王煜琳 毛轶超
摘要：近年来，随着教育事业的不断发展，图书馆已成为在校学生学习的最佳场所，因而图书馆教育设施的质量对其发展具有重要作用。本文针对图书馆的照明设施，在进行分析研究之后，研发出一款基于学习照明的创意水杯重力感应灯。通过节省桌面空间、利用重力感应以及光的传播等原理对传统台灯进行改良设计，以达到节省桌面空间、突破传统照明方式、营造良好学习氛围的效果，为学生提供优良的照明环境。
关键词：图书馆;照明设施;创意水杯重力感应灯;节省桌面空间
中国分类号：TB472 文献标识码：A
文章编码：1672-7053（2019）02-0149-03
目前，市场上照明设备品种众多，但大部分仍只是停留在简单的外观设计或者添加多余的功能。因此，就台灯而言，企业应关注台灯的使用功能、护眼功效、外观设计感、节能减排等方面[8]。
图书馆作为知识源泉之地，拥有良好的设施设备是首先需考虑的。据初步的调查研究发现，图书馆部分设施设备仍存在一些问题，其中照明设备存在的问题较大。首先，照明设备的光线的明暗对学生眼睛具有较大影响;其次，灯具设计应基于使用环境而言，缺乏设计感的照明设备会影响学生的学习效率。因此，从目前照明系统现状进行调查研究分析发现市场缺陷，并对图书馆照明系统展开调研，从而得出具有切实可行的解决方案。
1 图书馆照明产品现状分析
1.1 国内外研究现状分析
目前，大多数的论文主要是集中在对灯光亮度、护眼以及功能上做研究。成凤敏在《智能LED台灯的设计与实现》中主要是利用了红外传感器以及单片机，设计了一种可自动开启关闭、亮度调节以及用户坐姿提醒等多功能的LED台灯解决传统台灯能耗大、伤眼等问题[1];《高均匀低眩光LED台灯配光设计及仿真分析》中，主要是针对台灯光效低、亮度不均匀、眩光较严重的缺点而设计了一款高均匀低眩光的LED护眼台灯[2];魏炽旭、林泉康在《基于51单片机的智能台灯设计》中以51单片机为主控芯片、利用感应人体红外信号的热释电红外传感器的原理来设计智能台灯[3];上海理工大学的《基于STM32的智能台灯系统设计》采用搭建硬件电路、编写对应的软件程序来实现灯光调节、蓝牙通信等功能[4]。
然而，他们的都存在一些问题：都是基于传统的台灯样式，在外观上并未有所突破，缺乏人性化，而人性化设计应将“人——产品——环境”三者完美结合，并将艺术、技术与人性得到完美融合，不只是单一的技术设计[5]。此外，功能过多，在实际的图书馆学习过程中并非所有功能都需要，需要解决的是空间利用问题以及正常的照明问题，只需要满足基本的照明功能即可。
1.2 市场现有产品状况分析
市场上的照明系统包括：照明设计和照明配电线路设计。照明设计中包括光源、灯具的选择与布置，开关、插座的选择与布置等。照明配电线路设计包括照明配电线路的保护及敷设等[9]。
目前市场上台灯就功能分类而言有以下几种：阅读台灯、装饰台灯[6]（图1）。阅读台灯一般用于阅读，因此其光线要求相对高些。
为追寻绿色节能的理念，经市场调查研究，相对于传统的白炽灯、荧光灯、卤钨灯而言，LED灯是绿色照明的理想光源，其在功耗及使用寿命上均有优势[7]，因此，在设计中采用LED灯作为光源是最佳选择。
在进行市场调研时，发现灯具市场上的灯具造型要么呆板、缺乏新颖性，要么就是过多的在外观造型上进行设计，而未能实际的解决某种具体的问题，基本用于装饰作用，且大多用于展览中，真正用到实际的阅读学习中的很少。
市场上就灯具的控制方式而言大致有开关控制、触控式、声控，但是，大众化的开关缺乏创新，无法让消费者感受到生活的乐趣、照明系统的创新点，同时大部分的灯具都只具有装饰性，而未能解决实际问题，这是目前市面上照明系统的一大设计漏洞之一。
2 图书馆照明产品情况调研
初期对广大去图书馆学习的学生做了1份关于图书馆存在的现象的调查，采用线上线下问卷调查的方式进行数据统计，一共调查了700份，其中有效数据是550份。经分析，图书馆存在的问题大致分为两类，一类是图书馆自身设施问题，另一类是人为因素，具体见表1、表2。
圖书馆自身设备存在的问题有：（1）台灯光线较暗或者不亮;（2）插电口较少;（3）漏水;（4）设备不足;（5）桌面空间小等等。
人为因素有：（1）声音较嘈杂;（2）图书乱放、损坏;（3）占位现象严重;（4）垃圾乱丢等等。
从上述两个图表可以看出最为突出的问题是光线不足和桌面空间不足。
在正常的学习当中，光线起着决定性作用，拥有好的照明设备能让学习效率提高很多，同时也能帮助学生的眼睛。而图书馆的照明系统却存在光线不足、设备缺陷等问题，对学生的学习产生了较大影响，无法很好地看清书，长期下去会产生视觉疲劳等症状。因此，对照明系统进行改造设计是必须的。
桌面摆放的东西过多、桌面面积较小、空间不足，造成了桌面利用率低。据调查发现，台灯和水杯摆放在桌面上占用了一定的空间，同时装有水的水杯这会造成杯中水的泼洒，因此，桌面利用率的问题也亟待解决。
综上，台灯和水杯一起放置在桌面时会占用一定的空间，台灯光线又不足、水杯易泼洒，如何将这些问题一起解决将是我们所探讨的。
3 图书馆新型照明产品创新研究
在传统的学习或休闲桌面上，一方面，传统的台灯摆放在桌面会占用一定的桌面空间;另一方面，将打开的水杯放在桌面上易造成水的泼洒。针对这两类问题，决定以空间利用的角度来解决照明光线不足的问题。
经多次讨论与实验，最终设计了一款创意水杯重力感应灯，旨在通过水的方式改变照明的方向以达到从下面打灯也可以辐射到周围的效果。
3.1 内部基本工作原理
其基本的作用原理是通过将装有一定水量的水杯放在嵌有灯的桌面凹槽中，灯受到水杯的重力作用之后具有向下的弹力，然后压力传感器受到重力作用后，通过电路传导使灯发亮，灯光以水为介质近而使杯体发光，从而达到看书照明的效果（图2）。
3.2 运作方法
当将注水的水杯放在灯的表面时，压力传感器感受到重力，FSR402压力传感器阻值迅速下降到几百欧，Q1三极管导通，Q2三极管也导通，因此RL1线圈得电，开关闭合，灯导通发光。灯光通过杯体发光，从而在一定范围内达到看书的照明效果（图3）。
3.3 实验操作
1）实验用具：电路、光测量器、水杯、灯、量杯。
2）实验环境：图书馆。
3）实验条件：测量图书馆公共照明环境的光亮;人正常看书时的灯光亮度范围在300～700LUX，当灯光亮度低于或高于此范围时，都对人的眼睛有一定的伤害，因此，在进行灯光设计时，要严格控制好灯光的亮度。
4）实验目的：考虑到在保证灯光不变的情况下影响人看书时对光的感知的因素有水杯的高度、水杯中水的高度、水杯的形状、人与水杯的距离以及聚光物质。
5）实验操作：选用双层水杯容量分别为500ml和350ml、单层水杯容量分别为500ml和300ml、矮圆杯250ml进行光照强度的测试。
设光照强度为变量W，水杯中的水在一定水位m时书本距离水杯n时，人眼不同高度是感受到的灯光的亮度为变量x，因此，最终测得的光照强度W=x，从而得出最佳的水位以及最佳距离。
在一定的时间里，将环境的灯光亮度进行了测试，从而排除环境对实验的影响。实验数据的比较有同种类型而容量不同的水杯间、同一水杯水量不同时的数据、看书距离的不同时数据的变化以及加了锡箔纸之后数据的变化。
1）第一组，向同一水杯分别加入200ml、300ml、400ml的水，测出此时的水的高度，并在距离水杯10cm、20cm、30cm、40cm测量人眼感知的灯的亮度x。多次测试几种水杯，从而得出最佳水位m及最佳距离n。
2）第二组，对同种类型而容量不同的水杯进行测试，测试当加入的水的容量相同时，分别测试同时距离水杯10cm或20cm或30cm或40cm時人眼感知的灯的亮度，进行数据的比较，从而得出最佳杯型。
3）第三组，在原有实验的基础上，在原来的水杯口的上方覆盖一层锡箔纸，然后分别测试同一高度、不同距离时人眼感知灯的亮度x，从而得出是否要加锡箔纸。
经实验筛选出人眼感知亮度范围在300～ 7001ux的数据，见表3。
3.4 产品设计
经上述数据筛选得出：当水杯距离人看书为10cm时光线较适合，同时当水杯加上锡纸时光照强度较大;对于水杯的杯型得出两种：（1）双层水杯容量为350ml：当水杯内水位为300ml和200ml时，无论是底部、中部还是顶部，光照强度都是在人看书时最佳亮度范围之内;（2）矮圆杯容量为250ml，当水位为150ml和200ml时，无论是底部、中部还是顶部，光照强度都是在人看书时最佳亮度范围之内。然而，由于矮圆杯容量较小，且体型过小，因此，选用容量为350ml的双层杯最佳。
3.5 产品特点
创意重力感应灯集美观性与实用性于一体，将其应用到现代生活中既具有装饰性，又起到照明的作用。
（1）利用压力传感器的原理，赋予灯泡开关的功能，同时也节省了实际的开关空间;（2）以水为介质，光线通过水传递到空气中，从而起到照明的作用;（3）采用凹槽式以供水杯放置，并起到固定水杯的作用;（4）整体外形设计简约而无多余的坠饰，深受大众消费者的喜爱。
4 总结
采用凹槽式、重力感应是一种新型控制方式，不仅可以提高桌面的利用率，而且更加实用，同时采用的LED灯也很节能。
目前市场上还未见过利用重力来使灯亮同时使杯体发光达到照明效果。而本实用型发明不仅解决了照明问题，而且也解决桌面空间拥挤的问题，提高了桌面利用率，不会像传统灯具一样占用桌面。而将光源嵌入桌面从而将光源“隐藏”起来，体现了简约的理念，不会造成视觉负担。
通过水的方式改变照明的方向以达到从下面打灯也可以辐射到周围的效果。改变了传统的照明方式，更加方便了人们的生活，有效地节省了空间，同时也降低了水杯在桌面被泼倒的概率。
在图书馆学习过程中，灯具不仅具有照明的功能，而且也要符合大众审美，在学生的学习过程中起到了很好的辅助作用，而不是一种障碍。随着时代的发展，传统的照明管理方式已不能满足现代图书馆对照明控制、节能、便捷的多元化需求，因此，通过改变传统照明系统开关方式以及光的传播方式，可谓是一种进步。重力感应灯具设计一方面使得图书馆灯具档次有所提升，另一方面也有效降低生产成本，充分体现了该照明系统在图书馆应用上的便利性与节能性。
参考文献
[1]成凤敏.智能LED台灯的设计与实现[J].唐山学院学报，2015，28 （3）：34-67.
[2]兰明强，王敏，陈雪梅.高均匀低眩光LED台灯配光设计及仿真分析[J]光子学报，2013，42（3）：288 292.
[3]魏炽旭，林泉康.基于51单片机的智能台灯设计[D].福建：三明学院机电工程学院，2017.
[4]宋斌，袁庆庆，杨娜.基于STM32的智能台灯系统设计[J].电子测量技术，2017，40 （6）：67-75.
[5]姚善良，刘玳言，陈全国.LED台灯设计中的人性化研究[J/OL].学术论坛，2018.http：//www.cnki.net
[6]陈艳玲，国内台灯行业的现状与前景[J/OL].社科论坛，2015.http：//www.cnki.net
[7]李建.图书馆智能照明系统的设计[D].湖南：湖南文理院，2015.
[8]陈声友.高校国书馆照明系统的研究与设计[J].机械工程，2012，2（下）：197-202.
