基于紅外傳感器的噴泉安全智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋宗峰　蔡小燕　謝光裕

摘 要：本文針對(duì)噴泉傷人事件，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于紅外傳感器的噴泉安全智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過(guò)紅外傳感器檢測(cè)是否有游客進(jìn)入噴水區(qū)，如有游客進(jìn)入則調(diào)整輸出，將水壓控制在安全范圍內(nèi)，或直接終止噴水，從而實(shí)現(xiàn)噴泉的安全控制。

關(guān)鍵詞：紅外傳感器；噴泉安全性能；智能控制；PLC

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.111

1 背景

隨著城市化進(jìn)程的加速，在廣場(chǎng)、小區(qū)、酒店、校園等地方都可以看到各種噴泉。泉水可以隨音樂(lè)翩翩起舞，如與園林藝術(shù)結(jié)合起來(lái)，觀眾在欣賞美妙音樂(lè)、自然美景的同時(shí)，又可以享受到噴泉的舞蹈，為生活增添了不少樂(lè)趣。但噴泉傷人的事件時(shí)有發(fā)生，2008年六一兒童節(jié)北京植物園音樂(lè)噴泉發(fā)生傷人事件，致使小女孩受傷嚴(yán)重[1]；2013年 8月1日恩施一名小男孩在州文化中心廣場(chǎng)被噴泉擊傷 [2]。

噴泉之所以能夠傷人，是由于水柱噴出時(shí)壓強(qiáng)較大，利用式1計(jì)算噴泉底部的壓強(qiáng)，式中P是壓強(qiáng)，ρ是水的密度，取ρ=1.0×10?kg/m3，h是噴泉高度g為重力加速度，取g=9.8N/kg。

式1

當(dāng)噴泉高度為20m時(shí)，可計(jì)算出噴泉底部的壓強(qiáng)為P=1.96×105Pa，而人體內(nèi)部氣壓約等于大氣壓約，即1.013×105Pa。所以高度為20m的噴泉底部的壓強(qiáng)超過(guò)人體內(nèi)部壓強(qiáng)約0.96Pa，會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重的傷害。

噴泉的管理人員為了提高其安全性，多采取圍蔽的措施，如采用綠化帶、警戒線等設(shè)施，或者增加安保人員來(lái)組織、管理游客。

2 噴泉控制系統(tǒng)的硬件組成

為從技術(shù)層面提高噴泉的安全性，讓觀眾放心的享受這賞心悅目的公共設(shè)施，本文設(shè)計(jì)了一種利用紅外傳感器（Infrared Sensor）的智能噴泉控制系統(tǒng)，其布局框圖如圖1所示。在噴水區(qū)的四個(gè)角安裝可以檢測(cè)人體信號(hào)的紅外傳感器，當(dāng)有游客由外部穿過(guò)紅外感應(yīng)區(qū)進(jìn)入噴水區(qū)時(shí)，紅外傳感器即可采集人體的紅外信號(hào)，進(jìn)而將采集到的信號(hào)處理后傳送給微處理器，之后處理器按照設(shè)定好的程序運(yùn)行低水壓噴水模式或直接關(guān)閉噴水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用施工時(shí)，為增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，可以增加傳感器的個(gè)數(shù)，尤其是比較大的噴水區(qū)，在其周邊每隔一定的距離都要安裝紅外感應(yīng)器（其間的距離不能超過(guò)傳感器的工作范圍），以確保紅外信號(hào)正常采集。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可畫出該音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)的框圖，如圖2所示。系統(tǒng)中采用PLC作為中心控制器，目前，PLC技術(shù)相當(dāng)成熟，應(yīng)用的范圍也越來(lái)越廣泛，幾乎滲透到了各行各業(yè)，許多噴泉采用PLC作為控制器。PLC的硬件系統(tǒng)由CPU板、輸入接口電路、輸出接口電路、電源及外圍接口等組成。選取PLC型號(hào)之前要根據(jù)實(shí)際要求計(jì)算出I/O點(diǎn)數(shù)，以滿足通信與擴(kuò)展模塊的需求，另外需考慮存儲(chǔ)容量與運(yùn)算能力，綜合以上參數(shù)，本控制系統(tǒng)采用的控制器為三菱FX2N—48MR。

由圖2可以看出音樂(lè)噴泉控制系統(tǒng)的硬件包括微處理器PLC、音頻采集器、紅外傳感器、變頻器組、揚(yáng)聲器等。

為實(shí)現(xiàn)噴泉安全性的要求，利用的硬件資源，可以繪制出該控制系統(tǒng)的工作流程圖，如圖3所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先檢測(cè)紅外傳感器傳來(lái)的人體信號(hào)，如有采集到人體紅外信號(hào)，則將噴水模式調(diào)制低水壓噴水模式，并發(fā)出聲音示警，請(qǐng)游客離開(kāi)噴水區(qū)，低水壓模式運(yùn)行30s后，若在噴水區(qū)仍然可以檢測(cè)到有人存在，則終止噴水，若已無(wú)游人存在與噴水區(qū)則進(jìn)入正常噴水模式。

而系統(tǒng)開(kāi)啟后，若檢測(cè)無(wú)人體紅外信號(hào)則進(jìn)入正常噴水模式。正常噴水過(guò)程包括，采集音樂(lè)噴泉的背景音樂(lè)，音強(qiáng)分析，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入中心控制器PLC，PLC經(jīng)分析后輸出相應(yīng)的控制信號(hào)至變頻器，以便控制水泵噴水。

3 模擬實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

根據(jù)上述流程，編輯梯

形圖，連接PLC與變頻器，測(cè)量變頻器的輸出，測(cè)量值與理論值一致，理論上可以使得噴泉水柱噴出要求的高度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴泉水柱高度的控制；并能夠通過(guò)紅外傳感器檢測(cè)是否有游客進(jìn)入噴水區(qū)，如有，則將噴水系統(tǒng)調(diào)至低水壓噴水狀態(tài)然后關(guān)閉?？梢钥闯鲈摽刂葡到y(tǒng)能夠很好的提高噴泉的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]http：//hi.blog.sina.com.cn/blog/lawonline/show.php？id=77330[EB/OL].

[2]http：//www.s1979.com/house/20130823/2398851723.shtml[EB/OL].

[3]華滿香.電氣控制及PLC應(yīng)用[M].人民郵電出版社，2009（05）.

[4]電工新技術(shù)教程[S].廣東省職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心.

[5]周昕.基于PLC的中頻感應(yīng)加熱溫度控制系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)電， 2015（01）.

作者簡(jiǎn)介：宋宗峰（1983-），女，山東臨沂人，講師，研究方向：模糊控制應(yīng)用。