(東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

1 引言

這些年，家用電器，汽車，飛機以及其他的很多系統(tǒng)變得越來越智能化，并且，這些系統(tǒng)的控制方式也更加的便于用戶的操作，緩解了人們操作的負(fù)擔(dān)［1］。

雖然現(xiàn)實世界中的系統(tǒng)變得越來越智能化，但是照明系統(tǒng)這個對人們不可或缺的系統(tǒng)控制來說，智能在其中的運用還不是很廣泛，在國外許多樓宇中，智能照明已經(jīng)開始應(yīng)用，耗電量僅僅只有普通照明系統(tǒng)的20%～30%，在這些照明系統(tǒng)中，照明模式的設(shè)計遠(yuǎn)遠(yuǎn)比照明電路的設(shè)計更重要，也就是說，在室內(nèi)的某處，讓智能照明系統(tǒng)自動的調(diào)節(jié)到該處所需要的照度。最近，有許多的新的技術(shù)，它們利用天然光和電氣照明節(jié)能技術(shù)實現(xiàn)了照明節(jié)能，比如，定時控制和光耦控制就是充分利用了光照達(dá)到了比較好的節(jié)能目的［2］。但這些方式還是有許多問題的，比如他們很難在室內(nèi)的隨意位置自動的給出合適的照度，或者說，在一個照明系統(tǒng)中，一旦有一個燈失效，其他的燈不能補償這個燈失效之后的照度損失，另外，當(dāng)系統(tǒng)中加入燈，照度傳感器或者房間的格局改變時，以上所說的系統(tǒng)不能響應(yīng)這些變化。

本文所介紹的系統(tǒng)解決了上述的問題，這是一種新型的智能照明節(jié)能系統(tǒng)，它可以控制照度，并且可以在任何地點提供相應(yīng)的照度，本文還提出了新的智能照明控制算法:基于相關(guān)性系數(shù)的自適應(yīng)鄰域算法 (Adaptive Neighborhood Algorithm using Correlation Coefficient)，該算法通過相關(guān)性系數(shù)獲知照明設(shè)備的位置和照度傳感器的信息，使得目標(biāo)照度和節(jié)能條件這兩個因素在較短時間內(nèi)收斂。為此，我們還通過一些實驗仿真來驗證該算法的有效性?？墒?，該算法仍舊有兩個問題，一個是在分布式的照度傳感器上很難得到相對正確的照度。另外一個不可避免的現(xiàn)實問題是，當(dāng)在大規(guī)模的照明系統(tǒng)中，一旦照度傳感器發(fā)生變動，瞬態(tài)響應(yīng)不太可能計算出相關(guān)性系數(shù).

因此本文的研究解決了上述兩個問題，我們又提出了一種新的智能照明技術(shù)，該技術(shù)叫做可視光通信技術(shù)，該技術(shù)在照明裝置和照度傳感器之間建立一個直接的通信，使得該系統(tǒng)能夠快速的獲知位置等信息。為此，我們還對上面所提的基于相關(guān)性系數(shù)的自適應(yīng)鄰域算法進(jìn)行了改進(jìn)。

2 智能照明系統(tǒng)

智能照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

該照明系統(tǒng)由各種智能的照明設(shè)備，各種可以移動的照度傳感器和一個電能表組成，這些設(shè)備連成一個網(wǎng)絡(luò)。所謂的智能照明設(shè)備，就是在這些設(shè)備上安裝一個學(xué)習(xí)裝置，使得每個設(shè)備可以單獨自動的運作，通過在網(wǎng)絡(luò)中傳遞的照度信息，單獨的控制設(shè)備運用優(yōu)化算法執(zhí)行控制，達(dá)到最優(yōu)控制。

我們目前所用的照明控制優(yōu)化算法就是前面所講的基于相關(guān)性系數(shù)的自適應(yīng)領(lǐng)域算法，該方法融合了基于相關(guān)性系數(shù)機制的照明控制和常規(guī)目的優(yōu)化算法“隨機爬山法”［3］，相關(guān)性系數(shù)的存在表明有兩個或者更多的現(xiàn)象成為了一個集合并且同時變化。算法從光通量 (luminous influx)的變化和照度(illuminance)的變化來計算的，在該算法中，對于照明設(shè)備位置信息和照度傳感器信息的合理性有助于達(dá)成目標(biāo)照度和節(jié)能兩大目標(biāo)，在這兩大目標(biāo)領(lǐng)域中快速收斂。

圖1表明了各個照明設(shè)備和照度傳感器的距離以及各個照明設(shè)備之間的相關(guān)性系數(shù)，縱坐標(biāo)表示各個燈之間相關(guān)性系數(shù)，從圖表我們可以看出，傳感器所檢測到的照度值 (illuminance)與燈1的光通量值有很大的相關(guān)性，而燈2和燈3由于距離的關(guān)系，隨著時間他們的相關(guān)性越來越趨向于穩(wěn)定，且相關(guān)性較低。

圖1 燈光的亮度和環(huán)境照度之間的相關(guān)性

3 基于可視光通信技術(shù)的智能照明系統(tǒng)

3.1 可視光通信技術(shù)

最近，作為一種新的通信技術(shù)，可視光通信技術(shù)越來越吸引人們的目光，這種技術(shù)運用可視光來傳導(dǎo)信息，是通過發(fā)光二極管 (LED)、熒光燈等光源的閃爍來實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的技術(shù)［4，5］。相比于傳統(tǒng)的紅外通信技術(shù)，該技術(shù)具有如下的特點:

(1)照明設(shè)備中用的電可直接用于通信，這樣就可以用簡單的設(shè)備建立起一個無線通信環(huán)境。

(2)由于照明是不受任何無線電法規(guī)限制的，所以在無線電波要求很嚴(yán)格的環(huán)境中也可以使用。

發(fā)射可視光的載體是可見的LED光，激光，有機電致發(fā)光，熒光燈等等，本文所用的可視光是由熒光燈發(fā)出來了。

3.2 基于可視光通信技術(shù)智能照明系統(tǒng)的組成

我們所提到的運用可視光通信技術(shù)的智能照明系統(tǒng)，主要是加快整個系統(tǒng)向預(yù)設(shè)的照度收斂，在該系統(tǒng)的燈具上的一個設(shè)備，用來向可視光中傳輸電信號，在照度傳感器上的接收終端接收這些信號。圖2為整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖2 基于可視光通信技術(shù)的智能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)中，每個燈都有一個 ID，這些ID會被調(diào)制成可視光信號，照度傳感器會直接接收這些ID信號，因此每個燈的地點信息會被照度傳感器所獲知，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，這一過程幾乎不用花費多少時間，因此系統(tǒng)能夠較快的收斂到預(yù)置的照度。

3.3 可視光通信技術(shù)在智能照明系統(tǒng)中的運用

在本系統(tǒng)中，對于照明設(shè)備和照度傳感器位置信息的獲取和理解就是可視光通信技術(shù)在智能照明系統(tǒng)中的運用，目前有三種方法在智能照明系統(tǒng)中加入這種技術(shù)，第一種是僅僅運用可視光通信技術(shù)，這是在照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單時運用比較有效，第二種是根據(jù)不同的情形，在系統(tǒng)中選擇性的運用可視光通信或者運用基于相關(guān)性系數(shù)的自適應(yīng)領(lǐng)域算法。第三種是結(jié)合兩種技術(shù)，粗略的位置信息可以通過可視光技術(shù)獲取，而詳細(xì)具體的位置信息該算法得出。

3.4 控制算法

本文的控制算法就是上面我們所提到的結(jié)合可視光通信技術(shù)的基于相關(guān)性系數(shù)的自適應(yīng)領(lǐng)域算法，該控制算法的主要目的就是獲取照明設(shè)備和照度傳感器的位置信息，它的流程框圖如圖3。

(1)初始參數(shù)如:初始亮度、目標(biāo)照度等首先要被設(shè)定，每個燈初始的亮度是對應(yīng)初始照度的。

(2)運用可視光通信技術(shù)傳輸燈ID。

(3)每個照明設(shè)備會得到每個照度傳感器的信息 (照度傳感器的ID，當(dāng)前照度，目標(biāo)照度及它所接收到的燈的ID)以及從電能表所傳輸過來的用電量，通過亮度和照度參數(shù)計算出相關(guān)性系數(shù)。

(4)計算一個目標(biāo)函數(shù)的值。

(5)通過照度傳感器的信息，決定一個合適的領(lǐng)域。

(6)下一個燈的亮度在這個領(lǐng)域中隨機產(chǎn)生，燈在這個亮度下運行。

圖3 運用可視光通信技術(shù)的基于相關(guān)性系數(shù)的自適應(yīng)領(lǐng)域算法

(7)每個照明設(shè)備會得到每個照度傳感器的信息 (照度傳感器的ID，當(dāng)前照度，目標(biāo)照度以及它所接收到的燈的ID)以及從電能表所傳輸過來的用電量，通過新的亮度和新的照度參數(shù)計算出相關(guān)性系數(shù)。

(8)從新的照度值和用電量值中計算目標(biāo)函數(shù)值。

(9)如果目標(biāo)函數(shù)值得到了改進(jìn)，此時就把對應(yīng)的亮度確定下來，返回第二步。

(10)如果目標(biāo)函數(shù)值并沒有得到改進(jìn)，那么燈亮度的變化就取消，返回到第二步。

通過上面的運行流程，可以使各個位置的照度收斂于目標(biāo)照度，并且到達(dá)節(jié)能的狀態(tài)，從上面的流程步驟我們可以看出，從 (9)(10)返回第二步的原因主要是環(huán)境因素的改變。

3.5 算法中的目標(biāo)函數(shù)

自動照明控制的目標(biāo)函數(shù)主要是將照度值接近與目標(biāo)照度，并且將用電量降到最低。我們所提到的算法中，目標(biāo)函數(shù)在式 (1)中體現(xiàn)，每個控制器都運用這個目標(biāo)函數(shù)，整個系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)就是使該目標(biāo)函數(shù)值最小化。

式中:n——照度傳感器的數(shù)量

m——燈具的數(shù)量

ω——權(quán)重v:燈ID獲得的狀態(tài)

r—— 相關(guān)性系數(shù)

P——用電量

Lc——當(dāng)前照度

Lt——目標(biāo)照度

Cd——燈的亮度

該算法的目標(biāo)函數(shù)如式 (1)，目標(biāo)函數(shù)的最主要目的就是使得所求的f值最小，主要有兩個方面組成，一個是gj，表示的是當(dāng)前照度與目標(biāo)照度之差，P表示的是系統(tǒng)的用電量;在當(dāng)前照度與目標(biāo)照度之差gj為負(fù)數(shù)或者大于50流明時，該變量gj才會對目標(biāo)函數(shù)值f起作用，從式 (3)我們也可以看出，一旦當(dāng)前照度下跌到目標(biāo)照度以下和超過目標(biāo)照度很多，f會很快增加。亮度Cd的總和代表所用的電量P，因為燈的亮度與電量之間有典型線性關(guān)系。權(quán)重ω與P相乘，該權(quán)重代表的是在計算時對于目標(biāo)照度優(yōu)化還是用電量最小之間優(yōu)先權(quán)的選擇，v代表的是燈的ID的獲得情況的描述，r等于0.5代表已經(jīng)獲取到，等于0代表沒有獲取到，該值對于系統(tǒng)對于單個燈的控制有很大的影響，它能夠反應(yīng)每個照度傳感器的控制范圍，r代表相關(guān)性系數(shù)，表明照度與燈亮度之間隨時間變化規(guī)律。

3.6 領(lǐng)域判定方法

在基于可視光通信和相關(guān)性系數(shù)的自適應(yīng)領(lǐng)域算法中，每個燈具的亮度是在給定的范圍內(nèi)隨意選擇的，該范圍稱為領(lǐng)域范圍，如圖四，該算法有三種領(lǐng)域范圍，他們被用來產(chǎn)生下一個燈的亮度，圖四表明各個領(lǐng)域與當(dāng)前燈亮度之間的相對范圍，在當(dāng)前燈的亮度值上下兩個相對范圍是通過實驗所估計出來的。從領(lǐng)域A來看，對于燈亮度的選擇更多的傾向于當(dāng)前亮度的下方，領(lǐng)域B則上下兩個范圍選取的概率相同，而領(lǐng)域C在當(dāng)前亮度上方的選擇下一個燈的亮度的概率更大。只有領(lǐng)域B被用在傳統(tǒng)的優(yōu)化算法 (隨機爬山法)中。

圖4 三種領(lǐng)域范圍

為了選擇在哪一個領(lǐng)域范圍內(nèi)產(chǎn)生下一個燈的亮度，燈ID的獲取情況就很重要了，它直接影響Rj這個系數(shù)，而Rj系數(shù)的大小則是三種領(lǐng)域范圍的選擇依據(jù)。如式 (2)該優(yōu)化算法偶爾會在所選的領(lǐng)域范圍內(nèi)得到局部的最優(yōu)解而不是全局最優(yōu)解，因為該算法是基于隨機爬山法所提出來的，但并不影響該算法的有效性，因為我們所設(shè)定的各個領(lǐng)域范圍都是比較大的，所以該算法有很大的機會躲避局部最優(yōu)解。就算得到了局部最優(yōu)解，該值與全局最優(yōu)解之間的差距也不會相差太多。

4 運用可視光通信技術(shù)和基于相關(guān)性系數(shù)的自適應(yīng)領(lǐng)域算法實驗

4.1 實驗概要

該實驗驗證的智能照明控制系統(tǒng)是基于相關(guān)性系數(shù)的自適應(yīng)領(lǐng)域算法的，而可視光通信技術(shù)在現(xiàn)實環(huán)境中還沒有真正的運用，所以我們用計算機來仿真該技術(shù)，通過仿真的結(jié)果和理論結(jié)果之間相差不是很大。

該實驗的試驗參數(shù)在表1中，通過實驗我們可以證明運用可見光通信技術(shù)的智能照明系統(tǒng)比僅僅使用基于相關(guān)性系數(shù)的自適應(yīng)領(lǐng)域算法的系統(tǒng)在燈亮度的調(diào)節(jié)上更有效。圖5描述了我們實驗的環(huán)境。

4.2 可視光通信技術(shù)的覆蓋范圍

該技術(shù)條件下，基于燈亮度的可視光通信的覆蓋范圍變化是很大的，因為它只能接收到光所能照到范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，如圖6，該圖表明了大小兩種覆蓋范圍的模式，以及兩種模式下，燈亮度和覆蓋范圍的關(guān)系。

圖5 實驗環(huán)境

表1 實驗參數(shù)

圖6 可視光通信覆蓋范圍

由圖我們可以看出，大模式的覆蓋范圍很廣，因此就算在燈亮度很小的情況下 (30%的燈亮度)，也能夠接收到周圍靠近的6個燈的ID。相應(yīng)的，小模式在燈亮度在100%的時候也只能接收到周圍4個燈的ID，在30%燈亮度的時候只能接收到2個燈的ID。實驗一中，我們運用了兩種模式的覆蓋范圍和前面我們提出的算法，都能夠很好的實現(xiàn)通信，通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境照度收斂到目標(biāo)照度附近的時候，我們所提出的算法可以不受可視光通信覆蓋范圍的限制。

4.3 實驗結(jié)果

(1)實驗一，當(dāng)運用可視光通信的大模式時，實驗結(jié)果如圖7，為了便于比較，我們還進(jìn)行了僅僅用算法而不用可視光通信的實驗，實驗結(jié)果如圖8。

圖7 實驗結(jié)果 (大模式)

圖8 實驗結(jié)果 (僅用算法)

從圖7的實驗結(jié)果我們可以看出，三個照度傳感器在時間在100附近的時候相繼到達(dá)771，652和568［lx］，都在他們所設(shè)定的目標(biāo)照度值附近，此時我們可以看圖7(b)，用電量也在這時接近最小值。相比之下，圖8在僅用算法的情況下，到達(dá)目標(biāo)照度附近和最小用電量所用的時間較長。

(2)實驗一，當(dāng)運用可視光通信的小模式時，環(huán)境因素如圖5和照度參數(shù)如表1，實驗結(jié)果如圖9。

(3)實驗二，如圖5所示，照度傳感器3在時間為1000的時候 (如圖10)從14號燈下方移動到1號燈下方，1號燈的下方環(huán)境照度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目標(biāo)照度值，所以，經(jīng)過可視光通信技術(shù)和領(lǐng)域算法，在時間經(jīng)過15之后，又收斂到目標(biāo)照度。如圖10(b)所示，對僅用算法的系統(tǒng)來說，需要經(jīng)過55之后，該點的環(huán)境照度才能收斂到目標(biāo)照度。收斂速度不如可視光技術(shù)的算法。

圖9 實驗結(jié)果 (小模式)

5 總結(jié)

本文所研究的智能照明系統(tǒng)緊扣當(dāng)今社會節(jié)能環(huán)保這個主題，其智能主要體現(xiàn)在可以給室內(nèi)任何一點隨意的提供環(huán)境照度，并且所消耗的電能是該照度條件下最節(jié)省的。該系統(tǒng)運用了最新的控制方式，即基于相關(guān)性系數(shù)的自適應(yīng)領(lǐng)域算法結(jié)合可視光通信技術(shù)。該方法可以加速燈光調(diào)節(jié)的時間，其有效性我們通過計算機仿真實驗環(huán)境進(jìn)行了驗證。實驗結(jié)果表明，該控制方式能夠較快的促使整個系統(tǒng)進(jìn)入節(jié)能狀態(tài)，對于環(huán)境因素的改變響應(yīng)速度較快。在智能照明系統(tǒng)領(lǐng)域有較好的推廣作用。

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