节约能源的低功耗占有传感器

1 前言

能源危机和环境污染是我们经常谈论的两大话题，也是我们必须要解决的两个问题。技术的进步将有助于我们节约能源和保护环境。

随着各项事业的发展，用于照明的电能消耗越来越大，节约照明用电的问题倍受关注。除改进照明灯具外，开发照明控制器，根据人们在生产、生活、学习、工作中对照明的实际需要自动的开、闭照明灯，杜绝不必要的浪费，是降低照明能耗的重要途径。目前，对街道路灯和楼道路灯的自动控制技术已趋于成熟，但用于学习、工作和公共场所的照明控制技术却嫌薄弱。在这些场所，人的活动情况比较复杂，对照明的控制技术要求较高，路灯控制中的单纯的时控、声控、光控和一般意义上的人体感应控制都难于满足要求。
本文介绍一种具有全数码、微处理器线路，可连续分析被控对象的实时占有模式、持续调整最大性能设置的多技术传感器——占有传感器。占有传感器，也称为动作传感器，为我们提供了一种价廉、有效地节约能源的方法。这是由于当房间或某一工作场所没有被占有时，它可以自动切断电源，在商用、学校及一些公共场所，由于照明用电的损耗占了整个耗电量的40％左右，所以占有传感器对于减少能量损耗起了非常重要的作用。并且这类传感器采用被动式红外线、超声波感应或其它技术，也可将多种技术集成于同一设备，以达到最佳的运动探测性能，能够消除由于气流等单调运动导致的错误触发。所以该传感器可提供无故障、“装后无忧”的照明控制方案。

2占有传感器

2.1 定义及组成

占有传感器是一种具有控制功能的电传感器，它可以根据所感应的空间是否被占有或根据预先设定的光照值来控制电源，以控制照明系统或采暖与通风及制冷系统。占有传感器主要有红外、超声、声敏、混合等几种类型。

占有传感器实质上是一种智能式的微控制器，主要有敏感元件、微处理器、信号接收与处理电路、开关及发光LED等部分组成。其中微处理器或称作微控制器是采用美国Atmel公司生产的低电压、高性能的AVR 8-bit RISC微控制器，又称作Atmega88。此微控制器属于片上型微处理器，以CIP-51为内核，它本身集成了许多外围设备，如A/D和D/A转换器、1kB 的SRAM、可编程的8kB的 FLASH存储器、512字节的EEPROM、一个内部RC振荡器等。所有的I/O端口的每一个引脚都置上拉电阻，根据要求可独立地通与断。片上定时器/计数器具有定时、捕获、比较和PWM输出等功能。Atmega88结构框图如图1所示。

                                             图1  Atmega88结构组成

如上图所示，在占有传感器装置内装有闪烁LED及开关S，与微控制器的I/O端口相连。由于微控制器的I/O引脚可以产生幅值为20mA的高电平，所以闪烁LED及开关S可以与微控制器直接相接而不必外接其它电路或电阻。通过红外、超声波、光学等传感技术采集被占有区域相关的人的活动及光照等情况，通过A/D转换器，并将转换结果储存在SRAM中，微控制器经过分析并与保存在Flash存储器中的设定值进行比较，以控制占有区域内灯的开、关或发出声光报警等信号。

2.2 特征

（1）个性化的控制模式
许多占有传感器向用户提供个性化的服务。不论是墙式安装还是远距离安装，都可以工作在以下模式：“一直断”、“一直通”、“自动”。目前，大多数占有传感器完全是自动的。当有人进入房间时就开灯，而当人离开时就关灯。对于那些有充足自然光照的房间，当有人进入房间就开灯并一直保持下去将会造成很大的浪费。为了避免发生这种现象，现在大多数的制造商提供仅有断开控制模式的占有传感器或具有日光无效的占有传感器。对于前一种传感器，当人进入感应区并且需要开灯时，必须手动操作。当房间无人时，控制器就会自动切断电源并将自动保持断开状态直到下一次有人开灯。这种类型的传感器可以最大限度的节约能源。对于后一种传感器，它具有内置日光传感装置。当日光传感装置感测到房间内有充足的自然光线时，即使房间被充足占有，也会使灯处于熄灭的状态。这类传感器对于那些有充足的自然光线照射的房间非常适用。

（2）灵敏度可调性
占有传感器的灵敏度是可以调整的，这样可以使控制器运行更为可靠。对于采暖、制冷、通风系统，如果空气运动会触发传感器就可以降低灵敏度。相反，为了感应较小的运动，也可以提高控制器的灵敏度。

灵敏度可调可以允许用户调节传感器，这样控制器就能够识别人的活动，从而排除其他运动所引起的误触发。

（3）时间延迟性
传感器从感应到房间内人的活动停止到自动关灯，期间有一定的时间延迟。大多数的控制器允许这个延迟时间在30s~30min之间可调。延迟时间长短的设定因使用者的习惯不同而异。如果时间延迟性调节适当，就可以避免仅仅由于占有者长时间不运动所造成的关灯现象，并且也可避免由于在白天人的进进出出而造成灯频繁通断现象的发生。

现在许多传感器具有自动识别特性，既能判别其灵敏性，又能判别最后一人离开房间后灯所照明的时间。较新型的传感器技术几乎能够剔除由于空气流动或冷热空气交换所产生的误动作。

另外，占有传感器还具有低功耗、关灯警告、模糊覆盖、自动报警、自适应、自学习等特征。自学习特征一般是对多技术占有传感器来说的，它可以自动调整在自学习阶段所采集到的占有数据。关灯警告就是在自动关灯或断电前1分钟（此时间用户可调）以声音或灯闪烁等可听或可见信号的形式告知占有者灯将熄灭或断电，避免占有者陷入突然的黑暗。模糊覆盖就是允许传感器探测区域中某些区域被忽略，这样可以减少传感器的误触发。

2.3 功能

占有传感器实质是一种智能传感器，它与微处理器相结合，并赋予了人工智能的功能，又兼有信息检测与信息处理的功能。具体说，占有传感器具有以下基本功能：

（1）当房间有人活动时自动照明；
（2）当控制区域被占有时，能够不受干扰地保持灯亮；
（3）当控制区域没有被占有时，在预定时间内灯将自动熄灭。

2.4 占有传感器的类型、技术及应用

（1）被动式红外占有传感器（PIR传感器）
被动式红外占有传感器检测的是空间中背景热源的模式。当传感器探测到背景热源有显著变化时，传感器就会通过自动开灯或人为手动开灯作出反应。而当背景热源变化返回到一个稳定状态时，传感器就会关灯。PIR传感器必须对被检测对象进行直线检测以便判定是否有人出现。为了减少误感应，这类传感器一般设计为只对人所发出的红外线有反应。

PIR传感器的可靠性较高，但它的探测距离不易过大，这是因为：一是红外传感器的楔形传感模式存在潜在的“死”区，这个“死”区随着距离的增大而增大；二是由于是被动的，控制器本身不发出任何信号，传感器的触发依赖于运动物体所散发的热量的集中。
PIR传感器一般适用于小型办公室、形状规则的房间、礼堂、实验室、 开放式教室及办公室、工厂等其它工作场所。它对于较小的房间效果较好。

（2）主动式超声波占有传感器（US传感器）
超声波传感器所发送和接收的声音的频率远远高于人耳所能听到的声音的频率。这些声波遇到墙、物体及人时就会反射回来。当反射回传感器的声波频率发生变化时，动作就会被探测到，传感器就会进入占有模式。而当声波频率没有变化时，传感器就会关灯。

超声波传感器区别于红外传感器是由于这类传感器可以“看到”周围的物体或人以及表面（只要空间及物体的表面很硬）。US传感器灵敏度较高，测量范围宽，它可以检测到很小的运动。这类传感器适用于较大房间、不规则形状的房间，如图书馆阅览室、大型试验室、楼梯、大型设备、结构支撑物等。由于灵敏度高，空气振动、通风采暖制冷系统及周围邻近空间的运动都会引起US传感器产生误触发，所以，这类传感器需要及时校准。

另外，US传感器所适用的频率范围很宽，在使用时一定要注意避免其工作频率与那些能够发射超声波的设备所发出的声波频率有重叠。

（3）具有红外技术和超声波技术的双技术占有传感器
双技术占有传感器是较新型的传感器，它综合了无源红外传感技术和超声波传感技术，极大地降低了由于异常触发而引起的错误。在这类传感器中，红外传感器探测物体的温度，超声波传感器利用超声波探测物体的运动或位移，双技术集成于同一设备或控制器，可以达到最佳的运动探测性能。这类传感器对于那些对安全性、可靠性要求较高、空间布局较复杂、面积较大的房间较适合。

（4）声敏元件
声敏传感器依赖于常见的人耳可听到的声音，机械式声音，敲击键盘的声音及其它典型的日常噪声。对于背景噪声，如一阵连续的嗡嗡声、低水平噪声可以忽略。这种技术适合于那些人们活动频繁的场合，或者是人们所在的房间空气流通比较好的场合，如厨房、洗手间、工厂、仓库等。

（5）具有被动式红外技术和麦克风（扩音器）技术的双技术占有传感器
这类传感器不同于上面所描述的传感器。这是因为这类传感器不传输任何声波。被动式红外探测技术检测最初物体及人的运动并不断检测红外线的活动情况。麦克风监测声波并保持灯亮直到声音的活动处于稳定状态。
另外，占有传感器还有具有日光无效、三技术等多技术的传感器等类型。双技术或多技术传感器的价格相对较贵，但相对于单技术传感器而言，其可靠性高，使用寿命长。目前，PIR传感器和US传感器占据占有传感器的主导地位。
占有传感器用于控制照明系统最初是在安全系统的开发应用中。现在，已经有不同类型的占有传感器经过特别设计用以控制照明，可以应用于多种场合，如咖啡厅、午餐店、教室、实验室、计算机房、咨询室、走廊、宾馆、图书阅览室、各种办公室、候车室、体育馆、健身房等等。根据空间类型，这类传感器可以代替墙式安装的照明开关，或者安装在偏僻的地方，仍保留原来正常的开关。占有传感器的安装方式有墙式安装、天花板安装及其他形式的安装。传感器有一个有效的工作区域。安装传感器时必须按照使用说明书的要求把传感器安装在其有效工作区域内。正确的安装位置随着传感器的覆盖形式不同而不同。墙式安装传感器一般适合于较小的房间——小型办公室、洗漱间、内装设备的房间等；天花板安装的传感器一般适合于开敞式平面布置的办公室以及照明灯安装得较高的场合。当然，您也可以安装在墙角或靠近天花板的墙上。

3. 结论

占有传感器是一种能够节约能源的控制装置。它根据被控范围内是否有人活动来自动控制照明系统。当有人在房间内时，灯亮；如果这个房间在一定时间内没有被占有，此控制装置将自动把灯熄灭。通过这种方式就可以节约照明用电10％～50％，这个范围因使用者习惯不同而异。占有传感器技术在国外许多国家已被普遍采用，但在我国还没有普及。随着我国建筑业智能化的发展，以及人们节能意识的提高，占有传感器将会得到广泛应用。
本文作者的创新点在于引入了占有传感器的概念并将占有传感器技术应用于照明控制装置、加热及制冷等装置，为节约照明及其它用电，实施绿色照明工程，改善照明及生活工作环境提供了可行有效的技术措施。