智能傳感器在優化資源利用中的應用研究

魏芳蓉，賈智凱，賈紫茹，郭煥煥

（西安石油大學，陜西 西安 710300）

隨著現代化信息科技的不斷發展，人們越來越追求更精致、更便捷的生活方式。現如今，人類已經逐步置身于信息時代，而作為信息獲取最重要和最基本的智能傳感器技術，也得到了極大的發展，它已經走入人們的生活，并且影響到了生活的各個方面。縱觀世界能源發展形勢，資源的短缺、環境的惡化，使得可持續發展早已成為熱門話題，引起了世界各國的廣泛關注，在這篇文章中，我們將目光對準智能傳感器在生活中應用漏洞以及部分“劣質”傳感器的優化研究。

通過實地考察，我們發現傳感器技術已經應用到人們生活中的方方面面，如利用人體紅外感應的自動沖水馬桶、利用踏板與人體感應技術的自動感應門、電子秤、溫度報警器、手機等，可見智能傳感器已經在人們的生活中得到廣泛使用并極大優化了人們的生活。但是與此同時，我們在調研過程中也發現了傳感器的不合理使用及應用匱乏之處，如沖水馬桶的不合理感應造成水資源浪費、電燈與智能傳感器的高效結合等，本文對這些現象進行了分析與改進，使傳感技術更合理、更有效地優化人們的生活。

1 智能傳感器的應用研究及優化

1.1 自動感應沖水蹲便器的使用研究

水資源的浪費情況在人們的生活中隨處可見。根據我們的觀察，公共場所衛生間所安裝的蹲便器大多數是自動按壓式或者腳踏式，少部分是感應蹲便器，而自動按壓式或腳踏式沖污方式比較不衛生，且通常處理不干凈，而另一種感應蹲便器一次沖水3～5 L，且其感應方式為通過紅外線感應人體信息（即熱源）而發出信號，如果存在“誤感”即感應不合理，則會造成大量的水資源浪費。且這種人體紅外感應器需要通電才能正常運行，所以增加了一個電費成本，且在停電等突發情況中，影響較大。我們將改進這類傳感器。

通過觀察，我們發現大部分自動感應蹲便器存在下列問題。蹲便器感應沖水器是通過紅外線反射原理，當人體在蹲便器的紅外線區域內，紅外線感應器接收到感應信號傳遞給電磁閥通過控制閥芯進行沖水，但每當人剛蹲下方便時，沖水系統便開始工作，充足的水量以及較大的沖力，很可能會將水濺在人的身體部位，如此十分不衛生且不夠經濟合理。

我們計劃將紅外線連續兩次沖水設為一個周期，并設置兩個感應回路。當感應器進行人體紅外感應后，通過集成線路內的微電腦處理后的信號發送給脈沖電磁閥1和2，電磁閥1接收信號后按指定的指令打開閥芯來控制閥門小流量沖水，進行池壁潤濕，之后感應回路1停止工作，而另一感應回路繼續處于待定工作狀態，此時機器不進行沖洗，當人體離開紅外線感應范圍后，感應大便器才開始進行大流量沖洗，最后通過電磁閥閥芯內部的彈簧進行復位來控制大便器的關水，大便感應沖水器的沖洗時間和關閉時間按設定的指令工作。

但紅外線感應器仍需電源維持工作，如若設計不佳必定造成大量的電量消耗。因此我們對其用電設施進行改造，將沖水管道接到上面，水從上往下進行俯沖，這個過程會出現重力勢能，根據能量守恒將這種勢能轉化為電能，即在馬桶內部安裝一個類似風力發電的螺旋槳，水沖下的時候會轉動這個螺旋槳就是產生電能從而提供了感應所需要的電，并設置蓄電裝置，以應對停電等突發情況。如此便解決了電量大量消耗的弊端。

紅外感應沖水蹲便器原理流程如圖1所示。

1.2 自動感應燈的使用研究

我國是一個資源短缺的國家，但在日常生活中，人們并沒有意識到這一點。以室內照明為例，在很多公共場所都采用手動開關，經常會出現人空燈開的現象，從而造成能源的浪費，也會縮短燈具的使用壽命。據測算，高校教學樓耗電量約占學校總耗電量的40%。一個教室平均大約有25根電棒管，而一根電棒管（一般為40 W）開半天大約費0.4度電，而一個教室就是10度電，每天大約有7個教室沒有關燈的習慣，一年大約會浪費25 550度電，若擴大范圍到西安所有高校，那么一年所造成的資源浪費不計其數。因此，高效的照明技術應該被廣泛地使用。針對這一現象，有必要采用一種智能控制系統。

圖1 紅外感應沖水蹲便器原理流程

我們利用光敏智能傳感器，通過對外界光信號做出敏感反應，將光信號轉化為電信號，觸動電源開關感應，在高亮度時，開啟智能節電模式直至關閉開關；低光度時，又可以自動點亮，從而實現自動開關，智能控制。且通過在整個封閉空間設置大型自動感應燈，利用紅外線感應技術，當有人進入感應范圍時，專用傳感器探測到人體紅外光譜的變化，開關自動接通負載。人不離開且在活動，開關持續導通；人離開后，開關延時自動關閉負載，人到燈亮，人離燈熄，親切方便，安全節能。

即使如此，光敏感應仍易受到天氣、溫度、環境等的影響，我們設想如何在此基礎上做到更為精準的控制和更為有效的節能呢？通過調查我們發現，各大高校的自習室、教室通常使用折疊式椅子，我們將教室內的椅子根據吊燈所在范圍進行區域化劃分，在椅子靠背處設置人體紅外感應器，且此區域處所有椅子的感應器與此區域對應電燈的開關成并聯連接。當此區域有人坐下時，通過紅外感應，感應器進行工作并隨即觸發所在區域處電燈電源開關，燈亮；當此區域所有感應消失時，即此區域無人時，通過并聯控制，燈滅。此方案既保證了必要的照明、實現了燈源的智能化控制，又因為座位的選擇具有隨機性不會存在個別損壞嚴重的情況，只需進行定期檢查維護，高效又經濟。

1.3 自動感應淋浴噴頭的使用研究

通過我們的觀察發現，在進行淋浴的時候，80%的人都缺少在不用水時主動關閉淋浴頭的意識，而淋浴時候的用水量很大，如此造成的浪費便不計其數。

為了解決這個問題，我們嘗試采用紅外線感應器以及電位器式位移感應器進行優化，進而達到節約水資源的效果。

1.3.1 紅外線感應器

紅外線感應器的原理是通過紅外線反射，當人體的某一部分在紅外線區域內，紅外線發射管發出的紅外線由于人的身體遮擋反射到紅外線接收管，通過集成線路內的微電腦處理后的信號發送給脈沖電磁閥，電磁閥接收信號后按指定的指令打開閥芯來控制水龍頭出水；當人的身體離開紅外線感應范圍，電磁閥沒有接收信號，電磁閥閥芯則通過內部的彈簧進行復位來控制關水。

我們設計的紅外線感應器包含兩個主要部分：手動控制開關、自動感應設備。其中紅外線感應器控制開關進行等級調節從而控制水流量：當人們打開手動開關時，位于淋浴頭處的紅外線感應器開始工作，人們站在淋浴頭下，準備洗澡，此時，人體所占的面積在紅外線感應器覆蓋的面積達到80%以上；而當人們稍離淋浴頭時，人體所占面積紅外線感應器覆蓋面積的50%～80%，紅外線感應器接收信號，開啟中流量模式；當人們遠離淋浴頭時，人體所占面積小于紅外線感應器覆蓋面積的50%，紅外線感受不到信號，自動關閉水閥；當人手動關閉開關，紅外線感應器停止工作，此時人站在淋浴頭下面時，感應器無法接收信號，這就避免了人們在淋浴頭下面做其他事情時紅外線的誤感現象，造成不必要的水資源的浪費。

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電位器元件將機械位移轉換成與之成線性或任意函數關系的電阻或電壓輸出。

我們設計的電位器式位移傳感器有一個總開關，當人們洗澡時打開手動總開關，同時位于開關處的電位器式位移傳感器開始啟動并持續處于待機狀態，當人們的距離感應器的距離在一定特設的范圍內時，感應器發出信號控制電磁閥放水，淋浴頭開始自動出水，人們開始洗澡；當人們中途離開電位器式位移傳感器的距離范圍時，傳感器停止工作并發送信號至電磁閥，電磁閥接收到信號，控制噴頭不再出水；當人們未打開手動開關時，即使在電位器式位移傳感器的距離范圍內，電磁閥無法接收到信號控制淋浴頭防水，這就避免了傳感器的誤感現象，更加優化了傳感設備。

通過上面的兩種方案，有效地解決了人們在洗澡時出現其他突發情況時無法關閉淋浴頭的現象，同時也有效地防止了人們由于忘記關淋浴頭而造成的水資源浪費情況。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用，著實更好地優化了人類的生活，同時喚醒人們的節約意識，從小方面減輕了我國水資源匱乏的問題。

2 結語

21世紀是邁向信息化社會的嶄新階段，信息智能化已成為這個時代不可逆轉的潮流，智能傳感器的應用必定給這個嶄新的階段添上濃墨重彩的一筆。我們希望能真正將優質傳感器與人們的實際生活相結合，讓傳感器更加合理使用、規范使用、大規模使用，使其順應生活、融入生活，從而改變生活，最終優化生活。