圖書館學習環境下的多功能照明產品設計研究

王煜琳 毛軼超

摘要：近年來，隨著教育事業的不斷發展，圖書館已成為在校學生學習的最佳場所，因而圖書館教育設施的質量對其發展具有重要作用。本文針對圖書館的照明設施，在進行分析研究之后，研發出一款基于學習照明的創意水杯重力感應燈。通過節省桌面空間、利用重力感應以及光的傳播等原理對傳統臺燈進行改良設計，以達到節省桌面空間、突破傳統照明方式、營造良好學習氛圍的效果，為學生提供優良的照明環境。

關鍵詞：圖書館;照明設施;創意水杯重力感應燈;節省桌面空間

中國分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）02-0149-03

目前，市場上照明設備品種眾多，但大部分仍只是停留在簡單的外觀設計或者添加多余的功能。因此，就臺燈而言，企業應關注臺燈的使用功能、護眼功效、外觀設計感、節能減排等方面[8]。

圖書館作為知識源泉之地，擁有良好的設施設備是首先需考慮的。據初步的調查研究發現，圖書館部分設施設備仍存在一些問題，其中照明設備存在的問題較大。首先，照明設備的光線的明暗對學生眼睛具有較大影響;其次，燈具設計應基于使用環境而言，缺乏設計感的照明設備會影響學生的學習效率。因此，從目前照明系統現狀進行調查研究分析發現市場缺陷，并對圖書館照明系統展開調研，從而得出具有切實可行的解決方案。

1 圖書館照明產品現狀分析

1.1 國內外研究現狀分析

目前，大多數的論文主要是集中在對燈光亮度、護眼以及功能上做研究。成鳳敏在《智能LED臺燈的設計與實現》中主要是利用了紅外傳感器以及單片機，設計了一種可自動開啟關閉、亮度調節以及用戶坐姿提醒等多功能的LED臺燈解決傳統臺燈能耗大、傷眼等問題[1];《高均勻低眩光LED臺燈配光設計及仿真分析》中，主要是針對臺燈光效低、亮度不均勻、眩光較嚴重的缺點而設計了一款高均勻低眩光的LED護眼臺燈[2];魏熾旭、林泉康在《基于51單片機的智能臺燈設計》中以51單片機為主控芯片、利用感應人體紅外信號的熱釋電紅外傳感器的原理來設計智能臺燈[3];上海理工大學的《基于STM32的智能臺燈系統設計》采用搭建硬件電路、編寫對應的軟件程序來實現燈光調節、藍牙通信等功能[4]。

然而，他們的都存在一些問題：都是基于傳統的臺燈樣式，在外觀上并未有所突破，缺乏人性化，而人性化設計應將“人——產品——環境”三者完美結合，并將藝術、技術與人性得到完美融合，不只是單一的技術設計[5]。此外，功能過多，在實際的圖書館學習過程中并非所有功能都需要，需要解決的是空間利用問題以及正常的照明問題，只需要滿足基本的照明功能即可。

1.2 市場現有產品狀況分析

市場上的照明系統包括：照明設計和照明配電線路設計。照明設計中包括光源、燈具的選擇與布置，開關、插座的選擇與布置等。照明配電線路設計包括照明配電線路的保護及敷設等[9]。

目前市場上臺燈就功能分類而言有以下幾種：閱讀臺燈、裝飾臺燈[6]（圖1）。閱讀臺燈一般用于閱讀，因此其光線要求相對高些。

為追尋綠色節能的理念，經市場調查研究，相對于傳統的白熾燈、熒光燈、鹵鎢燈而言，LED燈是綠色照明的理想光源，其在功耗及使用壽命上均有優勢[7]，因此，在設計中采用LED燈作為光源是最佳選擇。

在進行市場調研時，發現燈具市場上的燈具造型要么呆板、缺乏新穎性，要么就是過多的在外觀造型上進行設計，而未能實際的解決某種具體的問題，基本用于裝飾作用，且大多用于展覽中，真正用到實際的閱讀學習中的很少。

市場上就燈具的控制方式而言大致有開關控制、觸控式、聲控，但是，大眾化的開關缺乏創新，無法讓消費者感受到生活的樂趣、照明系統的創新點，同時大部分的燈具都只具有裝飾性，而未能解決實際問題，這是目前市面上照明系統的一大設計漏洞之一。

2 圖書館照明產品情況調研

初期對廣大去圖書館學習的學生做了1份關于圖書館存在的現象的調查，采用線上線下問卷調查的方式進行數據統計，一共調查了700份，其中有效數據是550份。經分析，圖書館存在的問題大致分為兩類，一類是圖書館自身設施問題，另一類是人為因素，具體見表1、表2。

圖書館自身設備存在的問題有：（1）臺燈光線較暗或者不亮;（2）插電口較少;（3）漏水;（4）設備不足;（5）桌面空間小等等。

人為因素有：（1）聲音較嘈雜;（2）圖書亂放、損壞;（3）占位現象嚴重;（4）垃圾亂丟等等。

從上述兩個圖表可以看出最為突出的問題是光線不足和桌面空間不足。

在正常的學習當中，光線起著決定性作用，擁有好的照明設備能讓學習效率提高很多，同時也能幫助學生的眼睛。而圖書館的照明系統卻存在光線不足、設備缺陷等問題，對學生的學習產生了較大影響，無法很好地看清書，長期下去會產生視覺疲勞等癥狀。因此，對照明系統進行改造設計是必須的。

桌面擺放的東西過多、桌面面積較小、空間不足，造成了桌面利用率低。據調查發現，臺燈和水杯擺放在桌面上占用了一定的空間，同時裝有水的水杯這會造成杯中水的潑灑，因此，桌面利用率的問題也亟待解決。

綜上，臺燈和水杯一起放置在桌面時會占用一定的空間，臺燈光線又不足、水杯易潑灑，如何將這些問題一起解決將是我們所探討的。

3 圖書館新型照明產品創新研究

在傳統的學習或休閑桌面上，一方面，傳統的臺燈擺放在桌面會占用一定的桌面空間;另一方面，將打開的水杯放在桌面上易造成水的潑灑。針對這兩類問題，決定以空間利用的角度來解決照明光線不足的問題。

經多次討論與實驗，最終設計了一款創意水杯重力感應燈，旨在通過水的方式改變照明的方向以達到從下面打燈也可以輻射到周圍的效果。

3.1 內部基本工作原理

其基本的作用原理是通過將裝有一定水量的水杯放在嵌有燈的桌面凹槽中，燈受到水杯的重力作用之后具有向下的彈力，然后壓力傳感器受到重力作用后，通過電路傳導使燈發亮，燈光以水為介質近而使杯體發光，從而達到看書照明的效果（圖2）。

3.2 運作方法

當將注水的水杯放在燈的表面時，壓力傳感器感受到重力，FSR402壓力傳感器阻值迅速下降到幾百歐，Q1三極管導通，Q2三極管也導通，因此RL1線圈得電，開關閉合，燈導通發光。燈光通過杯體發光，從而在一定范圍內達到看書的照明效果（圖3）。

3.3 實驗操作

1）實驗用具：電路、光測量器、水杯、燈、量杯。

2）實驗環境：圖書館。

3）實驗條件：測量圖書館公共照明環境的光亮;人正?？磿鴷r的燈光亮度范圍在300～700LUX，當燈光亮度低于或高于此范圍時，都對人的眼睛有一定的傷害，因此，在進行燈光設計時，要嚴格控制好燈光的亮度。

4）實驗目的：考慮到在保證燈光不變的情況下影響人看書時對光的感知的因素有水杯的高度、水杯中水的高度、水杯的形狀、人與水杯的距離以及聚光物質。

5）實驗操作：選用雙層水杯容量分別為500ml和350ml、單層水杯容量分別為500ml和300ml、矮圓杯250ml進行光照強度的測試。

設光照強度為變量W，水杯中的水在一定水位m時書本距離水杯n時，人眼不同高度是感受到的燈光的亮度為變量x，因此，最終測得的光照強度W=x，從而得出最佳的水位以及最佳距離。

在一定的時間里，將環境的燈光亮度進行了測試，從而排除環境對實驗的影響。實驗數據的比較有同種類型而容量不同的水杯間、同一水杯水量不同時的數據、看書距離的不同時數據的變化以及加了錫箔紙之后數據的變化。

1）第一組，向同一水杯分別加入200ml、300ml、400ml的水，測出此時的水的高度，并在距離水杯10cm、20cm、30cm、40cm測量人眼感知的燈的亮度x。多次測試幾種水杯，從而得出最佳水位m及最佳距離n。

2）第二組，對同種類型而容量不同的水杯進行測試，測試當加入的水的容量相同時，分別測試同時距離水杯10cm或20cm或30cm或40cm時人眼感知的燈的亮度，進行數據的比較，從而得出最佳杯型。

3）第三組，在原有實驗的基礎上，在原來的水杯口的上方覆蓋一層錫箔紙，然后分別測試同一高度、不同距離時人眼感知燈的亮度x，從而得出是否要加錫箔紙。

經實驗篩選出人眼感知亮度范圍在300～ 7001ux的數據，見表3。

3.4 產品設計

經上述數據篩選得出：當水杯距離人看書為10cm時光線較適合，同時當水杯加上錫紙時光照強度較大;對于水杯的杯型得出兩種：（1）雙層水杯容量為350ml：當水杯內水位為300ml和200ml時，無論是底部、中部還是頂部，光照強度都是在人看書時最佳亮度范圍之內;（2）矮圓杯容量為250ml，當水位為150ml和200ml時，無論是底部、中部還是頂部，光照強度都是在人看書時最佳亮度范圍之內。然而，由于矮圓杯容量較小，且體型過小，因此，選用容量為350ml的雙層杯最佳。

3.5 產品特點

創意重力感應燈集美觀性與實用性于一體，將其應用到現代生活中既具有裝飾性，又起到照明的作用。

（1）利用壓力傳感器的原理，賦予燈泡開關的功能，同時也節省了實際的開關空間;（2）以水為介質，光線通過水傳遞到空氣中，從而起到照明的作用;（3）采用凹槽式以供水杯放置，并起到固定水杯的作用;（4）整體外形設計簡約而無多余的墜飾，深受大眾消費者的喜愛。

4 總結

采用凹槽式、重力感應是一種新型控制方式，不僅可以提高桌面的利用率，而且更加實用，同時采用的LED燈也很節能。

目前市場上還未見過利用重力來使燈亮同時使杯體發光達到照明效果。而本實用型發明不僅解決了照明問題，而且也解決桌面空間擁擠的問題，提高了桌面利用率，不會像傳統燈具一樣占用桌面。而將光源嵌入桌面從而將光源“隱藏”起來，體現了簡約的理念，不會造成視覺負擔。

通過水的方式改變照明的方向以達到從下面打燈也可以輻射到周圍的效果。改變了傳統的照明方式，更加方便了人們的生活，有效地節省了空間，同時也降低了水杯在桌面被潑倒的概率。

在圖書館學習過程中，燈具不僅具有照明的功能，而且也要符合大眾審美，在學生的學習過程中起到了很好的輔助作用，而不是一種障礙。隨著時代的發展，傳統的照明管理方式已不能滿足現代圖書館對照明控制、節能、便捷的多元化需求，因此，通過改變傳統照明系統開關方式以及光的傳播方式，可謂是一種進步。重力感應燈具設計一方面使得圖書館燈具檔次有所提升，另一方面也有效降低生產成本，充分體現了該照明系統在圖書館應用上的便利性與節能性。

參考文獻

[1]成鳳敏.智能LED臺燈的設計與實現[J].唐山學院學報，2015，28 （3）：34-67.

[2]蘭明強，王敏，陳雪梅.高均勻低眩光LED臺燈配光設計及仿真分析[J]光子學報，2013，42（3）：288 292.

[3]魏熾旭，林泉康.基于51單片機的智能臺燈設計[D].福建：三明學院機電工程學院，2017.

[4]宋斌，袁慶慶，楊娜.基于STM32的智能臺燈系統設計[J].電子測量技術，2017，40 （6）：67-75.

[5]姚善良，劉玳言，陳全國.LED臺燈設計中的人性化研究[J/OL].學術論壇，2018.http：//www.cnki.net

[6]陳艷玲，國內臺燈行業的現狀與前景[J/OL].社科論壇，2015.http：//www.cnki.net

[7]李建.圖書館智能照明系統的設計[D].湖南：湖南文理院，2015.

[8]陳聲友.高校國書館照明系統的研究與設計[J].機械工程，2012，2（下）：197-202.