魏芳蓉,賈智凱,賈紫茹,郭煥煥
(西安石油大學(xué),陜西 西安 710300)
隨著現(xiàn)代化信息科技的不斷發(fā)展,人們?cè)絹?lái)越追求更精致、更便捷的生活方式?,F(xiàn)如今,人類已經(jīng)逐步置身于信息時(shí)代,而作為信息獲取最重要和最基本的智能傳感器技術(shù),也得到了極大的發(fā)展,它已經(jīng)走入人們的生活,并且影響到了生活的各個(gè)方面??v觀世界能源發(fā)展形勢(shì),資源的短缺、環(huán)境的惡化,使得可持續(xù)發(fā)展早已成為熱門話題,引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注,在這篇文章中,我們將目光對(duì)準(zhǔn)智能傳感器在生活中應(yīng)用漏洞以及部分“劣質(zhì)”傳感器的優(yōu)化研究。
通過(guò)實(shí)地考察,我們發(fā)現(xiàn)傳感器技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到人們生活中的方方面面,如利用人體紅外感應(yīng)的自動(dòng)沖水馬桶、利用踏板與人體感應(yīng)技術(shù)的自動(dòng)感應(yīng)門、電子秤、溫度報(bào)警器、手機(jī)等,可見(jiàn)智能傳感器已經(jīng)在人們的生活中得到廣泛使用并極大優(yōu)化了人們的生活。但是與此同時(shí),我們?cè)谡{(diào)研過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了傳感器的不合理使用及應(yīng)用匱乏之處,如沖水馬桶的不合理感應(yīng)造成水資源浪費(fèi)、電燈與智能傳感器的高效結(jié)合等,本文對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行了分析與改進(jìn),使傳感技術(shù)更合理、更有效地優(yōu)化人們的生活。
水資源的浪費(fèi)情況在人們的生活中隨處可見(jiàn)。根據(jù)我們的觀察,公共場(chǎng)所衛(wèi)生間所安裝的蹲便器大多數(shù)是自動(dòng)按壓式或者腳踏式,少部分是感應(yīng)蹲便器,而自動(dòng)按壓式或腳踏式?jīng)_污方式比較不衛(wèi)生,且通常處理不干凈,而另一種感應(yīng)蹲便器一次沖水3~5 L,且其感應(yīng)方式為通過(guò)紅外線感應(yīng)人體信息(即熱源)而發(fā)出信號(hào),如果存在“誤感”即感應(yīng)不合理,則會(huì)造成大量的水資源浪費(fèi)。且這種人體紅外感應(yīng)器需要通電才能正常運(yùn)行,所以增加了一個(gè)電費(fèi)成本,且在停電等突發(fā)情況中,影響較大。我們將改進(jìn)這類傳感器。
通過(guò)觀察,我們發(fā)現(xiàn)大部分自動(dòng)感應(yīng)蹲便器存在下列問(wèn)題。蹲便器感應(yīng)沖水器是通過(guò)紅外線反射原理,當(dāng)人體在蹲便器的紅外線區(qū)域內(nèi),紅外線感應(yīng)器接收到感應(yīng)信號(hào)傳遞給電磁閥通過(guò)控制閥芯進(jìn)行沖水,但每當(dāng)人剛蹲下方便時(shí),沖水系統(tǒng)便開(kāi)始工作,充足的水量以及較大的沖力,很可能會(huì)將水濺在人的身體部位,如此十分不衛(wèi)生且不夠經(jīng)濟(jì)合理。
我們計(jì)劃將紅外線連續(xù)兩次沖水設(shè)為一個(gè)周期,并設(shè)置兩個(gè)感應(yīng)回路。當(dāng)感應(yīng)器進(jìn)行人體紅外感應(yīng)后,通過(guò)集成線路內(nèi)的微電腦處理后的信號(hào)發(fā)送給脈沖電磁閥1和2,電磁閥1接收信號(hào)后按指定的指令打開(kāi)閥芯來(lái)控制閥門小流量沖水,進(jìn)行池壁潤(rùn)濕,之后感應(yīng)回路1停止工作,而另一感應(yīng)回路繼續(xù)處于待定工作狀態(tài),此時(shí)機(jī)器不進(jìn)行沖洗,當(dāng)人體離開(kāi)紅外線感應(yīng)范圍后,感應(yīng)大便器才開(kāi)始進(jìn)行大流量沖洗,最后通過(guò)電磁閥閥芯內(nèi)部的彈簧進(jìn)行復(fù)位來(lái)控制大便器的關(guān)水,大便感應(yīng)沖水器的沖洗時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間按設(shè)定的指令工作。
但紅外線感應(yīng)器仍需電源維持工作,如若設(shè)計(jì)不佳必定造成大量的電量消耗。因此我們對(duì)其用電設(shè)施進(jìn)行改造,將沖水管道接到上面,水從上往下進(jìn)行俯沖,這個(gè)過(guò)程會(huì)出現(xiàn)重力勢(shì)能,根據(jù)能量守恒將這種勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能,即在馬桶內(nèi)部安裝一個(gè)類似風(fēng)力發(fā)電的螺旋槳,水沖下的時(shí)候會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)螺旋槳就是產(chǎn)生電能從而提供了感應(yīng)所需要的電,并設(shè)置蓄電裝置,以應(yīng)對(duì)停電等突發(fā)情況。如此便解決了電量大量消耗的弊端。
紅外感應(yīng)沖水蹲便器原理流程如圖1所示。
我國(guó)是一個(gè)資源短缺的國(guó)家,但在日常生活中,人們并沒(méi)有意識(shí)到這一點(diǎn)。以室內(nèi)照明為例,在很多公共場(chǎng)所都采用手動(dòng)開(kāi)關(guān),經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)人空燈開(kāi)的現(xiàn)象,從而造成能源的浪費(fèi),也會(huì)縮短燈具的使用壽命。據(jù)測(cè)算,高校教學(xué)樓耗電量約占學(xué)??偤碾娏康?0%。一個(gè)教室平均大約有25根電棒管,而一根電棒管(一般為40 W)開(kāi)半天大約費(fèi)0.4度電,而一個(gè)教室就是10度電,每天大約有7個(gè)教室沒(méi)有關(guān)燈的習(xí)慣,一年大約會(huì)浪費(fèi)25 550度電,若擴(kuò)大范圍到西安所有高校,那么一年所造成的資源浪費(fèi)不計(jì)其數(shù)。因此,高效的照明技術(shù)應(yīng)該被廣泛地使用。針對(duì)這一現(xiàn)象,有必要采用一種智能控制系統(tǒng)。
圖1 紅外感應(yīng)沖水蹲便器原理流程
我們利用光敏智能傳感器,通過(guò)對(duì)外界光信號(hào)做出敏感反應(yīng),將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),觸動(dòng)電源開(kāi)關(guān)感應(yīng),在高亮度時(shí),開(kāi)啟智能節(jié)電模式直至關(guān)閉開(kāi)關(guān);低光度時(shí),又可以自動(dòng)點(diǎn)亮,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān),智能控制。且通過(guò)在整個(gè)封閉空間設(shè)置大型自動(dòng)感應(yīng)燈,利用紅外線感應(yīng)技術(shù),當(dāng)有人進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí),專用傳感器探測(cè)到人體紅外光譜的變化,開(kāi)關(guān)自動(dòng)接通負(fù)載。人不離開(kāi)且在活動(dòng),開(kāi)關(guān)持續(xù)導(dǎo)通;人離開(kāi)后,開(kāi)關(guān)延時(shí)自動(dòng)關(guān)閉負(fù)載,人到燈亮,人離燈熄,親切方便,安全節(jié)能。
即使如此,光敏感應(yīng)仍易受到天氣、溫度、環(huán)境等的影響,我們?cè)O(shè)想如何在此基礎(chǔ)上做到更為精準(zhǔn)的控制和更為有效的節(jié)能呢?通過(guò)調(diào)查我們發(fā)現(xiàn),各大高校的自習(xí)室、教室通常使用折疊式椅子,我們將教室內(nèi)的椅子根據(jù)吊燈所在范圍進(jìn)行區(qū)域化劃分,在椅子靠背處設(shè)置人體紅外感應(yīng)器,且此區(qū)域處所有椅子的感應(yīng)器與此區(qū)域?qū)?yīng)電燈的開(kāi)關(guān)成并聯(lián)連接。當(dāng)此區(qū)域有人坐下時(shí),通過(guò)紅外感應(yīng),感應(yīng)器進(jìn)行工作并隨即觸發(fā)所在區(qū)域處電燈電源開(kāi)關(guān),燈亮;當(dāng)此區(qū)域所有感應(yīng)消失時(shí),即此區(qū)域無(wú)人時(shí),通過(guò)并聯(lián)控制,燈滅。此方案既保證了必要的照明、實(shí)現(xiàn)了燈源的智能化控制,又因?yàn)樽坏倪x擇具有隨機(jī)性不會(huì)存在個(gè)別損壞嚴(yán)重的情況,只需進(jìn)行定期檢查維護(hù),高效又經(jīng)濟(jì)。
通過(guò)我們的觀察發(fā)現(xiàn),在進(jìn)行淋浴的時(shí)候,80%的人都缺少在不用水時(shí)主動(dòng)關(guān)閉淋浴頭的意識(shí),而淋浴時(shí)候的用水量很大,如此造成的浪費(fèi)便不計(jì)其數(shù)。
為了解決這個(gè)問(wèn)題,我們嘗試采用紅外線感應(yīng)器以及電位器式位移感應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)而達(dá)到節(jié)約水資源的效果。
1.3.1 紅外線感應(yīng)器
紅外線感應(yīng)器的原理是通過(guò)紅外線反射,當(dāng)人體的某一部分在紅外線區(qū)域內(nèi),紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線由于人的身體遮擋反射到紅外線接收管,通過(guò)集成線路內(nèi)的微電腦處理后的信號(hào)發(fā)送給脈沖電磁閥,電磁閥接收信號(hào)后按指定的指令打開(kāi)閥芯來(lái)控制水龍頭出水;當(dāng)人的身體離開(kāi)紅外線感應(yīng)范圍,電磁閥沒(méi)有接收信號(hào),電磁閥閥芯則通過(guò)內(nèi)部的彈簧進(jìn)行復(fù)位來(lái)控制關(guān)水。
我們?cè)O(shè)計(jì)的紅外線感應(yīng)器包含兩個(gè)主要部分:手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)、自動(dòng)感應(yīng)設(shè)備。其中紅外線感應(yīng)器控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行等級(jí)調(diào)節(jié)從而控制水流量:當(dāng)人們打開(kāi)手動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí),位于淋浴頭處的紅外線感應(yīng)器開(kāi)始工作,人們站在淋浴頭下,準(zhǔn)備洗澡,此時(shí),人體所占的面積在紅外線感應(yīng)器覆蓋的面積達(dá)到80%以上;而當(dāng)人們稍離淋浴頭時(shí),人體所占面積紅外線感應(yīng)器覆蓋面積的50%~80%,紅外線感應(yīng)器接收信號(hào),開(kāi)啟中流量模式;當(dāng)人們遠(yuǎn)離淋浴頭時(shí),人體所占面積小于紅外線感應(yīng)器覆蓋面積的50%,紅外線感受不到信號(hào),自動(dòng)關(guān)閉水閥;當(dāng)人手動(dòng)關(guān)閉開(kāi)關(guān),紅外線感應(yīng)器停止工作,此時(shí)人站在淋浴頭下面時(shí),感應(yīng)器無(wú)法接收信號(hào),這就避免了人們?cè)诹茉☆^下面做其他事情時(shí)紅外線的誤感現(xiàn)象,造成不必要的水資源的浪費(fèi)。
1.3.2 電位器式位移傳感器
電位器式位移傳感器的原理是通過(guò)電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。
我們?cè)O(shè)計(jì)的電位器式位移傳感器有一個(gè)總開(kāi)關(guān),當(dāng)人們洗澡時(shí)打開(kāi)手動(dòng)總開(kāi)關(guān),同時(shí)位于開(kāi)關(guān)處的電位器式位移傳感器開(kāi)始啟動(dòng)并持續(xù)處于待機(jī)狀態(tài),當(dāng)人們的距離感應(yīng)器的距離在一定特設(shè)的范圍內(nèi)時(shí),感應(yīng)器發(fā)出信號(hào)控制電磁閥放水,淋浴頭開(kāi)始自動(dòng)出水,人們開(kāi)始洗澡;當(dāng)人們中途離開(kāi)電位器式位移傳感器的距離范圍時(shí),傳感器停止工作并發(fā)送信號(hào)至電磁閥,電磁閥接收到信號(hào),控制噴頭不再出水;當(dāng)人們未打開(kāi)手動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí),即使在電位器式位移傳感器的距離范圍內(nèi),電磁閥無(wú)法接收到信號(hào)控制淋浴頭防水,這就避免了傳感器的誤感現(xiàn)象,更加優(yōu)化了傳感設(shè)備。
通過(guò)上面的兩種方案,有效地解決了人們?cè)谙丛钑r(shí)出現(xiàn)其他突發(fā)情況時(shí)無(wú)法關(guān)閉淋浴頭的現(xiàn)象,同時(shí)也有效地防止了人們由于忘記關(guān)淋浴頭而造成的水資源浪費(fèi)情況。因此,紅外線傳感器和電位器式位移傳感器在淋浴噴頭方面的應(yīng)用,著實(shí)更好地優(yōu)化了人類的生活,同時(shí)喚醒人們的節(jié)約意識(shí),從小方面減輕了我國(guó)水資源匱乏的問(wèn)題。
21世紀(jì)是邁向信息化社會(huì)的嶄新階段,信息智能化已成為這個(gè)時(shí)代不可逆轉(zhuǎn)的潮流,智能傳感器的應(yīng)用必定給這個(gè)嶄新的階段添上濃墨重彩的一筆。我們希望能真正將優(yōu)質(zhì)傳感器與人們的實(shí)際生活相結(jié)合,讓傳感器更加合理使用、規(guī)范使用、大規(guī)模使用,使其順應(yīng)生活、融入生活,從而改變生活,最終優(yōu)化生活。