基于紅外傳感器的噴泉安全智能控制系統設計

摘 要：本文針對噴泉傷人事件，設計了一個基于紅外傳感器的噴泉安全智能控制系統，該系統可以通過紅外傳感器檢測是否有游客進入噴水區，如有游客進入則調整輸出，將水壓控制在安全范圍內，或直接終止噴水，從而實現噴泉的安全控制。

關鍵詞：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

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

噴泉之所以能夠傷人，是由于水柱噴出時壓強較大，利用式1計算噴泉底部的壓強，式中P是壓強，ρ是水的密度，取ρ=1.0×103kg/m3，h是噴泉高度g為重力加速度，取g=9.8N/kg。

式1

當噴泉高度為20m時，可計算出噴泉底部的壓強為P=1.96×105Pa，而人體內部氣壓約等于大氣壓約，即1.013×105Pa。所以高度為20m的噴泉底部的壓強超過人體內部壓強約0.96Pa，會對人體造成嚴重的傷害。

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、警戒線等設施，或者增加安保人員來組織、管理游客。

2 噴泉控制系統的硬件組成

為從技術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施，本文設計了一種利用紅外傳感器（Infrared Sensor）的智能噴泉控制系統，其布局框圖如圖1所示。在噴水區的四個角安裝可以檢測人體信號的紅外傳感器，當有游客由外部穿過紅外感應區進入噴水區時，紅外傳感器即可采集人體的紅外信號，進而將采集到的信號處理后傳送給微處理器，之后處理器按照設定好的程序運行低水壓噴水模式或直接關閉噴水系統。在實際應用施工時，為增加系統的穩定性與可靠性，可以增加傳感器的個數，尤其是比較大的噴水區，在其周邊每隔一定的距離都要安裝紅外感應器（其間的距離不能超過傳感器的工作范圍），以確保紅外信號正常采集。

根據設計要求，可畫出該音樂噴泉控制系統的框圖，如圖2所示。系統中采用PLC作為中心控制器，目前，PLC技術相當成熟，應用的范圍也越來越廣泛，幾乎滲透到了各行各業，許多噴泉采用PLC作為控制器。PLC的硬件系統由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型號之前要根據實際要求計算出I/O點數，以滿足通信與擴展模塊的需求，另外需考慮存儲容量與運算能力，綜合以上參數，本控制系統采用的控制器為三菱FX2N—48MR。

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

為實現噴泉安全性的要求，利用的硬件資源，可以繪制出該控制系統的工作流程圖，如圖3所示。系統啟動后，首先檢測紅外傳感器傳來的人體信號，如有采集到人體紅外信號，則將噴水模式調制低水壓噴水模式，并發出聲音示警，請游客離開噴水區，低水壓模式運行30s后，若在噴水區仍然可以檢測到有人存在，則終止噴水，若已無游人存在與噴水區則進入正常噴水模式。

而系統開啟后，若檢測無人體紅外信號則進入正常噴水模式。正常噴水過程包括，采集音樂噴泉的背景音樂，音強分析，經A/D轉換后輸入中心控制器PLC，PLC經分析后輸出相應的控制信號至變頻器，以便控制水泵噴水。

3 模擬實驗與結論

根據上述流程，編輯梯

形圖，連接PLC與變頻器，測量變頻器的輸出，測量值與理論值一致，理論上可以使得噴泉水柱噴出要求的高度。經實驗證明，該控制系統可以實現對噴泉水柱高度的控制；并能夠通過紅外傳感器檢測是否有游客進入噴水區，如有，則將噴水系統調至低水壓噴水狀態然后關閉。可以看出該控制系統能夠很好的提高噴泉的安全性。

參考文獻：

[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應用[M].人民郵電出版社，2009（05）.

[4]電工新技術教程[S].廣東省職業技能鑒定指導中心.

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

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