基于微波传感器的室内节能控制系统设计

刘远社

(西南民族大学电气信息工程学院，四川 成都 610041)

随着国民经济的发展，人们的生活条件不断改善，办公学习环境也随之日益优化.与之相应的公众场所的空调使用率越来越高，用电量占比越来越大.然而人们的公众节能意识却相对落后，自觉性不强，特别是像学校教室这样的学习场所，学生学习结束离开时通常不会主动去关闭空调和照明灯，造成电能浪费比较严重.因此，教室的节能控制成为学校有关部门的头痛问题，制定许多节能条款或采用人为的方法来加以控制，但效果并不理想，也不符合科学发展观.随着科技的进步，智能节能控制的理念已进入人们的日常生活.人们活动场合的智能节能控制实质上就是通过对人存在与否的判断和特定量(如温度、照度等)的测量来实现自动控制，对人的存在与否以及数量多少的判断主要有监控视频分析[1-2]、热释电红外监控判断[3-5]和红外对管计数[6-8].智能监控视频分析成本较高且需要相应的软件支持；热释电红外监控系统受环境影响较大且无法区分人员的分布情况；红外对管计数虽然简单易行，但实际安装位置和使用过程受限.而目前报道的有关节能控制系统多是针对照明电灯[9-12]，对用电较大且日益普及的空调在使用中的节能控制研究较少.

微波传感器是利用微波的多普勒效应来探测物体的位置移动、速度、距离等信息的器件，在公共场所的自动报警控制及智能家居方面已获得越来越多的应用[13-16].由于微波传感器比红外传感器在耐候性(不受温度、气流、灰尘等影响)和距离方面更胜一筹，可以安装在一定厚度的塑料、玻璃、木制等非金属的外壳里面，而对其探测能力没有影响，且随着微波传感器价格的降低，在许多应用领域有逐渐取代红外传感器之势.本文基于微波传感器提出了一套相对可靠的教室节能控制系统.

1 系统构成及原理

系统以微波传感器为核心，主要由人体感应系统、照度测控系统和温度测控系统等组成，系统组成如图1所示.

图1 系统构成及原理图Fig.1 System structure and schematic diagram

首先微波传感器感应教室是否有人，如果教室无人，继电器KA断开，相应系统关闭；如果教室有人存在，继电器KA闭合接通，照度测控系统和温度测控系统启动；然后，照度传感器检测室内照度是否低于一定值EL(如300lx)，如果低于该值，继电器KA1闭合接通，灯光照明启动，否则，灯光照明关闭.与此同时温度传感器检测室内温度，如果温度高于一定值tH(如25℃)，继电器KA2闭合接通，风扇电路启动，否则断开；如果温度高于某一值tH(如25℃)或低于某一值tL(如15℃)，继电器SSR闭合接通，空调电路启动，否则断开.

1.1 人体感应系统

微波传感器由微波发射器定向发出微波信号，遇到被测物体时，微波信号部分被吸收，部分被反射，利用微波接收器的天线接收被测物体反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理，实现对被测物体的测量判断.为了可靠的感应室内人体，微波传感器的感应角度不能太大，以90°左右为宜，感测距离2～20m为佳，可选用GH-719C微波传感器.

GH-719C微波传感器，工作于X波段(10.525/10.687GHz)，是在国际电联规定的无需申请使用频点的ISM频段，其功率密度1m处0.7 μW/cm2，远小于国家环境电磁波卫生一级标准(＜10 μW/cm2)，对人体不会构成安全危害，且墙壁等遮挡物外的物体对其干扰很小.微波感应模块信号处理采用单片机程序分析，可靠性高.直接加直流3.5～20V电源即可工作，电路板上有16级灵敏度调整，使感应距离在0.8～30米内可调.4种触发模式选择，使输出信号延时2～30s可调.在此时间内，模块以每秒30次的频率，不断的检测，在检测到人体的每一次活动(包括肢体移动)后会自动顺延相应的时间，如此重复，直到人离开检测范围为止.电路如图2所示.

220V交流电经整流、稳压，为微波传感器GH719C提供12V的工作电压，当GH719C感受到移动人体时，输出一个3V的高电平电压，驱动三极管T1饱和导通，使常开继电器 KA吸合，通过稳压器LM7805为后继电路提供工作电压，为照度测控系统和温度测控系统做好正常工作的准备.

1.2 照度测控系统

照度测控系统由LX1970集成可见光亮度传感器构成，电路如图3所示.

图2 人体感应控制电路Fig.2 Human body induction control circuit

图3 照度测控电路Fig.3 Illuminance measurement and control circuit

LX1970芯片中包含PIN型光电二极管、高增益放大器和两个互补式电流输出端.光电二极管的光谱特性及灵敏度都与人眼十分相似，能代替人眼感受环境亮度的明暗程度，并将接受到的可见光转换成电流信号，在峰值波长520nm处电流灵敏度为0.38 μA/lx，暗电流为10nA.按照国家教室照明标准，在最低300lx环境照度下，测得LX1970电流输出约40 μA，通过电阻R2、R3将其转换为0.83V的控制电压USRC加在比较器LM311的反相输入端.比较器的同相输入端接参考电压，该电压可根据实际情况通过电位器RP来调节.这样，当参考电压设定为0.83V时，如果教室照度低于特定值300lx，LX1970输出的电压USRC就低于比较器的参考电压，比较器输出高电平，三极管导通，继电器KA1吸合，照明灯电路接通，否则，断开.

1.3 温度测控系统

温度测控系统由DS1620集成温度控制器构成，电路如图4所示.

DS1620集成温度控制器内部包含温度传感器、温度-数据转换电路和温度控制器.温度范围-55～125℃，分辨力0.5℃，适配各种微处理器或单片机，构成智能化温控系统.控制的上限温度和下限温度也可由用户通过三线串行接口输入，并且可通过内部的EPROM由用户设定，构成独立模式.独立使用时CLK/时钟输入端/控制端接低电平，以便连续进行温度-数据转换；为复位端，该端接低电平时将DS1620复位，I/O端变为高阻态.当温度t＞tH(上限温度)时，高温触发端TH输出高电平；当温度t＜tL(下限温度)时，低温触发端TL输出高电平.高、低温组合触发端TCOM具有滞后温度特性，在升温过程中，当温度t＞tH时，该端变为高电平；而当温度下降到tH时，仍保持高电平，只有当t＜tL时才恢复成低电平.

在图4中，通过DS1620的TCOM端触发控制三极管T3的导通，进而控制电风扇的启动.TH和TL触发端经7486异或门控制SSR-10DA单相固态继电器，进而控制空调.SSR-10DA为交流型固态继电器，输入电路采用了光电耦合器，开关输出端采用双向可控硅闸流管，被控制电路串联在两输出的交流端上.它具有控制灵活、寿命长、防爆和无机械接点，输入直流控制电压3～32V，电流大于5mA；输出交流电压24～380V，电流10A.

图4 温度测控电路Fig.4 Temperature measurement and control circuit

2 安装与调试

为了增强系统的可靠性，应根据教室的大小、方位，合理安装，适当调试.

(1)GH-719C微波传感器电路板上有4个标有0、1、2、3的连接点，可按二进制短路连接实现16级灵敏度调整.4个连接点短路为1，断开为0，全部短路，灵敏度最高，感应距离最大；4个连接点断开，感应距离最近.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，这样感应距离在0.8～30米内可调.GH-719微波传感器方位角80°，俯仰角40°.因此，对于60座左右的小教室，灵敏度一般可调整为0100；90座左右的中等教室，灵敏度可调整为0110；对于120座左右的大教室，灵敏度可调整为1000.微波传感器可安装在教室内前门上方靠墙角处，使传感器的法线指向教室中心的桌面，同时注意感应范围避开吊扇.对于120座以上的阶梯教室，微波传感器宜安装在教室内后门上方靠墙角处，感应距离根据教室的具体大小来调节，安装位置如图5所示.

另外微波传感器电路板上还有2个标有4、5的连接点，可按二进制短路连接实现4种触发模式选择.00为不可重复触发摸式:探测到移动物体，输出3s高电平信号后停止，延时2s再检测，探测到移动物体又输出2s，依次循环.直到探测不到移动物体，高电平信号输出停止.0 1为可重复触发模式，延时时间2s:探测到移动物体，输出2s高电平信号，在2s时间内，模块以每秒30次的频率不断的检测，如果再次探测到物体移动，时间继续延时2s，直到探测不到移动物体，高电平信号延时2s后停止.10为可重复触发模式，延时时间10s:探测到移动物体，输出10s高电平信号，如此重复，直到探测不到移动物体，高电平信号延时10s后停止.11为可重复触发模式，延时时间30s:探测到移动物体，输出30s高电平信号，不断重复检测，直到探测不到移动物体，高电平信号延时30s后停止.因此，对于教室监控以11可重复触发模式为佳.

(2)可见光亮度传感器及照度测控系统可安装在教室的中央顶部，避开吊扇遮挡.如果还要保留现有的人工控制开关，可将可见光亮度传感器及照度测控系统安装在人工开关上方靠近教室顶部的位置，并将人工控制开关串在照度控制系统输出端，传感器感光窗口应避免阳光和灯光直射.对于大教室，可根据其结构和布局安装几个照度控制装置实行前后或左右分区控制.传感器安装位置的照度毕竟和桌面的照度有差别，可根据实际情况现场调节图3中的照度控制电位器RP以满足最佳需求.

(3)对于90以下座位的教室，由于室内面积较小，通常只安装一台空调，空调基本安装在讲台旁对前门的位置.这样，温度传感器及其测控系统可安装在教室前墙面靠窗方向的上方.对于90以上座位的大教室，如果教室前、后各安装一台空调，那么，还可在教室后墙面中央上方再安装一套温度测控系统，以实现前后分区控制.但是，由于电扇开关一般都安装在教室进门侧的墙上，为了兼顾电扇的控制，减少线路的长度，也可将温度控制系统安装在原电扇开关的上方附近.或将整个节能控制系统有机组合在一起整体安装，这样有利于施工和以后的维修.

图5 系统安装位置示意图Fig.5 System installation location schematic diagram

3 结论

本系统是利用微波传感器来探测室内是否有人存在，可见光亮度传感器检测室内照度，温度传感器检测室内温度，与控制电路一起构成节能控制系统.由于信号采集全部采用集成传感器，简化了硬件电路的设计，降低了系统的成本和功耗，提高了稳定性和可靠性.另外，系统耐候性好，抗干扰能力强，覆盖面广，没有死角盲区，调节方便，可根据不同大小及不同方位结构的办公学习场所适时调整使用.特别是像政府办公区域，人员多、流动无规律，这样的节能控制系统更显得必要，有巨大的推广价值.如果要进一步提高控制的准确性，微波传感器可与红外传感器组合来判断室内人员的有无及分布情况，实现分区域监控.该系统的使用不但可以改变现阶段依靠管理员人为关电的尴尬情况，还将在保障良好的办公、教学环境情况下有效地节约电力资源.

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