基于微波傳感器的室內(nèi)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉遠(yuǎn)社

(西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，四川 成都 610041)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活條件不斷改善，辦公學(xué)習(xí)環(huán)境也隨之日益優(yōu)化.與之相應(yīng)的公眾場(chǎng)所的空調(diào)使用率越來(lái)越高，用電量占比越來(lái)越大.然而人們的公眾節(jié)能意識(shí)卻相對(duì)落后，自覺(jué)性不強(qiáng)，特別是像學(xué)校教室這樣的學(xué)習(xí)場(chǎng)所，學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)束離開(kāi)時(shí)通常不會(huì)主動(dòng)去關(guān)閉空調(diào)和照明燈，造成電能浪費(fèi)比較嚴(yán)重.因此，教室的節(jié)能控制成為學(xué)校有關(guān)部門(mén)的頭痛問(wèn)題，制定許多節(jié)能條款或采用人為的方法來(lái)加以控制，但效果并不理想，也不符合科學(xué)發(fā)展觀.隨著科技的進(jìn)步，智能節(jié)能控制的理念已進(jìn)入人們的日常生活.人們活動(dòng)場(chǎng)合的智能節(jié)能控制實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)對(duì)人存在與否的判斷和特定量(如溫度、照度等)的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，對(duì)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(duì)管計(jì)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(wú)法區(qū)分人員的分布情況；紅外對(duì)管計(jì)數(shù)雖然簡(jiǎn)單易行，但實(shí)際安裝位置和使用過(guò)程受限.而目前報(bào)道的有關(guān)節(jié)能控制系統(tǒng)多是針對(duì)照明電燈[9-12]，對(duì)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(lái)探測(cè)物體的位置移動(dòng)、速度、距離等信息的器件，在公共場(chǎng)所的自動(dòng)報(bào)警控制及智能家居方面已獲得越來(lái)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(duì)其探測(cè)能力沒(méi)有影響，且隨著微波傳感器價(jià)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(shì).本文基于微波傳感器提出了一套相對(duì)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(cè)控系統(tǒng)和溫度測(cè)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(wú)人，繼電器KA斷開(kāi)，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(cè)控系統(tǒng)和溫度測(cè)控系統(tǒng)啟動(dòng)；然后，照度傳感器檢測(cè)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(dòng)，否則，燈光照明關(guān)閉.與此同時(shí)溫度傳感器檢測(cè)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(fēng)扇電路啟動(dòng)，否則斷開(kāi)；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(dòng)，否則斷開(kāi).

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(hào)，遇到被測(cè)物體時(shí)，微波信號(hào)部分被吸收，部分被反射，利用微波接收器的天線接收被測(cè)物體反射回來(lái)的微波，并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由測(cè)量電路處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的測(cè)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(cè)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(guó)際電聯(lián)規(guī)定的無(wú)需申請(qǐng)使用頻點(diǎn)的ISM頻段，其功率密度1m處0.7 μW/cm2，遠(yuǎn)小于國(guó)家環(huán)境電磁波衛(wèi)生一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(＜10 μW/cm2)，對(duì)人體不會(huì)構(gòu)成安全危害，且墻壁等遮擋物外的物體對(duì)其干擾很小.微波感應(yīng)模塊信號(hào)處理采用單片機(jī)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(jí)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(hào)延時(shí)2～30s可調(diào).在此時(shí)間內(nèi)，模塊以每秒30次的頻率，不斷的檢測(cè)，在檢測(cè)到人體的每一次活動(dòng)(包括肢體移動(dòng))后會(huì)自動(dòng)順延相應(yīng)的時(shí)間，如此重復(fù)，直到人離開(kāi)檢測(cè)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(dāng)GH719C感受到移動(dòng)人體時(shí)，輸出一個(gè)3V的高電平電壓，驅(qū)動(dòng)三極管T1飽和導(dǎo)通，使常開(kāi)繼電器 KA吸合，通過(guò)穩(wěn)壓器LM7805為后繼電路提供工作電壓，為照度測(cè)控系統(tǒng)和溫度測(cè)控系統(tǒng)做好正常工作的準(zhǔn)備.

1.2 照度測(cè)控系統(tǒng)

照度測(cè)控系統(tǒng)由LX1970集成可見(jiàn)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(cè)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(gè)互補(bǔ)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(jiàn)光轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，在峰值波長(zhǎng)520nm處電流靈敏度為0.38 μA/lx，暗電流為10nA.按照國(guó)家教室照明標(biāo)準(zhǔn)，在最低300lx環(huán)境照度下，測(cè)得LX1970電流輸出約40 μA，通過(guò)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(shí)際情況通過(guò)電位器RP來(lái)調(diào)節(jié).這樣，當(dāng)參考電壓設(shè)定為0.83V時(shí)，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(kāi).

1.3 溫度測(cè)控系統(tǒng)

溫度測(cè)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(jī)，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(guò)三線串行接口輸入，并且可通過(guò)內(nèi)部的EPROM由用戶設(shè)定，構(gòu)成獨(dú)立模式.獨(dú)立使用時(shí)CLK/時(shí)鐘輸入端/控制端接低電平，以便連續(xù)進(jìn)行溫度-數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；為復(fù)位端，該端接低電平時(shí)將DS1620復(fù)位，I/O端變?yōu)楦咦钁B(tài).當(dāng)溫度t＞tH(上限溫度)時(shí)，高溫觸發(fā)端TH輸出高電平；當(dāng)溫度t＜tL(下限溫度)時(shí)，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(guò)程中，當(dāng)溫度t＞tH時(shí)，該端變?yōu)楦唠娖?；而?dāng)溫度下降到tH時(shí)，仍保持高電平，只有當(dāng)t＜tL時(shí)才恢復(fù)成低電平.

在圖4中，通過(guò)DS1620的TCOM端觸發(fā)控制三極管T3的導(dǎo)通，進(jìn)而控制電風(fēng)扇的啟動(dòng).TH和TL觸發(fā)端經(jīng)7486異或門(mén)控制SSR-10DA單相固態(tài)繼電器，進(jìn)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(kāi)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(zhǎng)、防爆和無(wú)機(jī)械接點(diǎn)，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(cè)控電路Fig.4 Temperature measurement and control circuit

2 安裝與調(diào)試

為了增強(qiáng)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(dāng)調(diào)試.

(1)GH-719C微波傳感器電路板上有4個(gè)標(biāo)有0、1、2、3的連接點(diǎn)，可按二進(jìn)制短路連接實(shí)現(xiàn)16級(jí)靈敏度調(diào)整.4個(gè)連接點(diǎn)短路為1，斷開(kāi)為0，全部短路，靈敏度最高，感應(yīng)距離最大；4個(gè)連接點(diǎn)斷開(kāi)，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(duì)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(duì)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(mén)上方靠墻角處，使傳感器的法線指向教室中心的桌面，同時(shí)注意感應(yīng)范圍避開(kāi)吊扇.對(duì)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(mén)上方靠墻角處，感應(yīng)距離根據(jù)教室的具體大小來(lái)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(gè)標(biāo)有4、5的連接點(diǎn)，可按二進(jìn)制短路連接實(shí)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(cè)到移動(dòng)物體，輸出3s高電平信號(hào)后停止，延時(shí)2s再檢測(cè)，探測(cè)到移動(dòng)物體又輸出2s，依次循環(huán).直到探測(cè)不到移動(dòng)物體，高電平信號(hào)輸出停止.0 1為可重復(fù)觸發(fā)模式，延時(shí)時(shí)間2s:探測(cè)到移動(dòng)物體，輸出2s高電平信號(hào)，在2s時(shí)間內(nèi)，模塊以每秒30次的頻率不斷的檢測(cè)，如果再次探測(cè)到物體移動(dòng)，時(shí)間繼續(xù)延時(shí)2s，直到探測(cè)不到移動(dòng)物體，高電平信號(hào)延時(shí)2s后停止.10為可重復(fù)觸發(fā)模式，延時(shí)時(shí)間10s:探測(cè)到移動(dòng)物體，輸出10s高電平信號(hào)，如此重復(fù)，直到探測(cè)不到移動(dòng)物體，高電平信號(hào)延時(shí)10s后停止.11為可重復(fù)觸發(fā)模式，延時(shí)時(shí)間30s:探測(cè)到移動(dòng)物體，輸出30s高電平信號(hào)，不斷重復(fù)檢測(cè)，直到探測(cè)不到移動(dòng)物體，高電平信號(hào)延時(shí)30s后停止.因此，對(duì)于教室監(jiān)控以11可重復(fù)觸發(fā)模式為佳.

(2)可見(jiàn)光亮度傳感器及照度測(cè)控系統(tǒng)可安裝在教室的中央頂部，避開(kāi)吊扇遮擋.如果還要保留現(xiàn)有的人工控制開(kāi)關(guān)，可將可見(jiàn)光亮度傳感器及照度測(cè)控系統(tǒng)安裝在人工開(kāi)關(guān)上方靠近教室頂部的位置，并將人工控制開(kāi)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(yáng)光和燈光直射.對(duì)于大教室，可根據(jù)其結(jié)構(gòu)和布局安裝幾個(gè)照度控制裝置實(shí)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(shí)際情況現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(tái)空調(diào)，空調(diào)基本安裝在講臺(tái)旁對(duì)前門(mén)的位置.這樣，溫度傳感器及其測(cè)控系統(tǒng)可安裝在教室前墻面靠窗方向的上方.對(duì)于90以上座位的大教室，如果教室前、后各安裝一臺(tái)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(cè)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)前后分區(qū)控制.但是，由于電扇開(kāi)關(guān)一般都安裝在教室進(jìn)門(mén)側(cè)的墻上，為了兼顧電扇的控制，減少線路的長(zhǎng)度，也可將溫度控制系統(tǒng)安裝在原電扇開(kāi)關(guān)的上方附近.或?qū)⒄麄€(gè)節(jié)能控制系統(tǒng)有機(jī)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(lái)探測(cè)室內(nèi)是否有人存在，可見(jiàn)光亮度傳感器檢測(cè)室內(nèi)照度，溫度傳感器檢測(cè)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(hào)采集全部采用集成傳感器，簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，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(qiáng)，覆蓋面廣，沒(méi)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(xué)習(xí)場(chǎng)所適時(shí)調(diào)整使用.特別是像政府辦公區(qū)域，人員多、流動(dòng)無(wú)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(jià)值.如果要進(jìn)一步提高控制的準(zhǔn)確性，微波傳感器可與紅外傳感器組合來(lái)判斷室內(nèi)人員的有無(wú)及分布情況，實(shí)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(xué)環(huán)境情況下有效地節(jié)約電力資源.

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