徐進(jìn) 劉坤

(西安工程大學(xué)電信學(xué)院，陜西西安 710048)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)自身生活水平以及生存環(huán)境也有了更高的要求。傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)因其機(jī)械單調(diào)的照明方式以及有差別區(qū)域亮度等缺陷，已無(wú)法滿足人們的需求?，F(xiàn)階段出現(xiàn)的各種豪華燈飾，其突出的特點(diǎn)僅僅是為了滿足裝飾空間和環(huán)境的需要，而在均勻照明及保護(hù)視力方面考慮不足，更談不上智能化。

針對(duì)傳統(tǒng)照明存在的缺陷，本文提出一種智能化的照明系統(tǒng)。這種照明系統(tǒng)可通過(guò)模式選取，智能化的調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)照度，以滿足人們對(duì)照明的各種不同需求，增加照明模式并可通過(guò)對(duì)系統(tǒng)程序的編程改變照明模式。具有無(wú)階躍的光亮度調(diào)節(jié)方式，使照明區(qū)域內(nèi)的光線更趨于人性化和個(gè)性化［1］。

2 研究方法分析

傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)之所以有諸多缺點(diǎn)，是與照明系統(tǒng)本身設(shè)計(jì)有關(guān)。在傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)中，對(duì)于室內(nèi)照度的調(diào)節(jié)多局限光源處，而對(duì)光源輸出光通量和室內(nèi)各點(diǎn)照度的關(guān)系分析不足，對(duì)光源輸出光通量調(diào)節(jié)的方法研究不足。本文針對(duì)上訴不足，在對(duì)室內(nèi)各點(diǎn)照度情況的分析基礎(chǔ)上，得出光源光通量與各點(diǎn)照度的關(guān)系，結(jié)合上述關(guān)系給出智能調(diào)節(jié)的一種方案。

2.1 智能化照明的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)智能化照明，首先應(yīng)當(dāng)解決如下問(wèn)題:光源應(yīng)如何分布問(wèn)題，光傳感器的分布如何真實(shí)反映室內(nèi)平均照度問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)智能化控制的方案問(wèn)題，光源光強(qiáng)度如何調(diào)整的問(wèn)題等。

(1)采光模塊分布:光敏材料在其周圍的照度發(fā)生變化時(shí)，物理量會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變，故可將亮度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。因此，采用光敏材料對(duì)該點(diǎn)照度信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)A/D模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以此構(gòu)成光電傳感單元。光源和傳感器的分布，須遵循以下原則:

①燈具布置需滿足工作、生活需求;

②傳感單元的分布必須能夠真實(shí)的反映室內(nèi)照度;

③光源與傳感單元之間須無(wú)障礙，傳感單元的分布位置在滿足前一條件的基礎(chǔ)上可適當(dāng)調(diào)節(jié)。

在滿足以上原則的條件下，本設(shè)計(jì)以點(diǎn)光源分布為例予以說(shuō)明。光源采用多點(diǎn)均勻分布，傳感單元?jiǎng)t視室內(nèi)面積和光源數(shù)目而定。如:在廠房中，作業(yè)場(chǎng)所需實(shí)現(xiàn)無(wú)影作業(yè)，因此采用大量光源均勻分布于作業(yè)場(chǎng)所上方，為能夠真實(shí)反映作業(yè)場(chǎng)所照度情況，將傳感單元均勻分布于作業(yè)場(chǎng)所四周和上空;在室內(nèi)，為了滿足人們各種需求，光源采用多點(diǎn)均勻分布方式，傳感單元置于墻體四周。我們以室內(nèi)光源分布為例予以進(jìn)一步說(shuō)明。光源采用3×3陣列分布，如圖1所示:

圖1 光源與傳感器分布圖

圖中M代表傳感器，A代表光源，將傳感器分布于墻體四周，據(jù)地面2m以上同一水平面處。光源成陣列形式分布與頂上天花板，到傳感器垂直距離為H，水平距離為D，空間距離為L(zhǎng)，夾角為θ。

照度計(jì)算［1］:如圖2所示，設(shè)傳感單元受光面為S，取其中一個(gè)微面元ds;面元ds對(duì)點(diǎn)光源A所張的微立體角元為 dω，則 dω=ds/L2。而點(diǎn)光源 A在微立體角元dω范圍內(nèi)射向被照面 N的光通量dφ，由光強(qiáng)定義可知

那么，由照度的定義可求得點(diǎn)光源A在微面元ds上產(chǎn)生的照度Ev，

由此可知，全部光源作用下傳感器Mi表面上某點(diǎn)的照度為:

圖2 點(diǎn)光源指向傳感單元處照度

則傳感器Mi感光表面上的照度為:

當(dāng)傳感單元與光源足夠遠(yuǎn)時(shí)，可將傳感單元視為一個(gè)點(diǎn)，故此時(shí):

我們以圖1(a)所示分布為例，進(jìn)行說(shuō)明。其中i表示的是傳感器的阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)識(shí)，j表示是光源的阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)識(shí)，則:

即:

P為光通傳遞矩陣［2］，其中 Pij表示光源j到傳感器i處的光通傳遞函數(shù)。當(dāng)我們將光源和傳感器分布固定時(shí)，P則為一個(gè)固定值。因此我們選擇調(diào)節(jié)光源光強(qiáng)I，實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)光。

2.2 智能調(diào)控方案

由式 (8)我們可以看出，將燈具和傳感器分布確定后，光通傳遞函數(shù)固定，要改變傳感器各處照度時(shí)，需調(diào)節(jié)光源光強(qiáng)。我們?nèi)砸詧D1(a)圖為例進(jìn)行說(shuō)明。結(jié)合式 (5)，從圖上我們可以看出，光源對(duì)傳感器的照度影響是以距離和夾角衡量的。也就是說(shuō)，距傳感器最近的光源對(duì)傳感器的影響最大，影響的比例是與距離的平方成反比的。以圖1(a)為例，傳感器所測(cè)的數(shù)據(jù)為M，則:

其中Evi表示傳感器i處所測(cè)得照度數(shù)據(jù)，為了使行列式W真實(shí)反映傳感器分布，故在無(wú)傳感器處以“0”表示。

預(yù)先設(shè)定照度數(shù)據(jù)為Wo，則:

將式 (9)與式 (10)做差，可得差值行列式ΔW，則:

式 (11)表示，所測(cè)數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)的差值。若差值為正，表示該處照度過(guò)大;若為負(fù)，表示該處照度過(guò)大。“0”處，暫無(wú)需調(diào)節(jié)。結(jié)合式 (8)，可知:

式中 P為固定參數(shù)，調(diào)節(jié)ΔEM只能通過(guò)調(diào)節(jié)ΔI。ΔI的調(diào)節(jié)，選擇使用相關(guān)二級(jí)調(diào)節(jié)。所謂相關(guān)二級(jí)調(diào)節(jié)，就是指在調(diào)節(jié)某處照度時(shí)，首先將該處照度差值與相鄰兩處照度差值相關(guān)，找出相關(guān)性，再予以調(diào)節(jié)。為了在程序中容易實(shí)現(xiàn)，相關(guān)正負(fù)關(guān)系足以達(dá)到設(shè)計(jì)需求。其次，在調(diào)節(jié)時(shí)，根據(jù)相關(guān)結(jié)果，予以分級(jí)調(diào)節(jié)。以圖3為例，進(jìn)行說(shuō)明。

圖3 調(diào)節(jié)說(shuō)明

由式3，可知M6處所測(cè)的照度數(shù)據(jù)與L2成反比。故調(diào)節(jié)時(shí)，以M6為圓心，分別以光源距M6距離中最近的二個(gè)兩個(gè)距離為半徑畫(huà)圓，為上圖所示。所謂二級(jí)調(diào)節(jié)，是指調(diào)節(jié)時(shí)，第一級(jí)調(diào)節(jié)也就是重點(diǎn)調(diào)節(jié)距傳感器最近光源，其次第二級(jí)調(diào)節(jié)時(shí)依據(jù)相關(guān)性調(diào)節(jié)第二個(gè)圓所交傳感器。舉例說(shuō)明，假設(shè)，ΔEM6為負(fù)，ΔEM4為正，ΔEM7為負(fù)。由于 ΔEM6為負(fù)，首先增加A7的光強(qiáng)I7，增加量為ΔI7。第二步，將ΔEM6、ΔEM4、ΔEM7相關(guān)，可知，第二級(jí)時(shí)，只增加A8的光強(qiáng)I8，增加量為ΔI8。其增加量關(guān)系應(yīng)為:

2.3 光源光通量調(diào)節(jié)控制

目前調(diào)節(jié)光強(qiáng)的方法主要有兩種，一種是調(diào)功，一種是調(diào)壓。本設(shè)計(jì)采用后者調(diào)壓的方式。硬件實(shí)現(xiàn)上我們采用將市電通過(guò)整流電路轉(zhuǎn)換為直流電流，后將直流電流通過(guò)逆變電路轉(zhuǎn)化為交流電供光源使用。我們通過(guò)控制逆變電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的控制。該部分很多資料已涉及，故不是本文討論重點(diǎn)。

對(duì)其電壓的控制量變化，是通過(guò)軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)的。將正弦波等分為256份，將一份作為一個(gè)調(diào)節(jié)因子，調(diào)節(jié)過(guò)程中，依據(jù)邏輯運(yùn)算單元得出的數(shù)據(jù)乘以調(diào)節(jié)因子，并對(duì)逆變電路實(shí)施控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)光源光通量的目的。

3 智能照明系統(tǒng)方案

依據(jù)以上理論計(jì)算分析，為了實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能化控制目標(biāo)并使照明系統(tǒng)光照均勻穩(wěn)定，本系統(tǒng)采用閉合反饋的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)光照度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3.1 方案原理

為了對(duì)室內(nèi)各處照度，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此采用如文中的“2.1 智能化照明的實(shí)現(xiàn)”中的 (1)處提及的分布，使用傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)照度采集。將采集到數(shù)據(jù)通過(guò)智能控制單元，予以實(shí)時(shí)控制，其原理如圖4所示:

圖4 系統(tǒng)原理圖

上圖僅以一路信號(hào)說(shuō)明處理情況，其余各路處理方式與此路相同。我們首先使用傳感器將光信號(hào)采樣成8位256級(jí)的數(shù)字電信號(hào)，由低到高分別表示光線由暗到明。將光亮度分為256級(jí)，首先是由于數(shù)字信號(hào)在后續(xù)處理中較為方便，其次是因?yàn)?56個(gè)級(jí)別在人的感知中是一個(gè)連續(xù)漸變的過(guò)程，不會(huì)產(chǎn)生跳躍的亮度差。之后將連續(xù)采集到的N組數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，把疊加得到的數(shù)據(jù)送入邏輯判決，得到差異化數(shù)據(jù)。調(diào)整控制單元將這些差異化數(shù)據(jù)分析并執(zhí)行相應(yīng)子程序，得到執(zhí)行調(diào)節(jié)單元所需信號(hào)。調(diào)節(jié)控制單元將得到的控制參數(shù)輸出給執(zhí)行控制單元。

3.2 方案實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)由中央處理單元、采樣單元、控制單元、電源管理單元和人機(jī)輸入單元4個(gè)單元組成。該系統(tǒng)可以智能的調(diào)節(jié)區(qū)域性的光照度，克服了上文提及的傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的缺點(diǎn)［3］。具體設(shè)計(jì)如圖5所示:

圖5 系統(tǒng)整體框圖

光信號(hào)采樣單元，主要完成的是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供單片機(jī)識(shí)別的數(shù)字電信號(hào)。該單元以光敏電阻為核心，配以外圍電路。光照度通過(guò)光敏電阻轉(zhuǎn)換為連續(xù)的電流信號(hào)，在通過(guò)A/D將電信號(hào)轉(zhuǎn)為8位寬度的數(shù)字信號(hào)，供后續(xù)電路的處理［4］。

ZigBee無(wú)線傳輸單元，主要完成的是將中央處理單元與采樣單元、控制單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)一是當(dāng)采樣單元過(guò)多時(shí)，省去了系統(tǒng)過(guò)多的繁雜布線，使環(huán)境美觀整齊;優(yōu)點(diǎn)二是有利于控制面積的增加;優(yōu)點(diǎn)三是借助ZigBee超強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可以很方便的通過(guò)ZigBee的節(jié)點(diǎn)并入更多的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的縱向擴(kuò)展［5］。

中央處理單元，主要完成的是將采樣得到的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定數(shù)值進(jìn)行邏輯運(yùn)算，輸出控制單元所需數(shù)據(jù)。該單元主要由80C51構(gòu)成，以C語(yǔ)言基礎(chǔ)完成控制算法，實(shí)現(xiàn)邏輯控制。采用單片機(jī)構(gòu)成的中央處理單元可以靈活的改變系統(tǒng)照明方式，還可通過(guò)修改程序提高系統(tǒng)的生命力。我們將設(shè)定的照度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與外部RAM中，讓單片機(jī)訪問(wèn)外部RAM來(lái)修改程序中的系統(tǒng)變量。

人機(jī)輸入單元，是為了實(shí)現(xiàn)人工可調(diào)照度及工作模式而設(shè)置的。通過(guò)按鍵改變系統(tǒng)的變量，將輸入的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于外部RAM中，并以中斷的工作模式介入主程序的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)工作模式的改變。

電源管理模塊，為各個(gè)單元提供所需電壓，保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定的運(yùn)行。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要分為兩個(gè)部分:照明模式選設(shè)和邏輯調(diào)光。照明模式選取，也就是建立照明模式的過(guò)程。在用戶選設(shè) (即可選擇系統(tǒng)所存儲(chǔ)照明模式，也可自行設(shè)定照明模式)照明模式后，系統(tǒng)根據(jù)照明燈具和傳感器分布情況，建立照明模型。依據(jù)照明模型，設(shè)定照度矩陣行列式，將所設(shè)定的數(shù)據(jù)作為邏輯調(diào)光的參數(shù)，存儲(chǔ)于外部RAM中。邏輯調(diào)光部分，將外部采樣得到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的參數(shù)做邏輯運(yùn)算，依據(jù)上文中提及到的智能調(diào)控方案，施行二級(jí)調(diào)控，以達(dá)到用戶要求。

系統(tǒng)軟件流程主要分為三部分程序組成:主程序、中斷程序、調(diào)控子程序。主程序流程如圖6所示:

圖6 主程序流程

主程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的程序。開(kāi)機(jī)后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，并讀取外部RAM中的上次存儲(chǔ)的模式設(shè)置參數(shù)。在判斷得知用戶無(wú)需修改照明模式后，讀取傳感器所得數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)與所設(shè)參數(shù)做邏輯運(yùn)算。得出結(jié)果后，進(jìn)行分級(jí)調(diào)控。首先進(jìn)行第一級(jí)調(diào)控，對(duì)整體光源光通進(jìn)行初次調(diào)整。將調(diào)整后的照度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，實(shí)施第二級(jí)調(diào)控，局部光源的微調(diào)。此時(shí)在數(shù)據(jù)計(jì)算上的精度要求應(yīng)大于第一級(jí)調(diào)控時(shí)所需的數(shù)據(jù)精度。中斷程序主要是處理人機(jī)交互信息。用戶通過(guò)中斷程序?qū)⑦x取的模式信息告知系統(tǒng)，系統(tǒng)予以處理。

調(diào)控子程序主要完成對(duì)所要控制光源進(jìn)行參數(shù)修正。依據(jù)邏輯相關(guān)出來(lái)的信息，調(diào)控子程序順序的輸出光源調(diào)整因子，調(diào)節(jié)光通。第一級(jí)調(diào)控子程序作為初調(diào)，其調(diào)節(jié)幅度略大于第二級(jí)調(diào)控子程序調(diào)節(jié)的幅度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)照度信息的分析，得出光通對(duì)照度的影響，并提出分級(jí)調(diào)光的方案，給出了實(shí)現(xiàn)原理。在調(diào)光系統(tǒng)中引入了智能控制的概念，構(gòu)建了以80C51單片機(jī)為核心的智能控制單元，給出了一套智能控制算法。與傳統(tǒng)的控制方法相比，本控制方法具有照明模式豐富、可擴(kuò)展性強(qiáng)、人機(jī)交互性好等特點(diǎn)。

［1］謝秀穎，郭宏祥.電氣照明技術(shù) ［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2007，78～86

［2］曾禮強(qiáng)，王曉靜等.基于光通傳遞函數(shù)矩陣的照度計(jì)算方法研究 ［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2006，5～7

［3］Kwang-Wook Park，Andreas K，Athienitis.Workplane illuminance prediction method for daylighting control systems.Solar Energer.2003.75:277～284

［4］倪星云，張志華編著.傳感器敏感功能材料及應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005

［5］上海順舟網(wǎng)絡(luò)科技有限公司.ZIGBEE技術(shù)手冊(cè)［M］.上海:2007