全自動教室殺菌照明燈具研究

張帆

摘要：針對教室內(nèi)人多，特別是冬季閉窗，空氣流通差，容易發(fā)生呼吸道疾病交叉感染的情況，本設(shè)計在現(xiàn)有的照明密閉燈罩內(nèi)加入紫外線燈管，平時讓室內(nèi)空氣定時通過紫外線照射進行循環(huán)殺菌消毒；無人時開啟臭氧發(fā)生器，讓教室充滿臭氧，進行彌漫性覆蓋，讓細菌病毒無處可藏，徹底消滅掉教室空氣病毒細菌，還同學(xué)們潔凈學(xué)習(xí)空間。同時利用人體紅外感應(yīng)技術(shù)和光照強度檢測解決了教室智能自動開關(guān)燈的問題。

關(guān)鍵詞：教室；消毒殺菌；自動開關(guān)燈

教室，是教師傳授知識學(xué)生獲取知識的主要場所。教室的空氣質(zhì)量對于師生們來說甚至比大氣空氣質(zhì)量還要重要。本課題的研究目的在于將教室空氣消毒裝置與自動控制照明裝置有機地結(jié)合起來，設(shè)計一種全新自動化教室殺菌照明燈。它在現(xiàn)有的照明燈上進行改進，成本低廉，使用方便，無需修改現(xiàn)有照明電路。

1 設(shè)計思路

在現(xiàn)有照明密閉燈罩內(nèi)加入紫外線燈管，平時讓室內(nèi)空氣定時強制通過紫外線照射進行循環(huán)殺菌消毒；無人時開啟臭氧發(fā)生器，讓教室充滿臭氧，進行彌漫性覆蓋，讓細菌病毒無處可藏，徹底消滅掉教室空氣病毒細菌。同時利用人體紅外感應(yīng)技術(shù)和光照強度檢測解決了教室智能自動開關(guān)燈的問題。這樣由傳感器檢測室內(nèi)的人員情況以及紫外線強弱、光照強度，然后交給微控制器進行決策，根據(jù)不同情況對應(yīng)不同的照明、殺菌措施，保證室內(nèi)人員安全舒適的同時盡量增強殺菌效果。

2 方案設(shè)計與比較

2.1 常見教室殺菌方案的比較

（一）消毒液

使用84消毒液進行室內(nèi)消毒時，先將原液按照1：29的比例兌水進行稀釋，然后采用塑料噴壺進行噴灑。在噴灑時，操作人員應(yīng)戴上橡膠手套、口罩，身著長袖衣物，盡量避免皮膚與消毒液的接觸。噴灑后，封鎖門窗30分鐘左右，然后敞開門窗進行通風(fēng)。但84消毒液在使用之后會殘留在空氣中不易揮發(fā)，而且污染水源，更可怕的是它的三致效應(yīng)一一致癌、致畸、致基因突變，對人體也會造成相當(dāng)大的危害。

（二）紫外線消毒

紫外線可以直接破壞細菌病毒中的DNA或RNA的分子結(jié)構(gòu)，造成生長性細胞死亡和再生性細胞死亡，改變了細胞的遺傳轉(zhuǎn)錄特性，使生物體喪失蛋白質(zhì)的合成和復(fù)制繁殖能力，從而達到殺菌效果，尤其在波長為25 3.7nm時紫外線的殺菌作用最強。人們據(jù)此設(shè)計了紫外線消毒燈，只是使用紫外線消毒燈時應(yīng)注意，紫外線是對人體有傷害的，特別是對眼睛和皮膚的影響最為明顯。人體受到短時間的照射即會產(chǎn)生皮膚泛紅，短時較大劑量照射會使眼睛紅腫、流淚、睜不開眼。

（三）臭氧消毒

臭氧的滅菌機制類屬于生物化學(xué)氧化反應(yīng)。臭氧極不穩(wěn)定，分解時釋放出自由基態(tài)氧，自由基態(tài)氧具有強氧化能力，可以穿透細胞壁，氧化分解細菌內(nèi)部氧化葡萄糖所必須的葡萄糖氧化酶；也可以直接與細菌、病毒發(fā)生作用，破壞其細胞器和核糖核酸，分解DNA、RNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)類和多糖等大分子聚合物，使細菌的物質(zhì)代謝生長和繁殖過程遭到破壞；還可以滲透細胞膜組織，侵入細胞膜內(nèi)作用于外膜脂蛋白和內(nèi)部的脂多糖，促進細胞的溶解死亡，并且將死亡菌體內(nèi)的遺傳基因、寄生菌種、寄生病毒粒子、噬菌體、支原體及熱原（細菌病毒代謝產(chǎn)物、內(nèi)毒素）等溶解變性滅亡。

1.2 本方案的創(chuàng)新設(shè)計

本方案利用微控制器和傳感技術(shù)實現(xiàn)自動開關(guān)教室日光燈，并可對教室空氣進行內(nèi)循環(huán)殺菌消毒。具有以下優(yōu)點：全自動控制，無需人工干預(yù)，節(jié)省了勞動力；白天采用紫外線殺菌消毒，殺菌效果強且不會有殘留物造成污染，再通過燈罩阻擋紫外線的傳播，所以在使用紫外線殺菌消毒時人員可以放心地留在室內(nèi)；夜間采用臭氧消毒，臭氧在常溫常壓下不能穩(wěn)定的存在，很快便分解成氧和自由基態(tài)氧，得益于自由基態(tài)氧的極強的氧化能力，殺菌效果更加強力。同時臭氧分解產(chǎn)生的氧還可以增加教室內(nèi)的氧氣濃度。

本設(shè)計成功地將臭氧殺菌與紫外線殺菌這兩種方式結(jié)合在了一起，通過傳感器對室內(nèi)光照、人員情況的檢測，啟用不同的殺毒方案。有人時，充分保證了室內(nèi)人員安全的前提下，保持一定殺菌效果；無人時，采用臭氧彌漫性覆蓋提升殺菌效果同時增加室內(nèi)氧氣濃度。同時本設(shè)計還可以根據(jù)室內(nèi)人員及光照情況自動開關(guān)教室日光燈，節(jié)能環(huán)保，殺菌良好。

3 方案設(shè)計與選型

3.1 傳感器方案選型

按照之前的分析，傳感器部分必須要精確地對教室內(nèi)光照強度進行檢測，并對教室內(nèi)是否有人進行準(zhǔn)確的檢測。為降低設(shè)計成本，將傳感器部分拆分為兩個獨立的單元，一個單元負(fù)責(zé)檢測光照強度，另一個單元負(fù)責(zé)檢測是否有人員在室內(nèi)。

（一）光照強度采集單元

光照強度采集可采用光照傳感器或光敏電阻進行采集，考慮到本設(shè)計中光照強度的精度不需要太高，因此采用低成本、小體積的光敏電阻進行光照強度的采集。

利用光敏電阻值隨光照變化的特性，根據(jù)歐姆定律（ I=U/R）可知電阻兩端的電壓也會發(fā)生變化，至此完成了光照強度到電信號的轉(zhuǎn)化，使用微控制器采集該電信號后便可得到當(dāng)前環(huán)境的光照情況。

（二）人體感應(yīng)單元

人體的感應(yīng)目前應(yīng)用較廣的主要有兩種方式，靜態(tài)人體采集與紅外熱釋電人體采集。靜態(tài)人體采集模塊采用熱紅外成像技術(shù)進行采集，采集結(jié)果不受光源等干擾，可用于智能家居、智能安防。但由于是新興技術(shù)，技術(shù)成熟度不高，且因處于市場測試階段，產(chǎn)量低導(dǎo)致芯片價格昂貴。紅外熱釋電人體采集技術(shù)相對成熟，成本低，在各類產(chǎn)品上得到了廣泛的應(yīng)用，相對的關(guān)于該傳感器的學(xué)習(xí)資料也比較多，測試后發(fā)現(xiàn)該模塊的性能足以滿足本設(shè)計的要求。綜合考慮后，選擇紅外熱釋電人體采集模塊作為本設(shè)計的人體感應(yīng)單元。

3.2 主控芯片選型

在芯片選型上有以下幾種方案備選。

（一）51單片機

51單片機是對所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是Intel的8004單片機，采用C語言或匯編語言進行編程，網(wǎng)絡(luò)上有豐富的實例可供學(xué)習(xí)，價格低廉。

（二）STM32單片機

STM32系列單片機是基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核單片機，屬于32位單片機，處理速度快，片上資源多，內(nèi)存（ RAM）更大。但編程較復(fù)雜，學(xué)習(xí)門檻高，一時半會不好掌握。

（三）Arduino

Ardu/no是一款采用ATMCEA328P單片機的開源智能硬件，它具有強大的開源軟件庫，具有14個數(shù)字10口及6個模擬口，使用這6個模擬口可以直接讀取光照強度采集單元輸出的模擬信號。編程簡單好學(xué)，價格低廉。

綜合硬件資源與學(xué)習(xí)難度考慮，筆者選擇Arduino作為本設(shè)計的微控制器單元。

3.3 照明方案選型

LED（發(fā)光二極管）照明燈是利用第四代綠色光源LED做成的一種照明燈具。90%的電能轉(zhuǎn)化為可見光（普通白熾燈80%的電能轉(zhuǎn)化為熱能，僅有20%的電能轉(zhuǎn)化為光能），所需電壓、電流較小，發(fā)熱較小，不產(chǎn)生安全隱患。

4 方案制作與試驗

4.1 裝置的制作

結(jié)合以上分析與方案的選擇，我們制作了全自動教室殺菌照明燈的模型。

全自動教室殺菌照明燈主要由12V開關(guān)電源、SVLDO穩(wěn)壓電路、排氣扇電路、繼電器驅(qū)動電路、LED燈、紫外線燈、Arduino、傳感器模塊等幾部分構(gòu)成。

整體結(jié)構(gòu)框圖如下

4.2 裝置的試驗

【實驗一】測定室內(nèi)環(huán)境光照強度的實驗

在裝修好的室內(nèi)整間中，一天中的大部分時間環(huán)境光的強度約在1501x-3001x之間，在黃昏（測定時間為2016年12月l號17點08分）時候教室內(nèi)（未開燈的情況下）的光照強度低至301x。將LED照明燈安裝在原燈的位置（距地面約3米），開啟LED燈后，在燈管正下方使用光照傳感器測得的光照強度為271.31x。

結(jié)論：人看書比較舒服的光照強度大約在2501x左右，當(dāng)環(huán)境光輕度不足時開啟LED燈后可以達到人看書的最佳光照強度。

將全自動教室殺菌照明燈安裝布線完成后在不同光照強度下進行實際測試，測試結(jié)果如下。

經(jīng)過實際實驗，裝置達到了預(yù)期設(shè)想，證明本裝置切實有效，能夠產(chǎn)生自動殺菌照明的作用。

5 結(jié)語

通過對現(xiàn)有懸掛式的燈具進行改進，在上面控制空余空間安裝抽氣扇，紫外線燈（不直接照明僅在內(nèi)部）以及臭氧發(fā)生器來達到直接對空氣的殺菌消毒，打破了紫外線直接照射殺菌消毒對人體的傷害，以及只能在無人狀態(tài)下使用的時間以及空間限制。而且在資金方面不會造成太大的困擾。

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