紅外傳感器在智能教室照明控制中的應用

陳淑芳

福州職業技術學院建筑工程學院（福建 福州 350108）

0 引言

近幾年，我國科技水平不斷提高，基于紅外傳感器教室照明自動控制系統應運而生，該系統在具體的運用中，可以利用紅外傳感器自動化檢測教室內光線的強度及教室內學生的數量，當教室內無人且光線強度不符合照度要求時，系統會自動關閉照明燈，當教室有人且光線強度符合照度要求時，系統會自動開啟照明燈，以達到節能降耗的目的。如何將紅外傳感器科學應用于智能教室照明控制是技術人員必須思考和解決的問題。

1 系統方案設計

傳統紅外傳感器在具體的運用中，僅僅能識別動態的人體，無法識別靜止的人體，文章設計的基于紅外傳感器教室照明自動控制系統，除了可以精確地識別動態的人體，還能識別教師內相對靜止的人體，從而實現對教室照明燈照明情況的智能化控制，以最大限度地提高學校節能降耗效果。

1.1 系統框架設計

通常情況下，人體發出紅外線特定波長為10 μm左右，因此通過利用紅外熱釋電傳感器，可以實現對人體信號的精確識別，然后采用電路放大或A/D轉化的方式，將最終的人體信號識別結果發送給單片機控制電路，以實現對教室照明燈的自動化、智能化控制和管理，從而真正地實現“人在燈開，人走燈關”的目標[1]。

1.2 紅外傳感器設計

（1）紅外傳感器工作原理。通過借助熱釋電紅外傳感器的作用，盡可能控制自身溫度變化對人體信號的干擾程度，同時采用非接觸的方式，科學檢測人體釋放的紅外線信號變化情況，并將紅外線信號轉化為電信號。紅外傳感器內部含有多個晶硅片，這些晶硅片采用反向串聯的方式，使傳感器內部陰極、陽極的干擾信號相互抵消，從而實現對能量的有效補償。為了進一步提高人體紅外線檢測結果的準確性，還要將熱釋電傳感器安裝在不同的探測電元件上，確保傳感器正常、穩定地輸出電壓信號[2-3]。

（2）紅外傳感器的動態檢測解決方案。熱釋電紅外傳感器僅僅能有效地檢測運動的人體，而學生在教室自習時，通常處于相對靜止的狀態或運動幅度比較小的狀態，此時熱釋電紅外傳感器無法對其進行精準檢測和識別，為了解決該問題，現提出以下解決方案。首先要確保傳感器自動產生幅度較小的運動，然后借助人體與傳感器兩者之間的相對運動狀態，精確地檢測和識別人體信號。熱釋電紅外傳感器運動方式主要有以下兩種：①振動方式。紅外傳感器振動方式主要是指通過將傳感器安裝和固定在小型振動器中，檢測和識別人體信號，并向控制電路傳輸最終的識別結果，使傳感器在振動器的帶動下小幅度振動，以精確檢測和識別相對靜止的人體[4]。教室照明自動控制系統將紅外傳感器的振動時間、振動周期、振動頻率分別設置為每2 s、30 s和30 s一次，如果在半個月內，探測區域內沒有出現人體信號，該系統會自動關閉教室內所有照明燈，以達到節能降耗的目的。②擺動方式。紅外傳感器擺動方式主要是指傳感器在彈片的作用下上下擺動，確保人體處于相對運動的狀態。要實現彈片的正常擺動，需要利用小型電機驅動凸輪，使彈片產生不同程度的擺動。

2 系統功能設計

在紅外傳感器的應用背景下，要提高教室照明自動控制系統運行性能，技術人員要嚴格按照教室照明自動控制系統總體框圖（見圖1），不斷優化和完善系統功能，然后通過科學檢測和識別探測區域內人體信號，智能化控制照明燈，以達到節能降耗的目的。

圖1 教室照明自動控制系統總體框圖

2.1 熱釋電人體紅外檢測功能

在具體的設計中，技術人員要從以下幾個方面入手。（1）各個物體自身溫度不同，發出的紅外線也存在很大的差異。通常情況下，人體正常體溫為37 ℃，此時，人體會輻射出一定強度的紅外線。該系統可以借助自身的熱釋電效應，采用監測人體紅外線特征的方式，科學感知和判斷人體是否存在。當探測區域內沒有人時，該系統會自動檢測教室環境溫度；當探測區域內有人時，該系統可以通過科學檢測和判斷教室環境溫度和人體溫度之間的差值，精確地確定人員數量。（2）熱釋電傳感器具有強大的過濾功能和透鏡功能，能將少量紅外線波長聚集到熱釋電元件中，同時還能過濾室內燈光、室外太陽光，以實現對人體的有效識別。由此可見，通過科學設計熱釋電人體紅外檢測功能，可以精確地檢測教室內是否存在人體，為后期自動控制教室照明燈打下堅實的基礎[5]。

2.2 環境光強度檢測功能

環境光強度檢測功能在具體的設計中，主要借助室內自然光線強度，采用電路組合的方式，精確地檢測光線強度電壓值，并向微電腦控制電路傳輸電壓信號，以實現對光照度及光源開關狀態的智能化控制和管理[6]。

2.3 微電腦控制功能

微電腦控制功能在具體的運用中，主要根據教室內自然光線強度，精確分析和判斷教室內是否有人，便于自動化地控制和管理教室內光照強度。微電腦與人體大腦功能類似，通過在微電腦內設置一個光線強度閥值，并嚴格按照照度優先順序，實現對照明燈具的自動化、智能化控制。在具體的設計中，主要借助紅外傳感器全面接收熱釋電信號，然后根據最終的接收的信號，科學分析和檢測教室內是否有人。此外，為了提高學校節能降耗的效果，還要綜合分析和判斷教室自然光線強度，如果室內自然光線強度滿足照度要求，那么仍然保持教室照明燈關閉設置狀態；如果室內自然光線強度無法滿足照度要求，且探測區域內有人時，需要將照明燈設置為開啟狀態。當教室照明燈打開后，教室照明自動控制系統仍然會自動地檢測教室自然光線強度與人體是否存在等相關信息，如果發現教室自然光線強度滿足照明要求且探測區域內沒有人時，系統會將該探測區域范圍內的照明燈全部關閉，以起到節能降耗的作用[7]。

3 系統具體應用

在沒有使用教室照明自動控制系統之前，即使白天教室內光線充足，學生在教室自習時，也會開啟所有燈具，造成電能的極大浪費，同時也縮短了燈具的使用壽命。通過利用教室照明自動控制系統智能化控制教室照明狀態，能起到節能降耗的作用。此外，該系統具有強大的手動控制功能，能針對學校上課時間安排情況，人為控制教室照明燈，以實現節能降耗的目標。為了更好地驗證教室照明自動控制系統的節能降耗效果，現將基于紅外傳感器教室照明自動控制系統應用于某高校教室中。首先，在充分結合教室內自然光線與教室朝向之間關系的基礎上，采用類比實驗的方式，分別選取了兩個陽面教室和兩個陰面教室，教室均能容納150人，房間面積為170 m2，所有燈具均為熒光燈，燈具數量為20盞，同時還在每個教室內安裝了電度表，便于準確記錄和統計教室用電情況。從節電器耗能試驗對比結果（見表1）可以看出，基于紅外傳感器教室照明自動控制系統不僅具有非常高的節能降耗效果，降低了學校用電損耗量，還減小了系統維護成本，因此該系統應該被廣泛地普及和應用于各高校[8]。

表1 節電器耗能試驗對比結果

4 結束語

在紅外傳感器的應用背景下，教室照明自動控制系統在開發和應用方面取得了很大的突破和創新，該系統不僅功能強大、通用性強，具有良好的用戶體驗，還在學校用電領域中取得了顯著的應用效果，因此深受廣大用戶的青睞。為了方便后期系統的維護和升級，需要相關軟件開發人員再接再厲，用更加精確的代碼擴充更多適用的功能，從而為促進教室照明自動控制系統健康、可持續發展，提高其應用價值和應用前景提供有力的保障。