红外传感器在智能教室照明控制中的应用

陈淑芳

福州职业技术学院建筑工程学院（福建 福州 350108）

0 引言

近几年，我国科技水平不断提高，基于红外传感器教室照明自动控制系统应运而生，该系统在具体的运用中，可以利用红外传感器自动化检测教室内光线的强度及教室内学生的数量，当教室内无人且光线强度不符合照度要求时，系统会自动关闭照明灯，当教室有人且光线强度符合照度要求时，系统会自动开启照明灯，以达到节能降耗的目的。如何将红外传感器科学应用于智能教室照明控制是技术人员必须思考和解决的问题。

1 系统方案设计

传统红外传感器在具体的运用中，仅仅能识别动态的人体，无法识别静止的人体，文章设计的基于红外传感器教室照明自动控制系统，除了可以精确地识别动态的人体，还能识别教师内相对静止的人体，从而实现对教室照明灯照明情况的智能化控制，以最大限度地提高学校节能降耗效果。

1.1 系统框架设计

通常情况下，人体发出红外线特定波长为10 μm左右，因此通过利用红外热释电传感器，可以实现对人体信号的精确识别，然后采用电路放大或A/D转化的方式，将最终的人体信号识别结果发送给单片机控制电路，以实现对教室照明灯的自动化、智能化控制和管理，从而真正地实现“人在灯开，人走灯关”的目标[1]。

1.2 红外传感器设计

（1）红外传感器工作原理。通过借助热释电红外传感器的作用，尽可能控制自身温度变化对人体信号的干扰程度，同时采用非接触的方式，科学检测人体释放的红外线信号变化情况，并将红外线信号转化为电信号。红外传感器内部含有多个晶硅片，这些晶硅片采用反向串联的方式，使传感器内部阴极、阳极的干扰信号相互抵消，从而实现对能量的有效补偿。为了进一步提高人体红外线检测结果的准确性，还要将热释电传感器安装在不同的探测电元件上，确保传感器正常、稳定地输出电压信号[2-3]。

（2）红外传感器的动态检测解决方案。热释电红外传感器仅仅能有效地检测运动的人体，而学生在教室自习时，通常处于相对静止的状态或运动幅度比较小的状态，此时热释电红外传感器无法对其进行精准检测和识别，为了解决该问题，现提出以下解决方案。首先要确保传感器自动产生幅度较小的运动，然后借助人体与传感器两者之间的相对运动状态，精确地检测和识别人体信号。热释电红外传感器运动方式主要有以下两种：①振动方式。红外传感器振动方式主要是指通过将传感器安装和固定在小型振动器中，检测和识别人体信号，并向控制电路传输最终的识别结果，使传感器在振动器的带动下小幅度振动，以精确检测和识别相对静止的人体[4]。教室照明自动控制系统将红外传感器的振动时间、振动周期、振动频率分别设置为每2 s、30 s和30 s一次，如果在半个月内，探测区域内没有出现人体信号，该系统会自动关闭教室内所有照明灯，以达到节能降耗的目的。②摆动方式。红外传感器摆动方式主要是指传感器在弹片的作用下上下摆动，确保人体处于相对运动的状态。要实现弹片的正常摆动，需要利用小型电机驱动凸轮，使弹片产生不同程度的摆动。

2 系统功能设计

在红外传感器的应用背景下，要提高教室照明自动控制系统运行性能，技术人员要严格按照教室照明自动控制系统总体框图（见图1），不断优化和完善系统功能，然后通过科学检测和识别探测区域内人体信号，智能化控制照明灯，以达到节能降耗的目的。

图1 教室照明自动控制系统总体框图

2.1 热释电人体红外检测功能

在具体的设计中，技术人员要从以下几个方面入手。（1）各个物体自身温度不同，发出的红外线也存在很大的差异。通常情况下，人体正常体温为37 ℃，此时，人体会辐射出一定强度的红外线。该系统可以借助自身的热释电效应，采用监测人体红外线特征的方式，科学感知和判断人体是否存在。当探测区域内没有人时，该系统会自动检测教室环境温度；当探测区域内有人时，该系统可以通过科学检测和判断教室环境温度和人体温度之间的差值，精确地确定人员数量。（2）热释电传感器具有强大的过滤功能和透镜功能，能将少量红外线波长聚集到热释电元件中，同时还能过滤室内灯光、室外太阳光，以实现对人体的有效识别。由此可见，通过科学设计热释电人体红外检测功能，可以精确地检测教室内是否存在人体，为后期自动控制教室照明灯打下坚实的基础[5]。

2.2 环境光强度检测功能

环境光强度检测功能在具体的设计中，主要借助室内自然光线强度，采用电路组合的方式，精确地检测光线强度电压值，并向微电脑控制电路传输电压信号，以实现对光照度及光源开关状态的智能化控制和管理[6]。

2.3 微电脑控制功能

微电脑控制功能在具体的运用中，主要根据教室内自然光线强度，精确分析和判断教室内是否有人，便于自动化地控制和管理教室内光照强度。微电脑与人体大脑功能类似，通过在微电脑内设置一个光线强度阀值，并严格按照照度优先顺序，实现对照明灯具的自动化、智能化控制。在具体的设计中，主要借助红外传感器全面接收热释电信号，然后根据最终的接收的信号，科学分析和检测教室内是否有人。此外，为了提高学校节能降耗的效果，还要综合分析和判断教室自然光线强度，如果室内自然光线强度满足照度要求，那么仍然保持教室照明灯关闭设置状态；如果室内自然光线强度无法满足照度要求，且探测区域内有人时，需要将照明灯设置为开启状态。当教室照明灯打开后，教室照明自动控制系统仍然会自动地检测教室自然光线强度与人体是否存在等相关信息，如果发现教室自然光线强度满足照明要求且探测区域内没有人时，系统会将该探测区域范围内的照明灯全部关闭，以起到节能降耗的作用[7]。

3 系统具体应用

在没有使用教室照明自动控制系统之前，即使白天教室内光线充足，学生在教室自习时，也会开启所有灯具，造成电能的极大浪费，同时也缩短了灯具的使用寿命。通过利用教室照明自动控制系统智能化控制教室照明状态，能起到节能降耗的作用。此外，该系统具有强大的手动控制功能，能针对学校上课时间安排情况，人为控制教室照明灯，以实现节能降耗的目标。为了更好地验证教室照明自动控制系统的节能降耗效果，现将基于红外传感器教室照明自动控制系统应用于某高校教室中。首先，在充分结合教室内自然光线与教室朝向之间关系的基础上，采用类比实验的方式，分别选取了两个阳面教室和两个阴面教室，教室均能容纳150人，房间面积为170 m2，所有灯具均为荧光灯，灯具数量为20盏，同时还在每个教室内安装了电度表，便于准确记录和统计教室用电情况。从节电器耗能试验对比结果（见表1）可以看出，基于红外传感器教室照明自动控制系统不仅具有非常高的节能降耗效果，降低了学校用电损耗量，还减小了系统维护成本，因此该系统应该被广泛地普及和应用于各高校[8]。

表1 节电器耗能试验对比结果

4 结束语

在红外传感器的应用背景下，教室照明自动控制系统在开发和应用方面取得了很大的突破和创新，该系统不仅功能强大、通用性强，具有良好的用户体验，还在学校用电领域中取得了显著的应用效果，因此深受广大用户的青睐。为了方便后期系统的维护和升级，需要相关软件开发人员再接再厉，用更加精确的代码扩充更多适用的功能，从而为促进教室照明自动控制系统健康、可持续发展，提高其应用价值和应用前景提供有力的保障。