牛通之+武翀

摘 要：針對現(xiàn)有風扇空轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的浪費，能量利用率低的問題，在對現(xiàn)有風扇調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款人體追蹤節(jié)能風扇，通過采用紅外熱釋電傳感器實現(xiàn)人體追蹤，達到風扇始終面向人體工作的功能；同時結(jié)合測距/測溫傳感器調(diào)節(jié)風扇風速。本設(shè)計中設(shè)計制作了落地扇與臺式風扇兩種家庭常用電扇，均達到了較理想的效果。測試結(jié)果表明，本設(shè)計可有效地實現(xiàn)節(jié)能減排目的。

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排；風扇；人體追蹤；紅外熱釋電

中圖分類號：TN2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）09-0066-02

1 項目背景

電風扇是一種應(yīng)用廣泛的家用電器，主要用于清涼解暑與空氣流通，具有低成本、低能耗的優(yōu)勢，廣泛用于家庭、辦公室、商店、醫(yī)院和賓館等場所，加之現(xiàn)有空調(diào)容易造成“空調(diào)病”等問題，不適合老人、小孩等體質(zhì)較弱的人群使用，因而電扇仍是許多消費者的優(yōu)先選擇[1]。中國年鑒統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，電扇銷售量仍然非常巨大，每年約為350萬臺。擺頭式風扇有掃風和直風兩種工作模式：掃風模式時，風扇以固定角度擺動送風，易造成空程浪費，能量利用率低；直風模式下，風扇朝固定方向送風，不能滿足人體運動的特性。另外，風扇風速一般不能根據(jù)人體遠近、溫度等實際使用情況進行調(diào)節(jié)，浪費電能的同時降低了風扇使用效果。

目前國內(nèi)市場針對傳統(tǒng)風扇的改進多體現(xiàn)在拓展了“搖頭”，“自然風”等功能，而并不能滿足當今社會日益增長的對于智能化的需求。通過進行相關(guān)問卷調(diào)查，消費者也普遍反映風扇存在檔位過少，轉(zhuǎn)角固定等問題，因此，實現(xiàn)電風扇的智能化、人性化及節(jié)能效果十分有前景。

現(xiàn)有人體追蹤的方式包括攝像頭識別以及紅外檢測等方式，目前最常用且成本較低的方式為利用紅外檢測方式。本文通過對紅外熱釋電技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)新，將紅外熱釋電傳感器應(yīng)用于動態(tài)監(jiān)測，進而應(yīng)用于民用家居領(lǐng)域，為該領(lǐng)域的深入研究奠定基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體組成及處理流程

本系統(tǒng)以風扇追蹤人體為目的，系統(tǒng)的主要組成模塊是傳感器檢測模塊、轉(zhuǎn)動模塊、信號處理控制模塊、轉(zhuǎn)速控制模塊以及電源模塊組成。

2.2 模塊設(shè)計

2.2.1 傳感器檢測模塊

紅外熱釋電檢測模塊由光學透鏡、紅外熱釋電傳感器以及傳感器殼體組成。光學透鏡部分包括一個平凸透鏡與一個菲涅爾透鏡。

菲涅爾透鏡與PIR探頭搭配使用時的作用有兩個：一是聚焦熱釋紅外信號折射（反射）于PIR探頭上；二是提高靈敏度。

菲涅爾透鏡的結(jié)構(gòu)特點決定其擁有大的探測視場，視場角一般大于100°，因此具有目標探測范圍寬，產(chǎn)生的信號持續(xù)時間長，信號波形呈振蕩衰減趨勢等特點。在本設(shè)計中，理想的傳感器探測角度小同時又要求有一定的探測范圍。為滿足以上要求，在菲涅爾透鏡前加一凸透鏡以使視場角減小。在本設(shè)計中，物距為1m-2m，選擇物距為1m，則視場角為17.06°，相距=33mm。

2.2.2 紅外熱釋電信號處理模塊

PIR探頭的輸出信號非常微弱，大小只有幾毫伏，因此輸出的信號需要經(jīng)過放大、濾波處理。利用BISS0001芯片對紅外熱釋電傳感器傳感信號處理，靜態(tài)電流極小，可靠性較高。

2.2.3 轉(zhuǎn)向模塊設(shè)計

轉(zhuǎn)向模塊設(shè)計的目標是使得傳感器平面及風扇平面可以在一定范圍內(nèi)精確擺動。

風扇工作時，系統(tǒng)控制風扇以最大幅角擺頭，同時紅外傳感器搜索人體信號，當傳感器檢測到人體紅外信號時，單片機控制步進電機，使風扇頭在有信號范圍內(nèi)擺動。圖1為押解智能調(diào)節(jié)框圖。

2.2.4 風速智能調(diào)節(jié)模塊

風速智能模塊由溫度/距離傳感器、信號處理電路、無刷直流電機組成，溫度傳感器實時檢測環(huán)境溫度，結(jié)合微氣候環(huán)境PMV公式，得到不同環(huán)境溫度下適宜的風速值，并通過調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風速調(diào)節(jié)。在自動模式下，風速隨環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)，在保證人體舒適度，尤其在保障夜間睡眠舒適度的同時，有效降低能耗。圖2為風速智能調(diào)節(jié)框圖。

2.2.5 信號處理控制模塊

信號處理控制模塊通過對傳感器檢測信號進行接受處理，控制電機控制轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對人體的追蹤以及電機調(diào)速。本設(shè)計中采用STC89C52RC為控制芯片的控制系統(tǒng)。

3 目標信號采集分析與處理方法研究

3.1 人體紅外信號采集實驗及特性

3.1.1 PIR探頭紅外信號采集

為探究人體紅外參數(shù)與傳感器響應(yīng)關(guān)系，首先應(yīng)對PIR探頭的輸出信號進行獲取、分析，同時也便于后期信號處理。實驗方法：按如下所示連接電路，其中放大器增益設(shè)置為60dB。測試時用手指靠近PIR的檢測元表面，用示波器直接測量輸出端對地電壓。

實驗結(jié)果表明，當檢測對象（手指）遠離探頭，或是靠近不動時，傳感器輸出為一條直線，當目標靠近時，輸出類似于一個正弦波周期的波形。在檢測對象沒有靠近傳感器時，探頭的兩個敏感元均沒有感應(yīng)到信號，因此輸出為直線。而檢測對象在探頭前靜止時，兩個敏感元件感應(yīng)到的輻射能量基本相同，從而互相抵消，對外顯示無信號，因此輸出也為一條直線。當檢測對象出現(xiàn)在探頭前端時（或者在探頭前端移出），兩個敏感元件感應(yīng)到輻射能量不同，因此產(chǎn)生信號輸出。

3.1.2 傳感器模塊輸出信號采集分析

在PIR探頭后級加上信號調(diào)理電路后，使得傳感器最終輸出為數(shù)字信號，進而輸入到控制器中進行運算處理。利用邏輯分析儀檢測獲取傳感器在不同輸入情況下輸出的數(shù)字波形，可以獲取傳感器模塊的輸入與輸出之間的關(guān)系，為數(shù)字信號處理提供思路。

實驗方法：將傳感器模塊供電后，置于1m高的位置；以人體為檢測對象，在人未進入檢測范圍時、進入檢測范圍時、在檢測范圍內(nèi)靜止時與走出檢測范圍時提取波形進行分析。

傳感器模塊在人未進入范圍時輸出低電平；當人走進或走出檢測范圍時，才檢測到有信號輸入，輸出高電平脈沖。但是當人在檢測范圍內(nèi)靜止不動時則不產(chǎn)生電平變化，一直輸出低電平

3.2 信號處理方法及實驗分析

3.2.1 信號處理

根據(jù)邏輯分析儀采集的波形信息，可以發(fā)現(xiàn)傳感器的輸出信號類似于機械按鍵摁下時發(fā)生的抖動，原因在于傳感器的系統(tǒng)欠阻尼。在信號的上升沿加入適當?shù)难舆t可以有效地避免這一影響。

3.2.2 實驗分析

將風扇安裝好后，對其進行整機測試。在室內(nèi)環(huán)境下，夜晚8：00-9：00，室溫為26℃條件，周圍無其他熱源條件下，在單人使用時，風扇可以較為準確地對人體進行跟蹤，使用距離為2m。

3.2.3 節(jié)能效益分析

以2014年武漢市氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例進行分析，若家庭采用本作品取代現(xiàn)有風扇，在氣溫達到29攝氏度時，用戶開始使用風扇，其日均使用時間為4小時，其中在7、8、9三月間溫度達到32攝氏度時，用戶整夜使用風扇。因此本作品：

全年日間節(jié)電量：

W=42.3w×4h×89d×26.7%=4kw.h

全年夜間節(jié)電量：

W=（0.42-0.087）w×65d=21.645kw.h

綜上：若居民使用本作品代替現(xiàn)有普通風扇，年均節(jié)電量25.6kw·h左右。如本作品批量生產(chǎn)，成本會進一步降低。由于電風扇的需求量巨大，推廣使用必將產(chǎn)生可觀的節(jié)能效益。

4 結(jié)語

在本設(shè)計中，主要目的是利用紅外熱釋電傳感器追蹤人體，使風扇隨人的移動而調(diào)整，正對人吹風，減少電扇空吹時能源浪費；其次還利用超聲波傳感器與溫度傳感器控制風扇轉(zhuǎn)速，從而使風扇更為節(jié)能。

作品綜合運用了智能控制、傳感器、機電一體化等技術(shù)，通過武漢產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所對本作品進行的能耗及噪聲檢測，結(jié)果顯示其功耗、風量、噪聲等性能參數(shù)良好，達到了節(jié)能降噪的目的。通過市場調(diào)研，市民對本作品期望值較高，存在購買意向。作為一款家用型風扇，其能夠在提升用戶體驗的同時節(jié)約電能，具有良好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟效益。

本設(shè)計雖實現(xiàn)了預(yù)期功能，但仍存在諸多問題，需進一步解決和完善。

參考文獻

[1]吳華春，呂翔亙，楊一帆，等.基于 CFD 新型多層鋸齒邊緣扇葉優(yōu)化[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程），2015，（6）：706-70.

[2]劉云武.基于紅外熱釋電傳感器網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)定位技術(shù)研究[D].中北大學，2014.

[3]Cucchiara R，Grana C，Piccard M，et al. Improving shadow suppression in moving object detection with HSV color informationProceedings of IEEE Intelligent Transportation System Conference（ITSC 2001）， 2001.