1 引言

　　隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們對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)" title="照明系統(tǒng)">照明系統(tǒng)因其機械單調(diào)的照明方式以及有差別區(qū)域亮度等缺陷，已無法滿足人們的需求。現(xiàn)階段出現(xiàn)的各種豪華燈飾，其突出的特點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視力方面考慮不足，更談不上智能化。

　　針對傳統(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，以滿足人們對照明的各種不同需求，增加照明模式并可通過對系統(tǒng)程序的編程改變照明模式。具有無階躍的光亮度調(diào)節(jié)方式，使照明區(qū)域內(nèi)的光線更趨于人性化和個性化。

　　2 研究方法分析

　　傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)之所以有諸多缺點，是與照明系統(tǒng)本身設(shè)計有關(guān)。在傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)中，對于室內(nèi)照度的調(diào)節(jié)多局限光源處，而對光源輸出光通量和室內(nèi)各點照度的關(guān)系分析不足，對光源輸出光通量調(diào)節(jié)的方法研究不足。本文針對上訴不足，在對室內(nèi)各點照度情況的分析基礎(chǔ)上，得出光源光通量與各點照度的關(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 智能化照明的實現(xiàn)

　　為了實現(xiàn)智能化照明，首先應(yīng)當解決如下問題:

　　光源應(yīng)如何分布問題，光傳感器的分布如何真實反映室內(nèi)平均照度問題，實現(xiàn)智能化控制的方案問題，光源光強度如何調(diào)整的問題等。

　　(1) 采光模塊分布: 光敏材料在其周圍的照度發(fā)生變化時，物理量會相應(yīng)發(fā)生改變，故可將亮度轉(zhuǎn)換為電信號。因此，采用光敏材料對該點照度信號進行采集，通過A /D 模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，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:

　?、贌艟卟贾眯铦M足工作、生活需求;②傳感單元的分布必須能夠真實的反映室內(nèi)照度;③光源與傳感單元之間須無障礙，傳感單元的分布位置在滿足前一條件的基礎(chǔ)上可適當調(diào)節(jié)。

　　在滿足以上原則的條件下，本設(shè)計以點光源" title="點光源">點光源分布為例予以說明。光源采用多點均勻分布，傳感單元則視室內(nèi)面積和光源數(shù)目而定。如: 在廠房中，作業(yè)場所需實現(xiàn)無影作業(yè)，因此采用大量光源均勻分布于作業(yè)場所上方，為能夠真實反映作業(yè)場所照度情況，將傳感單元均勻分布于作業(yè)場所四周和上空; 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一步說明。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*板，到傳感器垂直距離為H，水平距離為D，空間距離為L，夾角為θ。

　　照度計算: 如圖2 所示，設(shè)傳感單元受光面為S，取其中一個微面元ds; 面元ds 對點光源A 所張的微立體角元為dω，則dω = ds / L2。而點光源A在微立體角元dω 范圍內(nèi)射向被照面N 的光通量dφ，由光強定義可知：

　　那么，由照度的定義可求得點光源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 表面上某點的照度為:

　　則傳感器Mi 感光表面上的照度為:

　　當傳感單元與光源足夠遠時，可將傳感單元視為一個點，故此時:

圖2 點光源指向傳感單元處照度

　　我們以圖1 ( a) 所示分布為例，進行說明。其中i 表示的是傳感器的阿拉伯數(shù)字標識，j 表示是光源的阿拉伯數(shù)字標識，則:

　　即:

　　P 為光通傳遞矩陣，其中Pij表示光源j 到傳感器i處的光通傳遞函數(shù)。當我們將光源和傳感器分布固定時，P 則為一個固定值。因此我們選擇調(diào)節(jié)光源光強I，實現(xiàn)智能化調(diào)光" title="調(diào)光">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，需調(diào)節(jié)光源光強。我們?nèi)砸詧D1 ( a) 圖為例進行說明。結(jié)合式( 5 ) ，從圖上我們可以看出，光源對傳感器的照度影響是以距離和夾角衡量的。

　　也就是說，距傳感器最近的光源對傳感器的影響最大，影響的比例是與距離的平方成反比的。以圖1 ( a) 為例，傳感器所測的數(shù)據(jù)為M，則:

　　其中Evi表示傳感器i 處所測得照度數(shù)據(jù)，為了使行列式W 真實反映傳感器分布，故在無傳感器處以“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，表示該處照度過大; 若為負，表示該處照度過大。“0”處，暫無需調(diào)節(jié)。結(jié)合式(8) ，可知:

　　式中P 為固定參數(shù)，調(diào)節(jié)ΔEM只能通過調(diào)節(jié)ΔI。ΔI 的調(diào)節(jié)，選擇使用相關(guān)二級調(diào)節(jié)。所謂相關(guān)二級調(diào)節(jié)，就是指在調(diào)節(jié)某處照度時，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現(xiàn)，相關(guān)正負關(guān)系足以達到設(shè)計需求。其次，在調(diào)節(jié)時，根據(jù)相關(guān)結(jié)果，予以分級調(diào)節(jié)。以圖3 為例，進行說明。

圖3 調(diào)節(jié)說明

　　由式3，可知M6處所測的照度數(shù)據(jù)與L2成反比。故調(diào)節(jié)時，以M6為圓心，分別以光源距M6距離中最近的二個兩個距離為半徑畫圓，為上圖所示。

　　所謂二級調(diào)節(jié)，是指調(diào)節(jié)時，第一級調(diào)節(jié)也就是重點調(diào)節(jié)距傳感器最近光源，其次第二級調(diào)節(jié)時依據(jù)相關(guān)性調(diào)節(jié)第二個圓所交傳感器。舉例說明，假設(shè)，ΔEM6為負，ΔEM4為正，ΔEM7為負。由于ΔEM6為負，首先增加A7的光強I7，增加量為ΔI7。第二步，將ΔEM6、ΔEM4、ΔEM7相關(guān)，可知，第二級時，只增加A8的光強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)光強的方法主要有兩種，一種是調(diào)功，一種是調(diào)壓。本設(shè)計采用后者調(diào)壓的方式。硬件實現(xiàn)上我們采用將市電通過整流電路轉(zhuǎn)換為直流電流，后將直流電流通過逆變電路轉(zhuǎn)化為交流電供光源使用。我們通過控制逆變電路實現(xiàn)對電壓的控制。該部分很多資料已涉及，故不是本文討論重點。

　　對其電壓的控制量變化，是通過軟件設(shè)計是實現(xiàn)的。將正弦波等分為256 份，將一份作為一個調(diào)節(jié)因子，調(diào)節(jié)過程中，依據(jù)邏輯運算單元得出的數(shù)據(jù)乘以調(diào)節(jié)因子，并對逆變電路實施控制，從而達到調(diào)節(jié)光源光通量的目的。

　　3 智能照明系統(tǒng)方案

　　依據(jù)以上理論計算分析，為了實現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能化控制目標并使照明系統(tǒng)光照均勻穩(wěn)定，本系統(tǒng)采用閉合反饋的方式來實現(xiàn)光照度的自動調(diào)節(jié)。

　　3. 1 方案原理

　　為了對室內(nèi)各處照度，進行實時監(jiān)控，因此采用如文中的“2. 1 智能化照明的實現(xiàn)”中的(1 )處提及的分布，使用傳感器進行實時照度采集。將采集到數(shù)據(jù)通過智能控制單元" title="控制單元">控制單元，予以實時控制，其原理如圖4 所示:

圖4 系統(tǒng)原理圖

　　上圖僅以一路信號說明處理情況，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采樣成8 位256 級的數(shù)字電信號，由低到高分別表示光線由暗到明。將光亮度分為256 級，首先是由于數(shù)字信號在后續(xù)處理中較為方便， 其次是因為256 個級別在人的感知中是一個連續(xù)漸變的過程，不會產(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。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輸入單元4 個單元組成。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。具體設(shè)計如圖5 所示:

圖5 系統(tǒng)整體框圖

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

　　ZigBee 無線傳輸單元，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 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸信號的優(yōu)點一是當采樣單元過多時，省去了系統(tǒng)過多的繁雜布線，使環(huán)境美觀整齊; 優(yōu)點二是有利于控制面積的增加; 優(yōu)點三是借助ZigBee 超強的可擴展性，可以很方便的通過ZigBee 的節(jié)點并入更多的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的縱向擴展。

　　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)值進行邏輯運算，輸出控制單元所需數(shù)據(jù)。該單元主要由80C51 構(gòu)成，以C 語言基礎(chǔ)完成控制算法，實現(xiàn)邏輯控制。采用單片機構(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)存儲與外部RAM 中， 讓單片機訪問外部RAM 來修改程序中的系統(tǒng)變量。

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

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

　　4 軟件實現(xiàn)

　　該系統(tǒng)軟件設(shè)計部分主要分為兩個部分: 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程。在用戶選設(shè)( 即可選擇系統(tǒng)所存儲照明模式，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)做邏輯運算，依據(jù)上文中提及到的智能調(diào)控方案，施行二級調(diào)控，以達到用戶要求。

　　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

　　主程序是一個無限循環(huán)的程序。開機后，系統(tǒng)首先進行初始化，并讀取外部RAM 中的上次存儲的模式設(shè)置參數(shù)。在判斷得知用戶無需修改照明模式后，讀取傳感器所得數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)與所設(shè)參數(shù)做邏輯運算。得出結(jié)果后，進行分級調(diào)控。首先進行第一級調(diào)控，對整體光源光通進行初次調(diào)整。將調(diào)整后的照度數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，實施第二級調(diào)控，局部光源的微調(diào)。此時在數(shù)據(jù)計算上的精度要求應(yīng)大于第一級調(diào)控時所需的數(shù)據(jù)精度。

　　中斷程序主要是處理人機交互信息。用戶通過中斷程序?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所要控制光源進行參數(shù)修正。依據(jù)邏輯相關(guān)出來的信息，調(diào)控子程序順序的輸出光源調(diào)整因子，調(diào)節(jié)光通。第一級調(diào)控子程序作為初調(diào)，其調(diào)節(jié)幅度略大于第二級調(diào)控子程序調(diào)節(jié)的幅度。

　　5 結(jié)束語

　　本文通過對照度信息的分析，得出光通對照度的影響，并提出分級調(diào)光的方案，給出了實現(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、可擴展性強、人機交互性好等特點。