全自动教室杀菌照明灯具研究
张帆
摘要：针对教室内人多，特别是冬季闭窗，空气流通差，容易发生呼吸道疾病交叉感染的情况，本设计在现有的照明密闭灯罩内加入紫外线灯管，平时让室内空气定时通过紫外线照射进行循环杀菌消毒；无人时开启臭氧发生器，让教室充满臭氧，进行弥漫性覆盖，让细菌病毒无处可藏，彻底消灭掉教室空气病毒细菌，还同学们洁净学习空间。同时利用人体红外感应技术和光照强度检测解决了教室智能自动开关灯的问题。
关键词：教室；消毒杀菌；自动开关灯
教室，是教师传授知识学生获取知识的主要场所。教室的空气质量对于师生们来说甚至比大气空气质量还要重要。本课题的研究目的在于将教室空气消毒装置与自动控制照明装置有机地结合起来，设计一种全新自动化教室杀菌照明灯。它在现有的照明灯上进行改进，成本低廉，使用方便，无需修改现有照明电路。
1 设计思路
在现有照明密闭灯罩内加入紫外线灯管，平时让室内空气定时强制通过紫外线照射进行循环杀菌消毒；无人时开启臭氧发生器，让教室充满臭氧，进行弥漫性覆盖，让细菌病毒无处可藏，彻底消灭掉教室空气病毒细菌。同时利用人体红外感应技术和光照强度检测解决了教室智能自动开关灯的问题。这样由传感器检测室内的人员情况以及紫外线强弱、光照强度，然后交给微控制器进行决策，根据不同情况对应不同的照明、杀菌措施，保证室内人员安全舒适的同时尽量增强杀菌效果。
2 方案设计与比较
2.1 常见教室杀菌方案的比较
（一）消毒液
使用84消毒液进行室内消毒时，先将原液按照1：29的比例兑水进行稀释，然后采用塑料喷壶进行喷洒。在喷洒时，操作人员应戴上橡胶手套、口罩，身着长袖衣物，尽量避免皮肤与消毒液的接触。喷洒后，封锁门窗30分钟左右，然后敞开门窗进行通风。但84消毒液在使用之后会残留在空气中不易挥发，而且污染水源，更可怕的是它的三致效应一一致癌、致畸、致基因突变，对人体也会造成相当大的危害。
（二）紫外线消毒
紫外线可以直接破坏细菌病毒中的DNA或RNA的分子结构，造成生长性细胞死亡和再生性细胞死亡，改变了细胞的遗传转录特性，使生物体丧失蛋白质的合成和复制繁殖能力，从而达到杀菌效果，尤其在波长为25 3.7nm时紫外线的杀菌作用最强。人们据此设计了紫外线消毒灯，只是使用紫外线消毒灯时应注意，紫外线是对人体有伤害的，特别是对眼睛和皮肤的影响最为明显。人体受到短时间的照射即会产生皮肤泛红，短时较大剂量照射会使眼睛红肿、流泪、睁不开眼。
（三）臭氧消毒
臭氧的灭菌机制类属于生物化学氧化反应。臭氧极不稳定，分解时释放出自由基态氧，自由基态氧具有强氧化能力，可以穿透细胞壁，氧化分解细菌内部氧化葡萄糖所必须的葡萄糖氧化酶；也可以直接与细菌、病毒发生作用，破坏其细胞器和核糖核酸，分解DNA、RNA、蛋白质、脂质类和多糖等大分子聚合物，使细菌的物质代谢生长和繁殖过程遭到破坏；还可以渗透细胞膜组织，侵入细胞膜内作用于外膜脂蛋白和內部的脂多糖，促进细胞的溶解死亡，并且将死亡菌体内的遗传基因、寄生菌种、寄生病毒粒子、噬菌体、支原体及热原（细菌病毒代谢产物、内毒素）等溶解变性灭亡。
1.2 本方案的创新设计
本方案利用微控制器和传感技术实现自动开关教室日光灯，并可对教室空气进行内循环杀菌消毒。具有以下优点：全自动控制，无需人工干预，节省了劳动力；白天采用紫外线杀菌消毒，杀菌效果强且不会有残留物造成污染，再通过灯罩阻挡紫外线的传播，所以在使用紫外线杀菌消毒时人员可以放心地留在室内；夜间采用臭氧消毒，臭氧在常温常压下不能稳定的存在，很快便分解成氧和自由基态氧，得益于自由基态氧的极强的氧化能力，杀菌效果更加强力。同时臭氧分解产生的氧还可以增加教室内的氧气浓度。
本设计成功地将臭氧杀菌与紫外线杀菌这两种方式结合在了一起，通过传感器对室内光照、人员情况的检测，启用不同的杀毒方案。有人时，充分保证了室内人员安全的前提下，保持一定杀菌效果；无人时，采用臭氧弥漫性覆盖提升杀菌效果同时增加室内氧气浓度。同时本设计还可以根据室内人员及光照情况自动开关教室日光灯，节能环保，杀菌良好。
3 方案设计与选型
3.1 传感器方案选型
按照之前的分析，传感器部分必须要精确地对教室内光照强度进行检测，并对教室内是否有人进行准确的检测。为降低设计成本，将传感器部分拆分为两个独立的单元，一个单元负责检测光照强度，另一个单元负责检测是否有人员在室内。
（一）光照强度采集单元
光照强度采集可采用光照传感器或光敏电阻进行采集，考虑到本设计中光照强度的精度不需要太高，因此采用低成本、小体积的光敏电阻进行光照强度的采集。
利用光敏电阻值随光照变化的特性，根据欧姆定律（ I=U/R）可知电阻两端的电压也会发生变化，至此完成了光照强度到电信号的转化，使用微控制器采集该电信号后便可得到当前环境的光照情况。
（二）人体感应单元
人体的感应目前应用较广的主要有两种方式，静态人体采集与红外热释电人体采集。静态人体采集模块采用热红外成像技术进行采集，采集结果不受光源等干扰，可用于智能家居、智能安防。但由于是新兴技术，技术成熟度不高，且因处于市场测试阶段，产量低导致芯片价格昂贵。红外热释电人体采集技术相对成熟，成本低，在各类产品上得到了广泛的应用，相对的关于该传感器的学习资料也比较多，测试后发现该模块的性能足以满足本设计的要求。综合考虑后，选择红外热释电人体采集模块作为本设计的人体感应单元。
3.2 主控芯片选型
在芯片选型上有以下几种方案备选。
（一）51单片机
51单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8004单片机，采用C语言或汇编语言进行编程，网络上有丰富的实例可供学习，价格低廉。
（二）STM32单片机
STM32系列单片机是基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核单片机，属于32位单片机，处理速度快，片上资源多，内存（ RAM）更大。但编程较复杂，学习门槛高，一时半会不好掌握。
（三）Arduino
Ardu/no是一款采用ATMCEA328P单片机的开源智能硬件，它具有强大的开源软件库，具有14个数字10口及6个模拟口，使用这6个模拟口可以直接读取光照强度采集单元输出的模拟信号。编程简单好学，价格低廉。
综合硬件资源与学习难度考虑，笔者选择Arduino作为本设计的微控制器单元。
3.3 照明方案选型
LED（发光二极管）照明灯是利用第四代绿色光源LED做成的一种照明灯具。90%的电能转化为可见光（普通白炽灯80%的电能转化为热能，仅有20%的电能转化为光能），所需电压、电流较小，发热较小，不产生安全隐患。
4 方案制作与试验
4.1 装置的制作
结合以上分析与方案的选择，我们制作了全自动教室杀菌照明灯的模型。
全自动教室杀菌照明灯主要由12V开关电源、SVLDO稳压电路、排气扇电路、继电器驱动电路、LED灯、紫外线灯、Arduino、传感器模块等几部分构成。
整体结构框图如下
4.2 装置的试验
【实验一】测定室内环境光照强度的实验
在裝修好的室内整间中，一天中的大部分时间环境光的强度约在1501x-3001x之间，在黄昏（测定时间为2016年12月l号17点08分）时候教室内（未开灯的情况下）的光照强度低至301x。将LED照明灯安装在原灯的位置（距地面约3米），开启LED灯后，在灯管正下方使用光照传感器测得的光照强度为271.31x。
结论：人看书比较舒服的光照强度大约在2501x左右，当环境光轻度不足时开启LED灯后可以达到人看书的最佳光照强度。
将全自动教室杀菌照明灯安装布线完成后在不同光照强度下进行实际测试，测试结果如下。
经过实际实验，装置达到了预期设想，证明本装置切实有效，能够产生自动杀菌照明的作用。
5 结语
通过对现有悬挂式的灯具进行改进，在上面控制空余空间安装抽气扇，紫外线灯（不直接照明仅在内部）以及臭氧发生器来达到直接对空气的杀菌消毒，打破了紫外线直接照射杀菌消毒对人体的伤害，以及只能在无人状态下使用的时间以及空间限制。而且在资金方面不会造成太大的困扰。
参考文献：
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[2]许莲华，李秀珍张镇静南京医科大学第一附属医院南京21002984消毒液浓度及作用时间对其灭菌效果的影响[R]
[3]陈蕾海南省高级技工学校高锰酸钾标准溶液配制和标定的条件控制[J]工业技术，2009（22）
