；為復(fù)位端，該端接低電平時將DS1620復(fù)位，I/O端變?yōu)楦咦钁B(tài).當溫度t＞tH(上限溫度)時，高溫觸發(fā)端TH輸出高電平；當溫度t＜tL(下限溫度)時，低溫觸發(fā)端TL輸出高電平.高、低溫組合觸發(fā)端TCOM具有滯后溫度特性，在升溫過程中，當溫度t＞tH時，該端變?yōu)楦唠娖?；而當溫度下降到tH時，仍保持高電平，只有當t＜tL時才恢復(fù)成低電平.

在圖4中，通過DS1620的TCOM端觸發(fā)控制三極管T3的導(dǎo)通，進而控制電風扇的啟動.TH和TL觸發(fā)端經(jīng)7486異或門控制SSR-10DA單相固態(tài)繼電器，進而控制空調(diào).SSR-10DA為交流型固態(tài)繼電器，輸入電路采用了光電耦合器，開關(guān)輸出端采用雙向可控硅閘流管，被控制電路串聯(lián)在兩輸出的交流端上.它具有控制靈活、壽命長、防爆和無機械接點，輸入直流控制電壓3～32V，電流大于5mA；輸出交流電壓24～380V，電流10A.

圖4 溫度測控電路Fig.4 Temperature measurement and control circuit

2 安裝與調(diào)試

為了增強系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)根據(jù)教室的大小、方位，合理安裝，適當調(diào)試.

(1)GH-719C微波傳感器電路板上有4個標有0、1、2、3的連接點，可按二進制短路連接實現(xiàn)16級靈敏度調(diào)整.4個連接點短路為1，斷開為0，全部短路，靈敏度最高，感應(yīng)距離最大；4個連接點斷開，感應(yīng)距離最近.即:1:0000；2:0001；3:0010；4:0011；5:0100；6:0101；7:0110；8:0111；9:1000；a:1001；b:1010；c:1011；d:1100；e:1101；f:1110；g:1111，這樣感應(yīng)距離在0.8～30米內(nèi)可調(diào).GH-719微波傳感器方位角80°，俯仰角40°.因此，對于60座左右的小教室，靈敏度一般可調(diào)整為0100；90座左右的中等教室，靈敏度可調(diào)整為0110；對于120座左右的大教室，靈敏度可調(diào)整為1000.微波傳感器可安裝在教室內(nèi)前門上方靠墻角處，使傳感器的法線指向教室中心的桌面，同時注意感應(yīng)范圍避開吊扇.對于120座以上的階梯教室，微波傳感器宜安裝在教室內(nèi)后門上方靠墻角處，感應(yīng)距離根據(jù)教室的具體大小來調(diào)節(jié)，安裝位置如圖5所示.

另外微波傳感器電路板上還有2個標有4、5的連接點，可按二進制短路連接實現(xiàn)4種觸發(fā)模式選擇.00為不可重復(fù)觸發(fā)摸式:探測到移動物體，輸出3s高電平信號后停止，延時2s再檢測，探測到移動物體又輸出2s，依次循環(huán).直到探測不到移動物體，高電平信號輸出停止.0 1為可重復(fù)觸發(fā)模式，延時時間2s:探測到移動物體，輸出2s高電平信號，在2s時間內(nèi)，模塊以每秒30次的頻率不斷的檢測，如果再次探測到物體移動，時間繼續(xù)延時2s，直到探測不到移動物體，高電平信號延時2s后停止.10為可重復(fù)觸發(fā)模式，延時時間10s:探測到移動物體，輸出10s高電平信號，如此重復(fù)，直到探測不到移動物體，高電平信號延時10s后停止.11為可重復(fù)觸發(fā)模式，延時時間30s:探測到移動物體，輸出30s高電平信號，不斷重復(fù)檢測，直到探測不到移動物體，高電平信號延時30s后停止.因此，對于教室監(jiān)控以11可重復(fù)觸發(fā)模式為佳.

(2)可見光亮度傳感器及照度測控系統(tǒng)可安裝在教室的中央頂部，避開吊扇遮擋.如果還要保留現(xiàn)有的人工控制開關(guān)，可將可見光亮度傳感器及照度測控系統(tǒng)安裝在人工開關(guān)上方靠近教室頂部的位置，并將人工控制開關(guān)串在照度控制系統(tǒng)輸出端，傳感器感光窗口應(yīng)避免陽光和燈光直射.對于大教室，可根據(jù)其結(jié)構(gòu)和布局安裝幾個照度控制裝置實行前后或左右分區(qū)控制.傳感器安裝位置的照度畢竟和桌面的照度有差別，可根據(jù)實際情況現(xiàn)場調(diào)節(jié)圖3中的照度控制電位器RP以滿足最佳需求.

(3)對于90以下座位的教室，由于室內(nèi)面積較小，通常只安裝一臺空調(diào)，空調(diào)基本安裝在講臺旁對前門的位置.這樣，溫度傳感器及其測控系統(tǒng)可安裝在教室前墻面靠窗方向的上方.對于90以上座位的大教室，如果教室前、后各安裝一臺空調(diào)，那么，還可在教室后墻面中央上方再安裝一套溫度測控系統(tǒng)，以實現(xiàn)前后分區(qū)控制.但是，由于電扇開關(guān)一般都安裝在教室進門側(cè)的墻上，為了兼顧電扇的控制，減少線路的長度，也可將溫度控制系統(tǒng)安裝在原電扇開關(guān)的上方附近.或?qū)⒄麄€節(jié)能控制系統(tǒng)有機組合在一起整體安裝，這樣有利于施工和以后的維修.

圖5 系統(tǒng)安裝位置示意圖Fig.5 System installation location schematic diagram

3 結(jié)論

本系統(tǒng)是利用微波傳感器來探測室內(nèi)是否有人存在，可見光亮度傳感器檢測室內(nèi)照度，溫度傳感器檢測室內(nèi)溫度，與控制電路一起構(gòu)成節(jié)能控制系統(tǒng).由于信號采集全部采用集成傳感器，簡化了硬件電路的設(shè)計，降低了系統(tǒng)的成本和功耗，提高了穩(wěn)定性和可靠性.另外，系統(tǒng)耐候性好，抗干擾能力強，覆蓋面廣，沒有死角盲區(qū)，調(diào)節(jié)方便，可根據(jù)不同大小及不同方位結(jié)構(gòu)的辦公學習場所適時調(diào)整使用.特別是像政府辦公區(qū)域，人員多、流動無規(guī)律，這樣的節(jié)能控制系統(tǒng)更顯得必要，有巨大的推廣價值.如果要進一步提高控制的準確性，微波傳感器可與紅外傳感器組合來判斷室內(nèi)人員的有無及分布情況，實現(xiàn)分區(qū)域監(jiān)控.該系統(tǒng)的使用不但可以改變現(xiàn)階段依靠管理員人為關(guān)電的尷尬情況，還將在保障良好的辦公、教學環(huán)境情況下有效地節(jié)約電力資源.

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