- 對(duì)節(jié)約能源的低功耗占有傳感器應(yīng)用進(jìn)行分析
- 采用主/被動(dòng)式紅外占有傳感器
- 采用紅外技術(shù)和超聲波技術(shù)的雙技術(shù)占有傳感器
- 采用被動(dòng)式紅外和麥克風(fēng)技術(shù)的雙技術(shù)占有傳感器
1 前言
能源危機(jī)和環(huán)境污染是我們經(jīng)常談?wù)摰膬纱笤掝}，也是我們必須要解決的兩個(gè)問(wèn)題。技術(shù)的進(jìn)步將有助于我們節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境。
隨著各項(xiàng)事業(yè)的發(fā)展，用于照明的電能消耗越來(lái)越大，節(jié)約照明用電的問(wèn)題倍受關(guān)注。除改進(jìn)照明燈具外，開(kāi)發(fā)照明控制器，根據(jù)人們?cè)谏a(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)、工作中對(duì)照明的實(shí)際需要自動(dòng)的開(kāi)、閉照明燈，杜絕不必要的浪費(fèi)，是降低照明能耗的重要途徑。目前，對(duì)街道路燈和樓道路燈的自動(dòng)控制技術(shù)已趨于成熟，但用于學(xué)習(xí)、工作和公共場(chǎng)所的照明控制技術(shù)卻嫌薄弱。在這些場(chǎng)所，人的活動(dòng)情況比較復(fù)雜，對(duì)照明的控制技術(shù)要求較高，路燈控制中的單純的時(shí)控、聲控、光控和一般意義上的人體感應(yīng)控制都難于滿足要求。
本文介紹一種具有全數(shù)碼、微處理器線路，可連續(xù)分析被控對(duì)象的實(shí)時(shí)占有模式、持續(xù)調(diào)整最大性能設(shè)置的多技術(shù)傳感器——占有傳感器。占有傳感器，也稱為動(dòng)作傳感器，為我們提供了一種價(jià)廉、有效地節(jié)約能源的方法。這是由于當(dāng)房間或某一工作場(chǎng)所沒(méi)有被占有時(shí)，它可以自動(dòng)切斷電源，在商用、學(xué)校及一些公共場(chǎng)所，由于照明用電的損耗占了整個(gè)耗電量的40％左右，所以占有傳感器對(duì)于減少能量損耗起了非常重要的作用。并且這類傳感器采用被動(dòng)式紅外線、超聲波感應(yīng)或其它技術(shù)，也可將多種技術(shù)集成于同一設(shè)備，以達(dá)到最佳的運(yùn)動(dòng)探測(cè)性能，能夠消除由于氣流等單調(diào)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的錯(cuò)誤觸發(fā)。所以該傳感器可提供無(wú)故障、“裝后無(wú)憂”的照明控制方案。
2 占有傳感器
2.1 定義及組成
占有傳感器是一種具有控制功能的電傳感器，它可以根據(jù)所感應(yīng)的空間是否被占有或根據(jù)預(yù)先設(shè)定的光照值來(lái)控制電源，以控制照明系統(tǒng)或采暖與通風(fēng)及制冷系統(tǒng)。占有傳感器主要有紅外、超聲、聲敏、混合等幾種類型。
占有傳感器實(shí)質(zhì)上是一種智能式的微控制器，主要有敏感元件、微處理器、信號(hào)接收與處理電路、開(kāi)關(guān)及發(fā)光LED等部分組成。其中微處理器或稱作微控制器是采用美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的AVR 8-bit RISC微控制器，又稱作Atmega88。此微控制器屬于片上型微處理器，以CIP-51為內(nèi)核，它本身集成了許多外圍設(shè)備，如A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、1kB 的SRAM、可編程的8kB的 FLASH存儲(chǔ)器、512字節(jié)的EEPROM、一個(gè)內(nèi)部RC振蕩器等。所有的I/O端口的每一個(gè)引腳都置上拉電阻，根據(jù)要求可獨(dú)立地通與斷。片上定時(shí)器/計(jì)數(shù)器具有定時(shí)、捕獲、比較和PWM輸出等功能。Atmega88結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 Atmega88結(jié)構(gòu)組成
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2.2 特征
（1）個(gè)性化的控制模式
許多占有傳感器向用戶提供個(gè)性化的服務(wù)。不論是墻式安裝還是遠(yuǎn)距離安裝，都可以工作在以下模式：“一直斷”、“一直通”、“自動(dòng)”。目前，大多數(shù)占有傳感器完全是自動(dòng)的。當(dāng)有人進(jìn)入房間時(shí)就開(kāi)燈，而當(dāng)人離開(kāi)時(shí)就關(guān)燈。對(duì)于那些有充足自然光照的房間，當(dāng)有人進(jìn)入房間就開(kāi)燈并一直保持下去將會(huì)造成很大的浪費(fèi)。為了避免發(fā)生這種現(xiàn)象，現(xiàn)在大多數(shù)的制造商提供僅有斷開(kāi)控制模式的占有傳f感器或具有日光無(wú)效的占有傳感器。對(duì)于前一種傳感器，當(dāng)人進(jìn)入感應(yīng)區(qū)并且需要開(kāi)燈時(shí)，必須手動(dòng)操作。當(dāng)房間無(wú)人時(shí)，控制器就會(huì)自動(dòng)切斷電源并將自動(dòng)保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)直到下一次有人開(kāi)燈。這種類型的傳感器可以最大限度的節(jié)約能源。對(duì)于后一種傳感器，它具有內(nèi)置日光傳感裝置。當(dāng)日光傳感裝置感測(cè)到房間內(nèi)有充足的自然光線時(shí)，即使房間被充足占有，也會(huì)使燈處于熄滅的狀態(tài)。這類傳感器對(duì)于那些有充足的自然光線照射的房間非常適用。
（2）靈敏度可調(diào)性
占有傳感器的靈敏度是可以調(diào)整的，這樣可以使控制器運(yùn)行更為可靠。對(duì)于采暖、制冷、通風(fēng)系統(tǒng)，如果空氣運(yùn)動(dòng)會(huì)觸發(fā)傳感器就可以降低靈敏度。相反，為了感應(yīng)較小的運(yùn)動(dòng)，也可以提高控制器的靈敏度。
靈敏度可調(diào)可以允許用戶調(diào)節(jié)傳感器，這樣控制器就能夠識(shí)別人的活動(dòng)，從而排除其他運(yùn)動(dòng)所引起的誤觸發(fā)。
（3）時(shí)間延遲性
傳感器從感應(yīng)到房間內(nèi)人的活動(dòng)停止到自動(dòng)關(guān)燈，期間有一定的時(shí)間延遲。大多數(shù)的控制器允許這個(gè)延遲時(shí)間在30s~30min之間可調(diào)。延遲時(shí)間長(zhǎng)短的設(shè)定因使用者的習(xí)慣不同而異。如果時(shí)間延遲性調(diào)節(jié)適當(dāng)，就可以避免僅僅由于占有者長(zhǎng)時(shí)間不運(yùn)動(dòng)所造成的關(guān)燈現(xiàn)象，并且也可避免由于在白天人的進(jìn)進(jìn)出出而造成燈頻繁通斷現(xiàn)象的發(fā)生。
現(xiàn)在許多傳感器具有自動(dòng)識(shí)別特性，既能判別其靈敏性，又能判別最后一人離開(kāi)房間后燈所照明的時(shí)間。較新型的傳感器技術(shù)幾乎能夠剔除由于空氣流動(dòng)或冷熱空氣交換所產(chǎn)生的誤動(dòng)作。
另外，占有傳感器還具有低功耗、關(guān)燈警告、模糊覆蓋、自動(dòng)報(bào)警、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)等特征。自學(xué)習(xí)特征一般是對(duì)多技術(shù)占有傳感器來(lái)說(shuō)的，它可以自動(dòng)調(diào)整在自學(xué)習(xí)階段所采集到的占有數(shù)據(jù)。關(guān)燈警告就是在自動(dòng)關(guān)燈或斷電前1分鐘（此時(shí)間用戶可調(diào)）以聲音或燈閃爍等可聽(tīng)或可見(jiàn)信號(hào)的形式告知占有者燈將熄滅或斷電，避免占有者陷入突然的黑暗。模糊覆蓋就是允許傳感器探測(cè)區(qū)域中某些區(qū)域被忽略，這樣可以減少傳感器的誤觸發(fā)。
2.3 功能
占有傳感器實(shí)質(zhì)是一種智能傳感器，它與微處理器相結(jié)合，并賦予了人工智能的功能，又兼有信息檢測(cè)與信息處理的功能。具體說(shuō)，占有傳感器具有以下基本功能：
（1）當(dāng)房間有人活動(dòng)時(shí)自動(dòng)照明；
（2）當(dāng)控制區(qū)域被占有時(shí)，能夠不受干擾地保持燈亮；
（3）當(dāng)控制區(qū)域沒(méi)有被占有時(shí)，在預(yù)定時(shí)間內(nèi)燈將自動(dòng)熄滅。
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2.4 占有傳感器的類型、技術(shù)及應(yīng)用
（1）被動(dòng)式紅外占有傳感器（PIR傳感器）
被動(dòng)式紅外占有傳感器檢測(cè)的是空間中背景熱源的模式。當(dāng)傳感器探測(cè)到背景熱源有顯著變化時(shí)，傳感器就會(huì)通過(guò)自動(dòng)開(kāi)燈或人為手動(dòng)開(kāi)燈作出反應(yīng)。而當(dāng)背景熱源變化返回到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，傳感器就會(huì)關(guān)燈。PIR傳感器必須對(duì)被檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行直線檢測(cè)以便判定是否有人出現(xiàn)。為了減少誤感應(yīng)，這類傳感器一般設(shè)計(jì)為只對(duì)人所發(fā)出的紅外線有反應(yīng)。
PIR傳感器的可靠性較高，但它的探測(cè)距離不易過(guò)大，這是因?yàn)椋阂皇羌t外傳感器的楔形傳感模式存在潛在的“死”區(qū)，這個(gè)“死”區(qū)隨著距離的增大而增大；二是由于是被動(dòng)的，控制器本身不發(fā)出任何信號(hào)，傳感器的觸發(fā)依賴于運(yùn)動(dòng)物體所散發(fā)的熱量的集中。
PIR傳感器一般適用于小型辦公室、形狀規(guī)則的房間、禮堂、實(shí)驗(yàn)室、 開(kāi)放式教室及辦公室、工廠等其它工作場(chǎng)所。它對(duì)于較小的房間效果較好。
（2）主動(dòng)式超聲波占有傳感器（US傳感器）
超聲波傳感器所發(fā)送和接收的聲音的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人耳所能聽(tīng)到的聲音的頻率。這些聲波遇到墻、物體及人時(shí)就會(huì)反射回來(lái)。當(dāng)反射回傳感器的聲波頻率發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)作就會(huì)被探測(cè)到，傳感器就會(huì)進(jìn)入占有模式。而當(dāng)聲波頻率沒(méi)有變化時(shí)，傳感器就會(huì)關(guān)燈。
超聲波傳感器區(qū)別于紅外傳感器是由于這類傳感器可以“看到”周圍的物體或人以及表面（只要空間及物體的表面很硬）。US傳感器靈敏度較高，測(cè)量范圍寬，它可以檢測(cè)到很小的運(yùn)動(dòng)。這類傳感器適用于較大房間、不規(guī)則形狀的房間，如圖書(shū)館閱覽室、大型試驗(yàn)室、樓梯、大型設(shè)備、結(jié)構(gòu)支撐物等。由于靈敏度高，空氣振動(dòng)、通風(fēng)采暖制冷系統(tǒng)及周圍鄰近空間的運(yùn)動(dòng)都會(huì)引起US傳感器產(chǎn)生誤觸發(fā)，所以，這類傳感器需要及時(shí)校準(zhǔn)。
另外，US傳感器所適用的頻率范圍很寬，在使用時(shí)一定要注意避免其工作頻率與那些能夠發(fā)射超聲波的設(shè)備所發(fā)出的聲波頻率有重疊。
（3）具有紅外技術(shù)和超聲波技術(shù)的雙技術(shù)占有傳感器
雙技術(shù)占有傳感器是較新型的傳感器，它綜合了無(wú)源紅外傳感技術(shù)和超聲波傳感技術(shù)，極大地降低了由于異常觸發(fā)而引起的錯(cuò)誤。在這類傳感器中，紅外傳感器探測(cè)物體的溫度，超聲波傳感器利用超聲波探測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)或位移，雙技術(shù)集成于同一設(shè)備或控制器，可以達(dá)到最佳的運(yùn)動(dòng)探測(cè)性能。這類傳感器對(duì)于那些對(duì)安全性、可靠性要求較高、空間布局較復(fù)雜、面積較大的房間較適合。
（4）聲敏元件
聲敏傳感器依賴于常見(jiàn)的人耳可聽(tīng)到的聲音，機(jī)械式聲音，敲擊鍵盤(pán)的聲音及其它典型的日常噪聲。對(duì)于背景噪聲，如一陣連續(xù)的嗡嗡聲、低水平噪聲可以忽略。這種技術(shù)適合于那些人們活動(dòng)頻繁的場(chǎng)合，或者是人們所在的房間空氣流通比較好的場(chǎng)合，如廚房、洗手間、工廠、倉(cāng)庫(kù)等。
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（5）具有被動(dòng)式紅外技術(shù)和麥克風(fēng)（擴(kuò)音器）技術(shù)的雙技術(shù)占有傳感器
這類傳感器不同于上面所描述的傳感器。這是因?yàn)檫@類傳感器不傳輸任何聲波。被動(dòng)式紅外探測(cè)技術(shù)檢測(cè)最初物體及人的運(yùn)動(dòng)并不斷檢測(cè)紅外線的活動(dòng)情況。麥克風(fēng)監(jiān)測(cè)聲波并保持燈亮直到聲音的活動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。
另外，占有傳感器還有具有日光無(wú)效、三技術(shù)等多技術(shù)的傳感器等類型。雙技術(shù)或多技術(shù)傳感器的價(jià)格相對(duì)較貴，但相對(duì)于單技術(shù)傳感器而言，其可靠性高，使用壽命長(zhǎng)。目前，PIR傳感器和US傳感器占據(jù)占有傳感器的主導(dǎo)地位。
占有傳感器用于控制照明系統(tǒng)最初是在安全系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用中。現(xiàn)在，已經(jīng)有不同類型的占有傳感器經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)用以控制照明，可以應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如咖啡廳、午餐店、教室、實(shí)驗(yàn)室、計(jì)算機(jī)房、咨詢室、走廊、賓館、圖書(shū)閱覽室、各種辦公室、候車室、體育館、健身房等等。根據(jù)空間類型，這類傳感器可以代替墻式安裝的照明開(kāi)關(guān)，或者安裝在偏僻的地方，仍保留原來(lái)正常的開(kāi)關(guān)。占有傳感器的安裝方式有墻式安裝、天花板安裝及其他形式的安裝。傳感器有一個(gè)有效的工作區(qū)域。安裝傳感器時(shí)必須按照使用說(shuō)明書(shū)的要求把傳感器安裝在其有效工作區(qū)域內(nèi)。正確的安裝位置隨著傳感器的覆蓋形式不同而不同。墻式安裝傳感器一般適合于較小的房間——小型辦公室、洗漱間、內(nèi)裝設(shè)備的房間等；天花板安裝的傳感器一般適合于開(kāi)敞式平面布置的辦公室以及照明燈安裝得較高的場(chǎng)合。當(dāng)然，您也可以安裝在墻角或靠近天花板的墻上。
3. 結(jié)論
占有傳感器是一種能夠節(jié)約能源的控制裝置。它根據(jù)被控范圍內(nèi)是否有人活動(dòng)來(lái)自動(dòng)控制照明系統(tǒng)。當(dāng)有人在房間內(nèi)時(shí)，燈亮；如果這個(gè)房間在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有被占有，此控制裝置將自動(dòng)把燈熄滅。通過(guò)這種方式就可以節(jié)約照明用電10％～50％，這個(gè)范圍因使用者習(xí)慣不同而異。占有傳感器技術(shù)在國(guó)外許多國(guó)家已被普遍采用，但在我國(guó)還沒(méi)有普及。隨著我國(guó)建筑業(yè)智能化的發(fā)展，以及人們節(jié)能意識(shí)的提高，占有傳感器將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。
本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)在于引入了占有傳感器的概念并將占有傳感器技術(shù)應(yīng)用于照明控制裝置、加熱及制冷等裝置，為節(jié)約照明及其它用電，實(shí)施綠色照明工程，改善照明及生活工作環(huán)境提供了可行有效的技術(shù)措施。
