基于一種優(yōu)化策略的智能燈控制系統(tǒng)研究與設計

邢新瀅

【摘 要】針對走廊等公共場所燈光控制大部分都處于不節(jié)能，且現(xiàn)有的智能感應燈只有當人處于燈下才會點亮，照明反應延遲這一現(xiàn)象，提出一種新的優(yōu)化控制策略?；谠摬呗?，設計并制作出一種新型的智能燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在正常情況下，首先，通過光敏傳感器感知環(huán)境光照強度，若光照強度足夠，系統(tǒng)不工作；若光照強度不足時，控制系統(tǒng)開始工作。其次，在此基礎上，通過光電傳感器感知人的運動情況，將傳感器信號送入控制器，計算并判斷出人的行走方位和速度，提前將人前進區(qū)域的照明燈點亮。而當人走出該區(qū)域時，區(qū)域所屬的燈熄滅。在復雜環(huán)境下，采用分區(qū)域的方式能更好地實現(xiàn)智能感應燈控制系統(tǒng)的設計，最后通過設計的智能控制系統(tǒng)模擬裝置，驗證了設計方案的可行性。

【關鍵詞】智能燈；傳感器；優(yōu)化策略

Based on an Optimization Strategy Intelligent Light Control System Design

XING Xin-ying

（Dalian Yuming Senior High School， Dalian Liaoning 116026， China）

【Abstract】For lighting hallways and other public places are in control of most of the non-energy-saving， and existing smart sensor lights only when the person is under the lamp will be lit， the lighting delayed reaction to this phenomenon， proposes a new optimal control strategy. Based on this strategy， design and produce a new type of intelligent lighting control systems. The system under normal circumstances， the first sensing ambient light intensity by light sensors， if the light intensity is sufficient， the system does not work； if insufficient light intensity control system to work. Secondly， on this basis， through the photoelectric sensor detects the movement of people， the sensor signals into the controller to calculate and determine the position and speed of people walking， people will advance forward lighting area lighting. When people out of the region， the area in which the lamp is off. In a complex environment， the use of sub-regional approach to better achieve intelligent sensor light control system design， and finally through the intelligent control system simulation device designed to verify the feasibility of the design scheme.

【Key words】Intelligent Light； Sensor； Optimization strategy

1 研究背景與目的

隨著能源的日益短缺，節(jié)能成為當今許多工業(yè)產(chǎn)品在設計中必須考慮的重要因素，而馬路、走廊等公共區(qū)域的照明問題一直沒有得到很好的優(yōu)化，根據(jù)調(diào)查，存在著以下幾個方面的問題[1]：

1）教室、走廊、馬路沒有人或車時，燈一直常亮；

2）在天氣惡劣，如陰雨天、大雨天、雪天等光照不好的氣候條件下，照明燈卻沒有亮起來；

3）大部分的區(qū)域照明控制都是區(qū)域整體點亮或者熄滅；

4）部分公共區(qū)域采用的聲控燈存在著噪音大，控制不靈敏缺陷；

5）公共場所所采用的感應智能燈，大部分只能實現(xiàn)人已處于燈所屬的傳感器下時，燈才能點亮，這樣就存在著點亮延遲的缺陷，在人進入兩個燈之間時，會出現(xiàn)黑暗區(qū)域。而不能根據(jù)人或車的走向提前照明，也不能根據(jù)人或車的行走速度決定何時點亮。

通過上述問題可以得出，公共場所區(qū)域照明控制方案還有待于提高。因此，設計一種新型的智能燈極有必要，它將更好地為社會服務，能更有效的節(jié)能。本文在原有智能感應燈的控制基礎上，提出了一種基于優(yōu)化策略的智能燈控制系統(tǒng)?；谠摬呗?，設計并制作出系統(tǒng)模型。首先通過光敏傳感器感受環(huán)境光照強度，利用紅外傳感器感受人是否進入智能燈控制區(qū)域，通過控制器智能運算得出人的運動方向和速度，從而提前點亮人將進入的區(qū)域，當人離開控制區(qū)域時，燈自動熄滅，更加智能的為人提供照明服務。通過上述控制方式，能有效解決現(xiàn)有感應燈只有人處于燈下方時，該燈才能點亮這一缺陷，同時更有效的節(jié)能。

2 研究思路

公共區(qū)域照明示意圖如圖1所示，智能燈控制區(qū)域有不同方向的四個入口，照明燈L1—L13總計13 盞燈，若人從入口3進入公共區(qū)域時，市場上現(xiàn)有的智能燈控制方案如下[2]：

1）當人進入到L1傳感器下方時，L1點亮；

2）當人進入到L2傳感器下方并離開L1傳感器下方時，L2 點亮，L1熄滅；

3）以此為例，只有當人進入L下的傳感器下方時，L才能點亮，離開燈所屬的傳感器下方時，燈熄滅。

上述的智能燈控制方案只有當人進入燈所屬的傳感器檢測區(qū)域時，傳感器所控制的燈才會開啟或熄滅，這樣的控制方式不靈敏，反應遲鈍。

本文提出的基于優(yōu)化策略的智能燈設計思路如下：

1）利用光敏傳感器感知環(huán)境光照強度，控制智能感應燈是否開始工作，當光照強度足夠時，智能感應燈不工作，當光強降低至某一值時，智能感應燈開始工作。

2）當光照強度不足時，若人進入到入口3時，L1所屬的傳感器檢測到人后，L1立即點亮，同時L2開始準備點亮。

3）當人離開L1所屬區(qū)域，直到L2所屬傳感器檢測到人后，L2立即點亮，L1熄滅。同時控制器得出人的行走趨勢為從左到右，控制器同時記錄人從L1到L2所行走的時間，計算出人在L1到L2區(qū)間行走的速度。

4）控制器根據(jù)計算出的人的行走速度、行走方向和L3的光照覆蓋面，計算出人進入L3區(qū)域所需的時間，在人離開L2覆蓋區(qū)域，進入L3 覆蓋區(qū)域前提前點亮L3。

5）當人完全進入L3覆蓋區(qū)域，即L3所屬光電傳感器檢測到人后，且L2所屬傳感器未檢測到其他人時，L2立即熄滅，同時控制器計算L2到L3之間的行走方向和速度。

6）根據(jù)L2到L3之間的人的行走方向速度，計算出L4的點亮時間，在人進入L4前，提前點亮，當人完全進入L4區(qū)域、離開L3區(qū)域時，L3熄滅。

7）考慮到人可能在L3和L4之間進入房間這一情況，若檢測出人已離開L3區(qū)域，且在規(guī)定時間內(nèi)，L4未檢測到人進入時，L3和L4同時熄滅。

8）若人從任意點進入控制區(qū)域時，如人從房間進入L2區(qū)域時，L2立即點亮，同時檢測并計算出人行走的方向和速度，控制相應的燈點亮或熄滅。

通過上述步驟，綜合考慮了人的行走方向、行走速度和中途離開等情況，提前做好準備照明，實現(xiàn)了照明系統(tǒng)的人性化與智能化。

3 研究內(nèi)容

3.1 控制單元設計

針對于本文提出的基于優(yōu)化策略的智能燈控制思路和方案，利用單片機作為智能感應燈控制系統(tǒng)的控制核心。單片機具有體積小、重量輕、價格低廉、使用靈活、易于開發(fā)與應用等優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)自動化生產(chǎn)過程控制、智能化儀器儀表等領域。在本設計方案中，采用STC89C51單片機最小系統(tǒng)作為控制器[3]，設計出一套基于優(yōu)化策略的智能燈控制系統(tǒng)，最小系統(tǒng)如圖2所示。

STC89C51單片機一共有40個引腳，管腳圖見圖3。其中P00-P07，P20-P27為輸入口，P10-P17為輸出口，P3口主要是單片機的特殊功能接口，如串行輸入輸出接口P3.0和P3.1，外部中斷P3.2和P3.3，計時器P3.4和P3.5。同時還有供電端口VCC和GND。

3.2 傳感器電路設計

針對所提出利用光敏傳感器感知環(huán)境光照強度，從而決定智能感應燈系統(tǒng)是否工作這一思路，采用了圖4的電路。

當光照強度充足時，三極管導通，繼電器斷開，從而220V交流電斷開，智能感應燈控制系不工作。當光照強度不足時，繼電器閉合，智能感應燈控制系統(tǒng)開始工作，利用紅外傳感器檢測人是否進入控制區(qū)域，紅外檢測電路如圖5所示[4-5]。

ST168為紅外傳感器，電壓VCC為5V，它是通過發(fā)射端發(fā)射紅外線后，檢測接收端是否有光電信號。當沒有人經(jīng)過傳感器時，紅外傳感器接收端接收不到信號，這時E點的電壓為0，三極管Q1不導通，此時由P2.0送給單片機的信號為低電平，即電壓為0；當紅外傳感器檢測到人時，人將反射紅外光到接收端，此時E點電壓為5V，三極管導通，送給單片機的信號為高電平，即電壓為5V。因此，我們只需通過檢測出單片機的端口即可知道傳感器是否檢測到人。

3.3 驅(qū)動電路設計

由于單片機最小系統(tǒng)輸出口的驅(qū)動能力有限，無法直接對繼電器進行驅(qū)動。因此本系統(tǒng)設計出一套驅(qū)動電路。

3.4 分區(qū)域策略

為更好地實現(xiàn)智能控制，我們將圖1中的照明示意圖劃分為4個區(qū)域。如表1所示。

智能感應燈整體方法如下：

1）光敏傳感器檢測環(huán)境光強，若光照強度足夠時，繼電器K1保持斷開狀態(tài)，智能感應燈控制系統(tǒng)不工作；當光照強度不足時，繼電器K2閉合，開始給控制系統(tǒng)供電，智能感應燈控制系統(tǒng)開始工作。

2）當紅外傳感器第一次檢測到人時，檢測信號送入單片機，同時判定信號來源，單片機分析信號源于哪部分區(qū)域、哪個節(jié)點。

3）若搜索到第一次信號來源于區(qū)域1中的L2時，單片機立即觸發(fā)L2 的繼電器閉合，點亮L2，同時繼續(xù)檢測是否有下一個檢測信號產(chǎn)生。若在規(guī)定時間無其他信號來源，且L2也沒有檢測到信號，我們默認為人從L2附近進入后的同時在L2處消失，此時熄滅L2。若在規(guī)定時間內(nèi)無其他信號來源，且L2也沒有檢測到信號，我們默認為人從L2附近進入后的同時在L2處消失，此時熄滅L2。若在規(guī)定時間內(nèi)無其他信號來源且L2一直有檢測信號時，我們認為人一直處于L2 的照亮范圍，L2常亮。

4）若在規(guī)定時間內(nèi)，單片機第二次檢測到信號來源于L3時，L3立即點亮，單片機開始L2，L3的感應信號計算人的運動速度，同時根據(jù)區(qū)域劃分表得出下一個點亮的區(qū)域極有可能為L4，通過計算得出人將進入L4的照明覆蓋范圍內(nèi)所需時間，在人將進入L4時，提前點亮L4。在一段時間內(nèi)，若L4檢測到信號時，說明人完全進入到L4的范圍，此時通過單片機控制繼電器熄滅上一盞燈即L3，繼續(xù)搜索是否有其他信號檢測。若在規(guī)定時間內(nèi)L3和L4都未檢測到信號，則認為人從L3處消失，這時L3和L4同時熄滅。

5）當人處于L4時，檢測到L7有信號，L7立即點亮，L4熄滅。此時單片機分析得出人從區(qū)域1進入?yún)^(qū)域2，下一個區(qū)域極有可能為L6，其他步驟如步驟4。

6）若在不同區(qū)域出現(xiàn)信號時，單片機會默認多人進入智能控制區(qū)域，一個區(qū)域一個計算，從而進行智能計算。

3.5 實物模型的制作

為了更好的驗證本文所提出的優(yōu)化策略，依據(jù)本文的設計思路，采用上述的硬件電路設計和軟件流程設計，我們設計出了基于優(yōu)化策略的智能燈控制系統(tǒng)的模型。

首先以亞克力板為材料，建立一個尺寸為（60cm×10cm×10cm）的走廊物理模型。在整個模型中，包含10盞走廊燈，10個房間。

在模型中，考慮到模型的尺寸和成本，以光敏電阻作為系統(tǒng)的光敏傳感器，以紅外對管作為系統(tǒng)的紅外傳感器，以普通發(fā)光二極管作為系統(tǒng)的走廊燈。在系統(tǒng)中，模型中的電源以5V直流電為基礎，因此不需要繼電器驅(qū)動電路。模型中所采用的傳感器見圖6。

4 數(shù)據(jù)測試與分析

4.1 測試方法

以一個（3cm×3cm×3cm）正方體作為人的模型，正方體在模擬走廊中移動時代表著人的行走。具體測試步驟為：

1）將正方體從走廊的起點勻速移動到終點，觀察模型中燈的點亮情況。

2）將正方體從走廊的終點勻速移動到起點，觀察模型中燈的點亮情況。

3）將正方體從走廊一端移動到另一端的過程中，以變化的速度移動，觀察模型中燈的點亮情況。

4）將正方體從走廊的任意位置出現(xiàn)后（代表人從房間進入走廊），觀察模型中燈的點亮情況。然后移動在模型走廊中向任意一端移動正方體，觀察模型中燈的點亮情況。

5）正方體在走廊的移動過程中突然停止行走，觀察模型中燈的點亮情況。

4.2 測試結(jié)果分析

1）當模擬人的正方體從起點勻速移動到終點時，控制器搜集到傳感器信號后分析運算處理后，能根據(jù)人的移動方向提前將人進入的區(qū)域提前點亮，測試成功。

2）當模擬人的正方體從終點勻速移動到起點時，控制器搜集到傳感器信號后分析運算處理后，能根據(jù)人的移動方向提前將人進入的區(qū)域提前點亮，測試成功。

3）當模擬人的正方體從終點以變化的速度移動到起點時，控制器搜集到傳感器信號后分析運算處理后，能根據(jù)人的移動方向提前將人進入的區(qū)域提前點亮，測試成功。

4）當模擬人的正方體從房間進入走廊后，能根據(jù)人的移動方向提前將人進入的區(qū)域提前點亮，測試成功。

5）當正方體在走廊的移動過程中突然停止行走時，相應的燈能進行點亮和熄滅，測試成功。

通過上述測試環(huán)節(jié)得出，本文提出的優(yōu)化控制策略在模型中得到驗證，測試結(jié)果較為理想，可認為基于優(yōu)化策略的新型智能燈控制系統(tǒng)是可行的。

4.3 設計中的啟發(fā)

通過模型我們發(fā)現(xiàn)，由于檢測電路中的紅外線接收裝置不是人體發(fā)出的，而是由紅外對管自己發(fā)射的，對管容易受到其他干擾的影響，感應不是特別靈敏，感應距離有限，主要原因是由于模型中的元器件為實驗器件，價格便宜，因此精度不夠。實際生產(chǎn)過程中，我們可以選擇其他較為靈敏的器件，如將紅外換成熱釋電紅外線傳感器[6]，這樣就能主動接收人體輻射的紅外線，不需要自己發(fā)射。這樣就能滿足人進入該區(qū)域時，能立即被檢測到，該方案也被人證明可行。

在控制思想上，最先的思路為不劃分區(qū)域，直接檢測分析，但這樣一來，人的運動方向很難被確定，尤其是交叉、十字路口。因此，采用分區(qū)域檢測控制方式能有效地簡化控制模型，更好地編程，更利于實現(xiàn)。

5 結(jié)論

針對現(xiàn)在公共場所路燈、走廊燈的不合理開啟，現(xiàn)有的智能感應燈控制反應延遲等現(xiàn)象，本文提出了一種基于優(yōu)化策略的智能燈控制系統(tǒng)，對其進行了理論分析、電路設計和模型制作。在制作的智能燈系統(tǒng)模型基礎上，對優(yōu)化策略進行了測試，結(jié)果表明，基于優(yōu)化策略的智能燈控制系統(tǒng)能更好地實現(xiàn)感應燈的智能控制，更加人性化。

【參考文獻】

[1]廖赟，胡健生，黃金志，呂春書.路燈節(jié)能控制系統(tǒng)[J].電子世界，2005（10）.

[2]劉聰瑜，劉俠，汝彥東，王國軍.基于ADE7758 的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的設計[J].信息技術，2008（11）.

[3]溫武，陳耀華.基于單片機控制的LED 燈具智能開關控制系統(tǒng)[J].電腦知識與技術，2010（13）.

[4]李波.家用智能熱釋電紅外感應燈的功能原理及檢修[J].新課程學習（下），2012（12）.

[5]溫武，古鵬.紅外感應式智能開關控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)[J].科技信息，2010（14）.

[6]沈梁鋒.紅外線感應燈的應用及相關問題的解決[J].科技信息，2006（01）.