Дверные датчики для системы автоматического управления включением/выключением света

Введение

Экономия энергии, которая расходуется для целей освещение, считается серьезной задачей на национальном и международном уровне. Освещение обычно управляется переключателями по типу «Включено/Выключено», которые подключены к сети переменного тока напряжением 240 вольт. Непрерывное освещение в пустых помещениях без присутствия человека — это лишняя траты энергии. В частности, энергопотребление на освещение в типичном доме является фактором, который нельзя игнорировать. Однако, как правило, обычному домашнему пользователю требуется разная интенсивность света в том или ином конкретном месте. Иногда интенсивность света от внешнего источника считается достаточной, и пользователям не нужно включать источник искусственного света. Но бывают ситуации, когда иногда пользователи включают свет и уходят, не выключив его. Эти факторы считаются одной из причин, приводящие к ненужному расходу энергии. Это, косвенно приводит увеличение стоимости коммунальных услуг. Поэтому для управления энергосбережением на местах необходимы некоторые альтернативы, которые помогут сэкономить энергию и снизить стоимость коммунальных услуг.

Из-за роста стоимости энергии, неэкономного энергопотребления и неосведомленности об оптимизации энергопотребления постоянно предпринимаются те или иные усилия по разработке систем энергосбережения. Основываясь на приведенных реалиях жизни, для снижения энергосбережения, были разработаны и уже используются целый ряд систем управления освещением.

Связанные проблемы и текущие методы их решения

Одной из разработанных систем управления светом являются светильники, подключенные к определенному устройству, дистанционно управляемому персональным компьютером (ПК) [1-4]. Однако эта система считается энергоемкой, поскольку в качестве управляющей устройства требует круглосуточно включенного компьютера [1-4]. Однако, такая система приведет к дополнительным финансовым затратам для пользователей, поскольку им придется покупать компьютер. Также здесь потребуется специальная настройка, включающая в себя для управления освещением интеграцию аппаратного и программного обеспечения.

В [5] авторы разработали модуль управления домашним освещением (Home Light Control Module, HLCM), используя схему пироэлектрического инфракрасного (pyroelectric infrared, PIR) датчика, схему датчика освещенности, микропроцессор и радиочастотный модуль. Эта система предназначена для того, чтобы включить или выключить управляемое ею освещение через обнаружение присутствие человека в определенном месте. Кроме того, система HLCM контролирует интенсивность освещения в дневное время.

В городе Сан-Франциско (Калифорния, США) публике была продемонстрирована система освещения с электронным управлением ориентированная на цели энергосбережения. Эта система для реализации своей стратегии энергосбережения использует планирование, учитывает дневное освещение, выполняет настройку и поддержание оптимального светового потока. После девяти месяцев ее эксплуатации по сравнению с предыдущим использованием было достигнуто 50-процентное энергосбережение [6].

В системе автоматического переключения света представленной в [7] используется механизм управления освещением, обеспечивающий преимущества и энергосбережения и безопасности. Эта система предназначена для снижения затрат на оплату электроэнергии и косвенно увеличивает срок службы ламп системы освещения. В другой системе в качестве входов в централизованную систему для обнаружения присутствия человека и в целях безопасности [8] используются электронные датчики и регуляторы использования энергии на базе микропроцессоров. Электронные датчики обнаружат присутствие людей, выполняемую ими деятельность или задачу, а также учитывают наличие дневного освещения. Микропроцессор используется для автоматического управления интенсивностью освещения, как реакции на уровень дневного свет.

Еще одна система, которая была разработана, включает устройство для питания цепи освещения на основе концевого выключателя типа GLE (предлагается компанией Recom) [15], установленной на каждом этаже [9]. Освещение будет выключено после установленного времени задержки, заданного для освещения. Когда цепь освещения включена, встроенная релейная система будет активирована без необходимости включения выключателя освещения [9]. Этот процесс всегда повторяется при каждом нажатии кнопки.

Одним из наиболее распространенных применяемых устройств является автоматический светочувствительный выключатель – фотореле [10]. Это наиболее простое устройство, которое включает любую систему освещения вечером и выключает утром при установленном пороговом дневном свете [11]. Эта система работает на основе прямого подключения к трем электрическим проводам управления системой люминесцентного освещения. Для того чтобы свет не падал непосредственно на сенсорный фотоэлемент, этот светочувствительный датчик необходимо размещается вдали от управляемого им источника света [11].

Согласно исследованию, система энергосбережения важна для сокращения неиспользованных потерь энергии и помогает максимально использовать энергию, используемую во время пиковых нагрузок.

Кроме того, все системы энергосбережения направлены на то, чтобы помочь потребителю снизить затраты на коммунальные услуги. Кроме того, эти системы могут косвенно помочь продлить срок службы ламп.

Автоматическая система освещения также может служить и системой безопасности. Поскольку, как говорит статистика, пользователи часто получают удар током, когда пытаются включить или выключить свет, особенно в условиях повышенной влажности воздуха. Этот факт привлек наше внимание к разработке системы бесконтактного автоматического включения света, необходимой для обеспечения безопасности. В то же время эта система способна обеспечить энергосбережение и эффективное использование энергии [12, 13].

В отличие от рассмотренных систем, данной статье предлагается разработка системы автоматического включения света с использованием инфракрасных датчиков для любых дверей (например, представленных на сайте). Предлагаемая система предназначена для размещения в отдельной комнате (помещении) или домашнем туалете. В принципе, отдельное решение может быть отнесено и к преподавательской комнате при лекционной аудитории. Иногда лекторы спешат или непреднамеренно забывают выключить свет в своей комнате. Это приведет к ненужной трате энергии и увеличит коммунальные расходы университета. Между тем, эта система обеспечивает безопасность домашних пользователей, особенно во время и после посещения туалета. Система автоматического переключения света будет включать свет в туалете во время пребывания в нем людей.

Эта система для управления системой автоматического включения/выключения света использует два инфракрасных датчика и электронную схему управления защелкой (электронной схемой или реле включения освещения). Инфракрасные датчики для автоматического включения системы освещения при открытии двери помещения в виде передатчика и приемника размещены на двери и дверной раме. Управление всем процессом осуществляется системой, которая на основе сигналов от датчиков поддерживается освещение включенным только тогда, когда дверь комнаты закрыта во время присутствия лектора. Электронная схема управления защелкой может быть дополнительно настроена на автоматическое переключение в зависимости от интенсивности дневного света.

Когда дверь открывается после выхода человека, схема управления электронной защелкой посылает сигнал, который сразу же выключает свет в этой комнате, когда передатчик и приемник системы инфракрасных датчиков управления подключены.

Система автоматического переключения света для снижения потребления электроэнергии при достаточном дневном свете также использует светочувствительное сопротивление (Light Dependent Resistance, LDR) — фоторезистор. Использование этой опции также поможет уменьшить счет за коммунальные услуги избежав включения освещения при достаточном дневном свете.

Обе системы управления используют электронные компоненты широкого применения, что позволяет упростить и удешевить разработку схемы управления системой автоматического включения освещения. Статистически подсчитано, что по сравнению с обычной практикой использования полагаясь на человека переход на использование автоматических систем управления освещения количество несчастных случаев, связанных с поражением электрическим током, может быть уменьшено, а потребление энергии в домах и офисах может быть снижено.

Исходя даже из этого краткого описания можно сделать вывод, что любые инвестиции в «дверной датчик для системы автоматического включения света» быстро окупятся. Он не только имеет безопасную систему, которая более удобна и эффективна, но и позволяет избежать потерь энергии.

Фоторезистор действует как входной преобразователь (датчик), который преобразует яркость (свет) в сопротивление. Он сделан из сульфида кадмия (CdS), и его сопротивление увеличивается по мере увеличения яркости света, падающего на резистор (рис. 1).

Рис. 1. Светочувствительное сопротивление — фоторезистор

На рис. 2 показано общее подключение «дверного датчика для системы автоматического включения света». Представленная схема разделена на три выхода; 9 В постоянного тока, 12 В постоянного тока и 240 В переменного тока. 9 В постоянного тока подключается к цепи управления электронной защелкой, 12 В постоянного тока подключается к цепи инфракрасных датчиков управления передатчиком и приемником, а 240 В переменного тока подключается к основной цепи управления, которая соединяет всю систему освещения.

Рис. 2. Общее подключение дверного датчика к системе включения света

На рис. 3 показана блок-схема подключения 12 В постоянного тока для цепи управления инфракрасными датчиками передатчика и приемника. В схеме передатчика для генерирования сигнала высокого уровня для инфракрасного передатчика применена интегральная схема (ИС) таймера 555. Напряжение питания микросхемы составляет 12 В постоянного тока. Однако инфракрасный приемник примет сигнал высокого уровня, передаваемый от инфракрасного передатчика, и вызовет включение транзистора. Транзистор здесь работает как переключатель для управления входным сигналом ИМ 555 в приемной цепи. Выходное напряжение от ИС 555 будет напрямую подключено к базе транзистора. Здесь реле будет срабатывать при подаче сигнала на базу транзистора. Релейные соединения действуют как электронный переключатель для включения выходной нагрузки (системы освещения). По сути, когда инфракрасный передатчик и приемник отсоединены, замыкается цепь, и реле срабатывает, подавая напряжение на выходную нагрузку (в данном случае систему освещения).

Рис. 3. Схема управления инфракрасными датчиками передатчика и приемника

На рис. 4 показано подключение цепи управления защелкой. Для активации схемы управления защелкой используется питание 9 В постоянного тока. Для этой цели применена интегральная схема 4013BP — 2 D-триггера с установкой. Схема управления защелкой подает входное напряжение для срабатывания реле и удерживает входное значение от схемы защелки для включения выходной нагрузки.

Рис. 4. Подключение цепи управления защелкой

На рис. 5 показано, что вход высокого уровня (1) устанавливается, когда соединение передатчика и приемника с инфракрасным датчиком не является линейным (дверь открыта). Это указывает на то, что база транзистора находится под высоким напряжением и вызовет срабатывание релейного выхода. В это время свет будет включен. Система будет удерживать высокий уровень, как большое время задержки. Система выключится только тогда, когда реле снова сработает на высоком уровне для второго высокого уровня на входе (2). В этом случае подача 5 В постоянного тока на реле отключается, и выход реле переходит в низкий уровень.

Рис. 5. Временная диаграмма схемы управления защелкой

Внедрение дверного датчика для системы включения света для энергосбережения и безопасности окружающей среды

Этот «Дверной датчик для системы автоматического переключения света» для того, чтобы повысить энергосбережение, эффективность, безопасность и удобство, предлагается установить на двери отдельной комнаты лектора и туалета. Согласно иллюстрации, приведенной на рис. 6, инфракрасный датчик передатчика размещается на двери, а инфракрасный датчик приемника размещается на дверной раме под углом открытия.

Рис. 6. Простая установка системы включения света по датчику на двери

Схема системы управления размещена сбоку от дверной рамы с небольшим отверстием, позволяющим функционировать фоторезистору. Реализация примера установки для одной двери (любой двери, представленной, например, здесь) в одном туалете показана на рис. 6. Всего на двери туалета установлено два инфракрасных датчика.

Методика испытаний дверных датчиков системы автоматического включения света

Для проведения теста на энергосбережение была разработана простая модель одной комнаты. На рис. 7 показана простая модель, разработанная для реализации «дверного датчика для системы автоматического включения света». Сделано предположение, что данная модель представляет собой одну комнату для подготовки и отдыха лекторов.

Рис. 7. Исполнение варианта испытательной модели с одной комнатой

Представленная на рис. 7 модель тестируется на основе расписания лектора. В основном, свет в комнате лекторов остается включенным во время их лекций, учебных и лабораторных часов.

Результаты и их обсуждение

В табл. 1 показано время пребывания лектора в его кабинете в будние дни. Статус «занято» показывает, что лектор остается в своей комнате и выполняет свое задание на день. В то время как статус «свободна» (незанято) показывает, что лектор проводит лекции, ведет практические и лабораторные занятия.

Модель, представленная на рис. 7, используется для оценки разработанного «Дверного датчика для системы автоматического включения света». Разработанная система автоматического переключения света будет автоматически включать свет, когда лектор условно находится в своей личной комнате, и выключать свет, когда лектор покидает ее покидает.

Предположим, что в одной комнате для лектора четыре люминесцентных лампы. Каждый флуоресцентный светильник потребляет 40 Вт (Вт). В табл. 2 показано потребление электроэнергии без использования системы автоматического включения света.

В табл. 2 приведен расчет электроэнергии, использованной в течение пять дней без использования системы автоматического переключения света. Сумма рассчитывается исходя из продолжительности освещения в помещении.

В табл. 3 показано потребление электроэнергии при установке системы автоматического переключения света в аудитории для лекций. В табл. 3 представлено потребление электроэнергии в часы занятости.

Согласно расчетам, приведенным в табл. 2 и табл. 3, система автоматического переключения света может сэкономить примерно 50 % счетов за коммунальные услуги. Эта цифра относится к одной комнате для лекторов. Если с этой системой энергосбережения будет установлено больше помещений, можно добиться большей экономии и снизить затраты на коммунальные услуги.

Авторы хотели бы поблагодарить Технический университет Малайзии Мелака (Universiti Teknikal Malaysia Melaka, UTeM) за финансовую поддержку этого исследования.