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、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
如上圖所示，在占有傳感器裝置內(nèi)裝有閃爍LED及開關(guān)S，與微控制器的I/O端口相連。由于微控制器的I/O引腳可以產(chǎn)生幅值為20mA的高電平，所以閃爍LED及開關(guān)S可以與微控制器直接相接而不必外接其它電路或電阻。通過(guò)紅外、超聲波、光學(xué)等傳感技術(shù)采集被占有區(qū)域相關(guān)的人的活動(dòng)及光照等情況，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果儲(chǔ)存在SRAM中，微控制器經(jīng)過(guò)分析并與保存在Flash存儲(chǔ)器中的設(shè)定值進(jìn)行比較，以控制占有區(qū)域內(nèi)燈的開、關(guān)或發(fā)出聲光報(bào)警等信號(hào)。
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)就開燈，而當(dāng)人離開時(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控制模式的占有傳感器或具有日光無(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_狀態(tài)直到下一次有人開燈。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或可見信號(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。
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)開燈或人為手動(dòng)開燈作出反應(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的人耳可聽到的聲音，機(jī)械式聲音，敲擊鍵盤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。
（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關(guān)，或者安裝在偏僻的地方，仍保留原來(lái)正常的開關(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。