智能传感器在优化资源利用中的应用研究

魏芳蓉，贾智凯，贾紫茹，郭焕焕

（西安石油大学，陕西 西安 710300）

随着现代化信息科技的不断发展，人们越来越追求更精致、更便捷的生活方式。现如今，人类已经逐步置身于信息时代，而作为信息获取最重要和最基本的智能传感器技术，也得到了极大的发展，它已经走入人们的生活，并且影响到了生活的各个方面。纵观世界能源发展形势，资源的短缺、环境的恶化，使得可持续发展早已成为热门话题，引起了世界各国的广泛关注，在这篇文章中，我们将目光对准智能传感器在生活中应用漏洞以及部分“劣质”传感器的优化研究。

通过实地考察，我们发现传感器技术已经应用到人们生活中的方方面面，如利用人体红外感应的自动冲水马桶、利用踏板与人体感应技术的自动感应门、电子秤、温度报警器、手机等，可见智能传感器已经在人们的生活中得到广泛使用并极大优化了人们的生活。但是与此同时，我们在调研过程中也发现了传感器的不合理使用及应用匮乏之处，如冲水马桶的不合理感应造成水资源浪费、电灯与智能传感器的高效结合等，本文对这些现象进行了分析与改进，使传感技术更合理、更有效地优化人们的生活。

1 智能传感器的应用研究及优化

1.1 自动感应冲水蹲便器的使用研究

水资源的浪费情况在人们的生活中随处可见。根据我们的观察，公共场所卫生间所安装的蹲便器大多数是自动按压式或者脚踏式，少部分是感应蹲便器，而自动按压式或脚踏式冲污方式比较不卫生，且通常处理不干净，而另一种感应蹲便器一次冲水3～5 L，且其感应方式为通过红外线感应人体信息（即热源）而发出信号，如果存在“误感”即感应不合理，则会造成大量的水资源浪费。且这种人体红外感应器需要通电才能正常运行，所以增加了一个电费成本，且在停电等突发情况中，影响较大。我们将改进这类传感器。

通过观察，我们发现大部分自动感应蹲便器存在下列问题。蹲便器感应冲水器是通过红外线反射原理，当人体在蹲便器的红外线区域内，红外线感应器接收到感应信号传递给电磁阀通过控制阀芯进行冲水，但每当人刚蹲下方便时，冲水系统便开始工作，充足的水量以及较大的冲力，很可能会将水溅在人的身体部位，如此十分不卫生且不够经济合理。

我们计划将红外线连续两次冲水设为一个周期，并设置两个感应回路。当感应器进行人体红外感应后，通过集成线路内的微电脑处理后的信号发送给脉冲电磁阀1和2，电磁阀1接收信号后按指定的指令打开阀芯来控制阀门小流量冲水，进行池壁润湿，之后感应回路1停止工作，而另一感应回路继续处于待定工作状态，此时机器不进行冲洗，当人体离开红外线感应范围后，感应大便器才开始进行大流量冲洗，最后通过电磁阀阀芯内部的弹簧进行复位来控制大便器的关水，大便感应冲水器的冲洗时间和关闭时间按设定的指令工作。

但红外线感应器仍需电源维持工作，如若设计不佳必定造成大量的电量消耗。因此我们对其用电设施进行改造，将冲水管道接到上面，水从上往下进行俯冲，这个过程会出现重力势能，根据能量守恒将这种势能转化为电能，即在马桶内部安装一个类似风力发电的螺旋桨，水冲下的时候会转动这个螺旋桨就是产生电能从而提供了感应所需要的电，并设置蓄电装置，以应对停电等突发情况。如此便解决了电量大量消耗的弊端。

红外感应冲水蹲便器原理流程如图1所示。

1.2 自动感应灯的使用研究

我国是一个资源短缺的国家，但在日常生活中，人们并没有意识到这一点。以室内照明为例，在很多公共场所都采用手动开关，经常会出现人空灯开的现象，从而造成能源的浪费，也会缩短灯具的使用寿命。据测算，高校教学楼耗电量约占学校总耗电量的40%。一个教室平均大约有25根电棒管，而一根电棒管（一般为40 W）开半天大约费0.4度电，而一个教室就是10度电，每天大约有7个教室没有关灯的习惯，一年大约会浪费25 550度电，若扩大范围到西安所有高校，那么一年所造成的资源浪费不计其数。因此，高效的照明技术应该被广泛地使用。针对这一现象，有必要采用一种智能控制系统。

图1 红外感应冲水蹲便器原理流程

我们利用光敏智能传感器，通过对外界光信号做出敏感反应，将光信号转化为电信号，触动电源开关感应，在高亮度时，开启智能节电模式直至关闭开关；低光度时，又可以自动点亮，从而实现自动开关，智能控制。且通过在整个封闭空间设置大型自动感应灯，利用红外线感应技术，当有人进入感应范围时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，开关自动接通负载。人不离开且在活动，开关持续导通；人离开后，开关延时自动关闭负载，人到灯亮，人离灯熄，亲切方便，安全节能。

即使如此，光敏感应仍易受到天气、温度、环境等的影响，我们设想如何在此基础上做到更为精准的控制和更为有效的节能呢？通过调查我们发现，各大高校的自习室、教室通常使用折叠式椅子，我们将教室内的椅子根据吊灯所在范围进行区域化划分，在椅子靠背处设置人体红外感应器，且此区域处所有椅子的感应器与此区域对应电灯的开关成并联连接。当此区域有人坐下时，通过红外感应，感应器进行工作并随即触发所在区域处电灯电源开关，灯亮；当此区域所有感应消失时，即此区域无人时，通过并联控制，灯灭。此方案既保证了必要的照明、实现了灯源的智能化控制，又因为座位的选择具有随机性不会存在个别损坏严重的情况，只需进行定期检查维护，高效又经济。

1.3 自动感应淋浴喷头的使用研究

通过我们的观察发现，在进行淋浴的时候，80%的人都缺少在不用水时主动关闭淋浴头的意识，而淋浴时候的用水量很大，如此造成的浪费便不计其数。

为了解决这个问题，我们尝试采用红外线感应器以及电位器式位移感应器进行优化，进而达到节约水资源的效果。

1.3.1 红外线感应器

红外线感应器的原理是通过红外线反射，当人体的某一部分在红外线区域内，红外线发射管发出的红外线由于人的身体遮挡反射到红外线接收管，通过集成线路内的微电脑处理后的信号发送给脉冲电磁阀，电磁阀接收信号后按指定的指令打开阀芯来控制水龙头出水；当人的身体离开红外线感应范围，电磁阀没有接收信号，电磁阀阀芯则通过内部的弹簧进行复位来控制关水。

我们设计的红外线感应器包含两个主要部分：手动控制开关、自动感应设备。其中红外线感应器控制开关进行等级调节从而控制水流量：当人们打开手动开关时，位于淋浴头处的红外线感应器开始工作，人们站在淋浴头下，准备洗澡，此时，人体所占的面积在红外线感应器覆盖的面积达到80%以上；而当人们稍离淋浴头时，人体所占面积红外线感应器覆盖面积的50%～80%，红外线感应器接收信号，开启中流量模式；当人们远离淋浴头时，人体所占面积小于红外线感应器覆盖面积的50%，红外线感受不到信号，自动关闭水阀；当人手动关闭开关，红外线感应器停止工作，此时人站在淋浴头下面时，感应器无法接收信号，这就避免了人们在淋浴头下面做其他事情时红外线的误感现象，造成不必要的水资源的浪费。

1.3.2 电位器式位移传感器

电位器式位移传感器的原理是通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。

我们设计的电位器式位移传感器有一个总开关，当人们洗澡时打开手动总开关，同时位于开关处的电位器式位移传感器开始启动并持续处于待机状态，当人们的距离感应器的距离在一定特设的范围内时，感应器发出信号控制电磁阀放水，淋浴头开始自动出水，人们开始洗澡；当人们中途离开电位器式位移传感器的距离范围时，传感器停止工作并发送信号至电磁阀，电磁阀接收到信号，控制喷头不再出水；当人们未打开手动开关时，即使在电位器式位移传感器的距离范围内，电磁阀无法接收到信号控制淋浴头防水，这就避免了传感器的误感现象，更加优化了传感设备。

通过上面的两种方案，有效地解决了人们在洗澡时出现其他突发情况时无法关闭淋浴头的现象，同时也有效地防止了人们由于忘记关淋浴头而造成的水资源浪费情况。因此，红外线传感器和电位器式位移传感器在淋浴喷头方面的应用，着实更好地优化了人类的生活，同时唤醒人们的节约意识，从小方面减轻了我国水资源匮乏的问题。

2 结语

21世纪是迈向信息化社会的崭新阶段，信息智能化已成为这个时代不可逆转的潮流，智能传感器的应用必定给这个崭新的阶段添上浓墨重彩的一笔。我们希望能真正将优质传感器与人们的实际生活相结合，让传感器更加合理使用、规范使用、大规模使用，使其顺应生活、融入生活，从而改变生活，最终优化生活。