張道遠(yuǎn) 梁婉靜

摘 要：文章基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳感器通過(guò)相鄰光源之間相互傳輸信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)燈光的智能控制。通過(guò)調(diào)節(jié)燈光亮度及控制區(qū)域亮度，實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能和降低成本的目的。通過(guò)構(gòu)建室內(nèi)燈光分布控制數(shù)學(xué)模型，提出一種基于紅外信號(hào)反饋下的分布式控制器進(jìn)行調(diào)控。最后，通過(guò)在仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真，體現(xiàn)文章提出的控制方法的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：智能控制;燈光控制;分布式控制;節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）01-091-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.039

近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高等院校的發(fā)展也進(jìn)入快車(chē)道，隨處可見(jiàn)學(xué)校內(nèi)教學(xué)樓的擴(kuò)建、翻新等。新的教室配備新的設(shè)施，其中室內(nèi)光源安裝選擇，需遵循綠色、環(huán)保、節(jié)能理念，大多采用LED照明技術(shù)[1]。學(xué)校教室通常白天采光不足，需要開(kāi)燈補(bǔ)光，因此產(chǎn)生“長(zhǎng)明燈”現(xiàn)象?！伴L(zhǎng)明燈”的出現(xiàn)造成了大量電能消耗，這是文章主要考慮的問(wèn)題。當(dāng)前，高校教室的燈光控制主要還是手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，依賴(lài)于進(jìn)教室的人手動(dòng)打開(kāi)。相對(duì)于一個(gè)總開(kāi)關(guān)，現(xiàn)在一些大教室一般會(huì)在教室內(nèi)的前、中、后三個(gè)區(qū)域分別設(shè)置手動(dòng)開(kāi)關(guān)，起到了一些節(jié)能的目的。但造成電能浪費(fèi)的主要原因是：人們離開(kāi)教室后，人走燈未關(guān);在人員較少時(shí)，卻打開(kāi)所有燈;室外光線(xiàn)較好，無(wú)需補(bǔ)光，未及時(shí)關(guān)燈。為了解決上述問(wèn)題，文章提出一種基于紅外識(shí)別的智能燈光控制，通過(guò)紅外傳感器自動(dòng)識(shí)別室內(nèi)人員位置，就近亮燈補(bǔ)充光照。整個(gè)控制系統(tǒng)主要包括：紅外傳感器、光照傳感器、控制器、PWM模塊四個(gè)部分。為了方便實(shí)現(xiàn)照明智能控制，以及避免受到人為影響造成光線(xiàn)干擾，傳感器可直接嵌套在光源上，在光照補(bǔ)充上按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置即可。

當(dāng)前，LED光源以其節(jié)能、易操控等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用到室內(nèi)、外的光源控制中[2-3]。當(dāng)前，室內(nèi)光源控制獲得了較多關(guān)注[4-8]。匡程等在文獻(xiàn)[4]中采用一種單片機(jī)為核心控制器，通過(guò)紅外傳感器確定人數(shù)，結(jié)合教室內(nèi)人數(shù)決定開(kāi)啟燈的數(shù)量。成鳳敏在文獻(xiàn)[5]中結(jié)合軟件LABVIEW和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了教室內(nèi)開(kāi)燈手動(dòng)與自動(dòng)相結(jié)合的模式。閆姝[6]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將教室分成多個(gè)區(qū)域，提出對(duì)應(yīng)區(qū)域的燈光控制方案。劉睿瓊等在文獻(xiàn)[7]中通過(guò)紅外傳感識(shí)別人員和環(huán)境信號(hào)，作出判斷是否需要打開(kāi)光源的判斷。歐海燕等在文獻(xiàn)[8]里提出了一套智能控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換。許延龍等在文獻(xiàn)[9]中選用單片機(jī)作為燈控系統(tǒng)芯片，并設(shè)計(jì)制作了適合該系統(tǒng)的數(shù)碼顯示屏，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示出其經(jīng)濟(jì)和節(jié)能性。張等在文獻(xiàn)[10-11]中構(gòu)建室內(nèi)燈光動(dòng)態(tài)控制模型，將每一個(gè)LED光源看成是一個(gè)子系統(tǒng)，再結(jié)合模型預(yù)測(cè)控制方法，實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)區(qū)域的光照度一致性。通過(guò)上述分析，文章提出以高校教室為例，考慮基于紅外、光照雙傳感器下的室內(nèi)燈光智能控制，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。考慮到學(xué)校內(nèi)教室具有分布廣、數(shù)量大的情況，文章提出基于無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸，可以簡(jiǎn)化室內(nèi)布線(xiàn)，并以分布式控制方法避免較大數(shù)據(jù)量傳輸所引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)延遲及數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象發(fā)生。該方法的最大優(yōu)勢(shì)在于，大大減少了不必要的信號(hào)傳輸，降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，提高了信號(hào)傳輸質(zhì)量。分布式控制器嵌套在光源上，并選擇只在相鄰光源間互相傳輸信號(hào)。通過(guò)相鄰光源間的信號(hào)，對(duì)室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)光調(diào)節(jié)，對(duì)無(wú)人區(qū)域則停止補(bǔ)光。

1 LED光源結(jié)構(gòu)

LED光源通?？梢援a(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三種顏色，然后再通過(guò)調(diào)節(jié)這三種顏色的混合比例，獲得不同顏色的LED光源[12]。當(dāng)前，對(duì)于絕大多數(shù)寫(xiě)字樓以及學(xué)校室內(nèi)照明，通常選用白色光源，白光LED也是光效最高的照明光源，在現(xiàn)代建筑中得到了廣泛運(yùn)用。LED光源控制采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，通過(guò)快速切換電路接通和斷開(kāi)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)光亮度，具有易操作、反應(yīng)快、靈活性高等特點(diǎn)，在通信、測(cè)量、流程控制等領(lǐng)域得到了廣泛使用。PWM調(diào)光的開(kāi)關(guān)頻率一般高于100Hz，使得人眼無(wú)法察覺(jué)到，而通過(guò)光源的平均電流與占空比恰好呈線(xiàn)性關(guān)系，使得LED光源的亮度可以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)控制光照輸出[7-8]。

2 基于LED燈的室內(nèi)光源模型

文章將考慮5行13列的燈光聯(lián)網(wǎng)控制，每個(gè)燈源位置設(shè)計(jì)如圖1所示。

由文獻(xiàn)[13]可知，每個(gè)LED光源可看成是整個(gè)燈光控制系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。設(shè)第i個(gè)光源的占空比為xi（t），其中xi（t）∈[0，1]，xi（t）=0表示第i個(gè)燈處于關(guān)閉狀態(tài);xi（t）=1表示第i個(gè)燈處于最大亮度。文章通過(guò)紅外傳感器定位人員活動(dòng)區(qū)域，發(fā)現(xiàn)有人后的光源自行調(diào)節(jié)亮度，并將相關(guān)信息發(fā)送給周?chē)噜徆庠?。然后，各個(gè)光源根據(jù)自身光照傳感器感應(yīng)光照強(qiáng)度，反饋給光源控制器以調(diào)節(jié)需要補(bǔ)充的亮度，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人區(qū)域盡量不亮燈，而人員活動(dòng)區(qū)域光照亮度一致的效果。

基于上述分析，圖1中的室內(nèi)光源控制系統(tǒng)可描述如下：

xi（t）=ui（t），i=1，2...，65? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，xi（t）代表第i個(gè)LED光源的占空比，ui（t）代表第i個(gè)光源控制器。

文章的目標(biāo)是通過(guò)設(shè)計(jì)分布式控制器ui（t），實(shí)現(xiàn)人員活動(dòng)區(qū)域光照亮度一致?？紤]到該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)采集和傳輸，而大量數(shù)據(jù)包同時(shí)傳輸又會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，引發(fā)傳輸時(shí)延甚至丟包情況，文章將采取的分布式控制方法有利于減少數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定。以圖1中光源分布為例，不考慮局部陰影覆蓋，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，識(shí)別出人員活動(dòng)區(qū)域，檢測(cè)出的第 個(gè)光源將光源亮度信號(hào)傳送給相鄰的光源，實(shí)現(xiàn)該區(qū)域亮度一致，滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)燈光照度的需求。即：

分布式控制器設(shè)計(jì)如下：

其中，xr（t）表示識(shí)別出人員活動(dòng)的光源的所需亮度參考值，該參考值是需要光源補(bǔ)充的亮度，由光源控制器根據(jù)光照傳感器采集的實(shí)際光照度計(jì)算而得。akj表示有信號(hào)從第k號(hào)光源傳遞到第j號(hào)光源，bk表示第k號(hào)光源從i號(hào)光源獲取信號(hào)?？刂破鳎?）的設(shè)計(jì)是以i號(hào)檢測(cè)到有人的光源為調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)向相鄰光源傳輸信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)人員活動(dòng)區(qū)域燈光亮度一致的目標(biāo)。

3 模擬仿真與分析

以圖1中光源分布為例，為了檢驗(yàn)以上控制方法的有效性，將分別考慮白天和夜晚的情況。白天的時(shí)候，因?yàn)橛刑?yáng)光線(xiàn)進(jìn)入室內(nèi)，對(duì)于室內(nèi)光線(xiàn)不足的地方，只需要進(jìn)行補(bǔ)光即可。如果教室內(nèi)坐滿(mǎn)人，所有光源通過(guò)光照傳感器計(jì)算出需補(bǔ)充的光照強(qiáng)度值即可。如果教室內(nèi)前五排光源檢測(cè)到有人員活動(dòng)，此時(shí)第5排光源還會(huì)傳輸信號(hào)給第6排光源進(jìn)行補(bǔ)光。利用MATLAB軟件仿真，設(shè)置參數(shù)akj=10，bk=30，當(dāng)有人從早上進(jìn)入教室到中午下課離開(kāi)，戶(hù)外日光會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，而在下午會(huì)變得越來(lái)越弱。室內(nèi)光源作為補(bǔ)充光源，在上午的時(shí)候補(bǔ)光越來(lái)越少，而在下午時(shí)越來(lái)越多。在模擬時(shí)，筆者選取前5排光源占空比從0-0.7-0.1先增后減的策略，觀察所有光源的亮度情況。數(shù)值仿真結(jié)果如圖2所示，從圖2中容易觀察到各光源的亮度變化，在t=20s時(shí)，各光源亮度達(dá)到一致。隨后，當(dāng)室內(nèi)外部光線(xiàn)較強(qiáng)時(shí)，補(bǔ)光減少，設(shè)置光源占空比為0.1時(shí)，觀察光源調(diào)控過(guò)程。結(jié)果顯示，調(diào)控能夠很好地滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

夜晚的時(shí)候，室內(nèi)亮度全部依賴(lài)LED光源提供，如果教室坐滿(mǎn)人，所有光源提供對(duì)應(yīng)的亮度即可，此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)所有光源亮度趨于一致，如圖3所示。如果在教室前面兩排和后兩排有人員活動(dòng)，此時(shí)根據(jù)相鄰的光源間傳遞信息，將會(huì)有前3排和后3排光源開(kāi)啟。從圖4中可看出，對(duì)應(yīng)人員活動(dòng)的區(qū)域才會(huì)亮燈，其他區(qū)域的燈處于關(guān)閉狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

文章基于紅外傳感器和照度傳感器，設(shè)計(jì)了室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。LED節(jié)能燈的亮度可調(diào)功能，在滿(mǎn)足光照的情況下，可最大限度節(jié)約電力消耗。同時(shí)，為了減少數(shù)據(jù)傳輸，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，文章采取分布式網(wǎng)絡(luò)控制，檢測(cè)出有人的光源只會(huì)傳輸信號(hào)給相鄰的光源，該方法有助于增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定性，仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的可行性。

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