吳艷麗,揭安仝

(江西師范大學計算機信息工程學院,江西 南昌 330000)

1 引言

在人類歷史上,照明經(jīng)過漫長的發(fā)展早已變成生活中不可缺失的一部分,隨著科技的不斷變遷,人類對于照明的需求也從簡單的生活必需變?yōu)榱烁邔哟蔚男枨?這更加能夠看出照明在生活中的重要性。在未來的技術(shù)發(fā)展之中,照明也必將更加地完善與成熟,如何將照明的價值最大化地表現(xiàn)出來也變得尤為重要[1]。

傅鵬有[2]等人以WiFi模塊和云端的互聯(lián)為依據(jù),由云端和傳感器進行數(shù)據(jù)收集并傳輸給終端,通過燈控終端接收信息實現(xiàn)對照明的控制。許馨尹[3]等人結(jié)合用戶期望值對照度傳感器向中央控制器傳輸?shù)男畔⑦M行分析,通過燈具耗能和照度值建立約束控制算法函數(shù),從而完成照明的控制。張婷[4]等人通過WSN對光源進行檢測,將檢測結(jié)果傳輸?shù)娇刂破鬟M行分析,依據(jù)分析結(jié)果,建立光源分布模型,通過調(diào)節(jié)照明設(shè)備完成室內(nèi)照明的控制。以上方法沒有對室內(nèi)照明控制的均一性進行調(diào)節(jié),導致出現(xiàn)控制精度和節(jié)電率低、動態(tài)采光水平差的問題。

針對上述問題,本文提出一種基于視覺參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制方法。

2 基于視覺參照系重構(gòu)的自然光利用

視覺參照系[5]即能夠為人提供各種視覺線索的信息總和,例如大小、顏色、對比度、明暗度、位置、運動情況等[6]。室內(nèi)照明區(qū)域視覺參照系是指當人處在當前室內(nèi)環(huán)境當中時,通過自身的感受對照明信息進行判斷從而得到的信息。依據(jù)馬斯洛需求層次理論,得到人們對室內(nèi)照明的需求層次,如圖1所示。

圖1 人們對室內(nèi)照明的需求層次圖

2.1 室內(nèi)自然光衰減

因為太陽光在傳播過程中會有一定程度的衰減,所以太陽光用于室內(nèi)照明時要對其衰減情況進行分析,從而得到室內(nèi)各個區(qū)域的自然光照情況[7]。

2.2.1 兩種太陽光類型

可被室內(nèi)照明利用的自然光有兩種,分別為太陽直射光和太陽散射光,其中,太陽直射光的光照度較強且具有方向性,太陽散射光不具有方向性且光照度低于太陽直射光。在陰雨天時,太陽直射光無法到達地球表面;在天氣晴朗時,兩種太陽光在經(jīng)過衰減后都能夠到達室內(nèi),設(shè)室內(nèi)某處由太陽直射光產(chǎn)生照度值為Ezd,由太陽散射光產(chǎn)生的照度值為Erd,則室內(nèi)自然光的光照度Es=Ezd+Erd。

2.2.2 兩種太陽光衰減類型

因為兩種太陽光的衰減規(guī)律不同,所以在對室內(nèi)自然光的光照度進行計算時要對兩種情況分別考慮[8]。以窗戶所在的墻面和與窗戶垂直的地面建立空間視覺參照系,其中選擇地面上合適點為坐標軸原點,選擇地面上與窗戶法線平行的過原點的線為x軸,選擇地面上與窗戶法線垂直的過原點的線為y軸,選擇窗戶所在墻面上與窗戶法線垂直的過原點的線為z軸。設(shè)太陽散射光在通過寬為Y、高為H的窗戶進入室內(nèi)落在桌面上的目標點為T(x0,y0,z0),由此研究以下兩種太陽光衰減類型:

1)太陽直射光衰減

太陽直射光在進入室內(nèi)后會在桌面留下光照度很強的一個范圍,該范圍不一定包含目標點T(x0,y0,z0),但在經(jīng)過散射后會對目標點產(chǎn)生光照度。太陽直射光在室內(nèi)留下的強光區(qū)域隨著入射角變化會產(chǎn)生改變,強光區(qū)域的中心點在所建視覺參照系的y軸方向移動,設(shè)太陽直射光進入室內(nèi)的方向角用α表示,地球正南方與窗戶法線的夾角用αb表示,移動距離用Δy表示,經(jīng)過計算得到太陽方位角和高度角分別用αs和γ表示[9],得到

(1)

其中,αs和αb均以西為正,窗戶朝向與α的關(guān)系如下

(2)

其中,Ezz為光照度,Ez為α=0時的光照度。強光區(qū)域的中心點在y軸方向移動的同時在x軸方向同樣發(fā)生移動,設(shè)桌面與窗戶下沿的垂直高度為ht,窗戶上下沿在桌面投影與窗戶所在墻面的垂直距離分別為d1、d2,對d1、d2進行計算

(3)

在實際情況中太陽會相對于地面進行運動且室內(nèi)環(huán)境要更加復雜,太陽直射光不一定會按照設(shè)定完整地落在桌面上,所以還需利用以上數(shù)據(jù)進行進一步的計算。

根據(jù)太陽直射光在室內(nèi)形成的強光照范圍是否包含目標點將光照度分為兩種情況討論:

①光照度范圍包含目標點

設(shè)Yw為距離z軸較近窗側(cè)沿到z軸的距離,則有d1≤x0≤d2,Yw-Δy≤y0≤Yw-Δy+Y。因為太陽直射光方向性較強,光在傳播時衰減較弱,所以設(shè)定該強光照范圍內(nèi)接收到的光通量總值保持不變,由于太陽直射光與地面法線存在夾角,光照度Ezz因此發(fā)生了變化,變化后的光照度為Ezd=Ezz·sinγ。

②光照度范圍不包含目標點

在光照度范圍不包含目標點T的情況下,點T受到太陽直射光的反射影響,強光照范圍可以看作余弦輻射體,設(shè)該強光范圍的反射比用μ表示,則點T受到太陽直射光的照度為

(4)

2)太陽散射光衰減

因為太陽散射光不具有方向性,所以窗戶可以看成余弦輻射體,設(shè)輻射的強度值總和用I表示,輻射出射亮度用L表示,輻射線與平面法線夾角用θ表示,輻射方向與法線夾角用θs表示,測試點的地理緯度用φ表示,隨機選取窗戶上的一點坐標為(0,y,z),得到點光源ΔAx在距離l處的光照度E和窗戶發(fā)光處光照度Er如下

(5)

(6)

結(jié)合式(6),得到整個窗戶在目標點處的光照度Erd和窗戶上點(0,y,z)在目標點處的光照度Erd0如下

(7)

2.2 百葉角度對室內(nèi)自然光的調(diào)節(jié)

百葉窗通過對自身的調(diào)節(jié)改變自然光到達室內(nèi)的總量,結(jié)合太陽直射光的方向計算控制百葉的遮擋[10],設(shè)太陽直射光與墻面法線夾角用h1表示,sinh1=sinγs/cosα,葉片數(shù)量為n的百葉窗遮擋的有效寬度用H1表示,面積用S表示,S=n·L·H,百葉窗葉片開度用β表示,H1=H·cosβ·|tanh1|-H·sinβ,室內(nèi)受到太陽直射光的有效照射面積為S1=n·L·(H-H1),受到太陽散射光的有效照射面積為S2=n·L·H·(1-|sinβ|),將太陽直射光平均化后得到在目標點T處的照度E1=S1/S·Ezd,太陽散射光在目標點T處的照度E2=S2/S·Erd。

3 室內(nèi)照明區(qū)域控制

3.1 配燈數(shù)選擇

自然光通常無法完全滿足室內(nèi)的照明需求,所以還需對室內(nèi)燈具進行考慮?；谝曈X參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制方法利用系數(shù)法對室內(nèi)的配燈數(shù)進行選擇,系數(shù)法將室內(nèi)墻面與棚頂作為反射面的照明場景[11],設(shè)配燈數(shù)用u表示,照度維護系數(shù)用K表示,每盞配燈的光源光通量和用Φ表示,該場景照度Eav=ΦunK/S,由此得到所需配燈數(shù)的取值。

將房間分為室內(nèi)、地板和棚頂三個空間,設(shè)室內(nèi)空間高度用hRC表示,地板空間高度用hFC表示,棚頂高度用hCC表示,得到室內(nèi)空間比、地板空間比以及棚頂空間比分別為

(8)

照明燈發(fā)出的光有一部分被棚頂所吸收,另外部分由照明燈發(fā)光面射出。設(shè)Sb表示棚頂空間表面積之和,S0表示棚頂空間敞口面積,ρ表示棚頂空間反射系數(shù)平均數(shù),得到頂棚空間的有效反射系數(shù)計算公式

ρp=ρS0/Sb-ρSb+ρS0

(9)

地板空間及墻面的情況與棚頂空間類似,利用棚頂空間有效反射系數(shù)計算方法結(jié)合實際情況可以得到地板空間和墻面的有效反射系數(shù)[12]。

3.2 配燈照度計算

因為照明燈的尺寸與其照射表面的距離相差較大,所以照明燈可以看成是一個點光源,建立照明燈照射示意圖如圖2所示。

圖2 照明燈照射示意圖

結(jié)合圖2得到照明燈在法向面上的照度En=1/d2,依據(jù)法向面N和水平面H接收到的照明燈光通量一致的原則得到

EhH=EnN

(10)

其中,Eh為照明燈在水平面的照度,cosθ=N/H,由此得到Eh=Encosθ,同理得到照明燈在垂直平面上的照度Ev=Ensinθ。當在任意面W與法向面N之間的夾角為β時,任意面W上的照度EW=Encosβ。

3.3 室內(nèi)照明控制算法

分別通過光學傳感器和參量融合傳感器的跟蹤識別方法對照明均一性進行光強調(diào)節(jié)和輸出調(diào)節(jié),獲取能量譜特征量以及透射峰值。

通過光學傳感器跟蹤識別進行均一性調(diào)節(jié)計算得到旋轉(zhuǎn)矩陣Rx(γ0)。

在室內(nèi)照明分布均勻的情況之下,以單條窄光所在空間建立坐標系,通過透射能帶譜方式對照明均一性進行調(diào)節(jié)控制,結(jié)合變換矩陣0T7(q1)得到齊次變換矩陣IT7(θ)如下

IT7(θ)=IT0(θ1,θ2,θ3)·0T7(q1)

(11)

通過上述過程,完成基于視覺參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域的智能調(diào)節(jié)與優(yōu)化控制。

4 實驗與結(jié)果

為了驗證基于視覺參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制方法的有效性,需要對基于視覺參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制方法進行測試。

4.1 控制精度測試

對基于視覺參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法進行不同迭代次數(shù)條件下的控制精度測試。測試結(jié)果如下圖3所示:

圖3 控制精度檢測結(jié)果

由圖3可以看出,所提方法的控制精度在不同迭代次數(shù)條件下均高于文獻[2]方法和文獻[3]方法,因為所提方法通過光學傳感器和參量融合傳感器的跟蹤識別方式對室內(nèi)照明控制的均一性進行了調(diào)節(jié),有效地提高了室內(nèi)照明控制精度。

4.2 動態(tài)采光水平測試

對基于視覺參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法的動態(tài)采光水平進行測試,計算一個月內(nèi)不同測試點的不同照度出現(xiàn)的概率,其中,300lx以上為有效照度。測試結(jié)果如下圖4所示:

圖4 采光照度分布

由圖4可以看出,所提方法對自然光的有效利用量高于方法2和方法3,說明所提方法在保持優(yōu)質(zhì)的照明體驗感同時踐行了綠色環(huán)保的理念。

4.3 節(jié)電率測試

利用基于視覺參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法分別對該室內(nèi)照明區(qū)域進行控制,分別計算在連續(xù)一周內(nèi)三種方法的節(jié)電率,測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 節(jié)電率檢測結(jié)果

由圖5可以看出,所提方法節(jié)電率均高于文獻[2]方法及文獻[3]方法,說明所提方法可以有效降低照明能耗。

5 結(jié)束語

照明在科技進步中逐漸走向成熟,在未來的照明發(fā)展中,挖掘照明的潛在價值、追求照明更高層次體驗、讓照明與人類共生將成為更加長遠的目標。在感性化的社會之中,室內(nèi)照明控制更要從人的角度出發(fā)進行設(shè)計,所以視覺參照系重構(gòu)在室內(nèi)照明區(qū)域控制中是必不可少的一環(huán)。

目前室內(nèi)照明區(qū)域控制方法存在控制精度和節(jié)電率低、動態(tài)采光水平差的問題。提出基于視覺參照系重構(gòu)的室內(nèi)照明區(qū)域控制方法,首先研究分析自然光的衰減情況,結(jié)合研究結(jié)果合理地調(diào)節(jié)百葉窗角度,然后通過計算選定合適的配燈數(shù),最后根據(jù)配燈照度值調(diào)節(jié)室內(nèi)照明控制的均一性。實驗結(jié)果表明,所提方法可以有效地提高控制精度、節(jié)電率和動態(tài)采光水平,為室內(nèi)照明區(qū)域控制在未來能夠有更好地發(fā)展奠定基礎(chǔ)。