基于红外传感器的喷泉安全智能控制系统设计

宋宗峰　蔡小燕　谢光裕

摘 要：本文针对喷泉伤人事件，设计了一个基于红外传感器的喷泉安全智能控制系统，该系统可以通过红外传感器检测是否有游客进入喷水区，如有游客进入则调整输出，将水压控制在安全范围内，或直接终止喷水，从而实现喷泉的安全控制。

关键词：红外传感器；喷泉安全性能；智能控制；PLC

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.111

1 背景

随着城市化进程的加速，在广场、小区、酒店、校园等地方都可以看到各种喷泉。泉水可以随音乐翩翩起舞，如与园林艺术结合起来，观众在欣赏美妙音乐、自然美景的同时，又可以享受到喷泉的舞蹈，为生活增添了不少乐趣。但喷泉伤人的事件时有发生，2008年六一儿童节北京植物园音乐喷泉发生伤人事件，致使小女孩受伤严重[1]；2013年 8月1日恩施一名小男孩在州文化中心广场被喷泉击伤 [2]。

喷泉之所以能够伤人，是由于水柱喷出时压强较大，利用式1计算喷泉底部的压强，式中P是压强，ρ是水的密度，取ρ=1.0×10?kg/m3，h是喷泉高度g为重力加速度，取g=9.8N/kg。

式1

当喷泉高度为20m时，可计算出喷泉底部的压强为P=1.96×105Pa，而人体内部气压约等于大气压约，即1.013×105Pa。所以高度为20m的喷泉底部的压强超过人体内部压强约0.96Pa，会对人体造成严重的伤害。

喷泉的管理人员为了提高其安全性，多采取围蔽的措施，如采用绿化带、警戒线等设施，或者增加安保人员来组织、管理游客。

2 喷泉控制系统的硬件组成

为从技术层面提高喷泉的安全性，让观众放心的享受这赏心悦目的公共设施，本文设计了一种利用红外传感器（Infrared Sensor）的智能喷泉控制系统，其布局框图如图1所示。在喷水区的四个角安装可以检测人体信号的红外传感器，当有游客由外部穿过红外感应区进入喷水区时，红外传感器即可采集人体的红外信号，进而将采集到的信号处理后传送给微处理器，之后处理器按照设定好的程序运行低水压喷水模式或直接关闭喷水系统。在实际应用施工时，为增加系统的稳定性与可靠性，可以增加传感器的个数，尤其是比较大的喷水区，在其周边每隔一定的距离都要安装红外感应器（其间的距离不能超过传感器的工作范围），以确保红外信号正常采集。

根据设计要求，可画出该音乐喷泉控制系统的框图，如图2所示。系统中采用PLC作为中心控制器，目前，PLC技术相当成熟，应用的范围也越来越广泛，几乎渗透到了各行各业，许多喷泉采用PLC作为控制器。PLC的硬件系统由CPU板、输入接口电路、输出接口电路、电源及外围接口等组成。选取PLC型号之前要根据实际要求计算出I/O点数，以满足通信与扩展模块的需求，另外需考虑存储容量与运算能力，综合以上参数，本控制系统采用的控制器为三菱FX2N—48MR。

由图2可以看出音乐喷泉控制系统的硬件包括微处理器PLC、音频采集器、红外传感器、变频器组、扬声器等。

为实现喷泉安全性的要求，利用的硬件资源，可以绘制出该控制系统的工作流程图，如图3所示。系统启动后，首先检测红外传感器传来的人体信号，如有采集到人体红外信号，则将喷水模式调制低水压喷水模式，并发出声音示警，请游客离开喷水区，低水压模式运行30s后，若在喷水区仍然可以检测到有人存在，则终止喷水，若已无游人存在与喷水区则进入正常喷水模式。

而系统开启后，若检测无人体红外信号则进入正常喷水模式。正常喷水过程包括，采集音乐喷泉的背景音乐，音强分析，经A/D转换后输入中心控制器PLC，PLC经分析后输出相应的控制信号至变频器，以便控制水泵喷水。

3 模拟实验与结论

根据上述流程，编辑梯

形图，连接PLC与变频器，测量变频器的输出，测量值与理论值一致，理论上可以使得喷泉水柱喷出要求的高度。经实验证明，该控制系统可以实现对喷泉水柱高度的控制；并能够通过红外传感器检测是否有游客进入喷水区，如有，则将喷水系统调至低水压喷水状态然后关闭。可以看出该控制系统能够很好的提高喷泉的安全性。

参考文献：

[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]华满香.电气控制及PLC应用[M].人民邮电出版社，2009（05）.

[4]电工新技术教程[S].广东省职业技能鉴定指导中心.

[5]周昕.基于PLC的中频感应加热温度控制系统[J].煤矿机电， 2015（01）.

作者简介：宋宗峰（1983-），女，山东临沂人，讲师，研究方向：模糊控制应用。