基于無線網(wǎng)絡(luò)的教室內(nèi)分布式燈光智能控制研究

張道遠 梁婉靜

摘 要：文章基于無線網(wǎng)絡(luò)傳感器通過相鄰光源之間相互傳輸信號，實現(xiàn)對教室內(nèi)燈光的智能控制。通過調(diào)節(jié)燈光亮度及控制區(qū)域亮度，實現(xiàn)節(jié)約電能和降低成本的目的。通過構(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反饋下的分布式控制器進行調(diào)控。最后，通過在仿真實驗室進行計算機模擬仿真，體現(xiàn)文章提出的控制方法的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：智能控制;燈光控制;分布式控制;節(jié)能

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）01-091-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.039

近年來，隨著國家經(jīng)濟的高速發(fā)展，高等院校的發(fā)展也進入快車道，隨處可見學(xué)校內(nèi)教學(xué)樓的擴建、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，需要開燈補光，因此產(chǎn)生“長明燈”現(xiàn)象?！伴L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題。當前，高校教室的燈光控制主要還是手動開關(guān)控制，依賴于進教室的人手動打開。相對于一個總開關(guān)，現(xiàn)在一些大教室一般會在教室內(nèi)的前、中、后三個區(qū)域分別設(shè)置手動開關(guān)，起到了一些節(jié)能的目的。但造成電能浪費的主要原因是：人們離開教室后，人走燈未關(guān);在人員較少時，卻打開所有燈;室外光線較好，無需補光，未及時關(guān)燈。為了解決上述問題，文章提出一種基于紅外識別的智能燈光控制，通過紅外傳感器自動識別室內(nèi)人員位置，就近亮燈補充光照。整個控制系統(tǒng)主要包括：紅外傳感器、光照傳感器、控制器、PWM模塊四個部分。為了方便實現(xiàn)照明智能控制，以及避免受到人為影響造成光線干擾，傳感器可直接嵌套在光源上，在光照補充上按照國際標準設(shè)置即可。

當前，LED光源以其節(jié)能、易操控等優(yōu)點被廣泛運用到室內(nèi)、外的光源控制中[2-3]。當前，室內(nèi)光源控制獲得了較多關(guān)注[4-8]?？锍痰仍谖墨I[4]中采用一種單片機為核心控制器，通過紅外傳感器確定人數(shù)，結(jié)合教室內(nèi)人數(shù)決定開啟燈的數(shù)量。成鳳敏在文獻[5]中結(jié)合軟件LABVIEW和單片機實現(xiàn)了教室內(nèi)開燈手動與自動相結(jié)合的模式。閆姝[6]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將教室分成多個區(qū)域，提出對應(yīng)區(qū)域的燈光控制方案。劉睿瓊等在文獻[7]中通過紅外傳感識別人員和環(huán)境信號，作出判斷是否需要打開光源的判斷。歐海燕等在文獻[8]里提出了一套智能控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動與手動模式的轉(zhuǎn)換。許延龍等在文獻[9]中選用單片機作為燈控系統(tǒng)芯片，并設(shè)計制作了適合該系統(tǒng)的數(shù)碼顯示屏，實測結(jié)果顯示出其經(jīng)濟和節(jié)能性。張等在文獻[10-11]中構(gòu)建室內(nèi)燈光動態(tài)控制模型，將每一個LED光源看成是一個子系統(tǒng)，再結(jié)合模型預(yù)測控制方法，實現(xiàn)工作平臺區(qū)域的光照度一致性。通過上述分析，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，從而進一步實現(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，文章提出基于無線信號傳輸，可以簡化室內(nèi)布線，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)勢在于，大大減少了不必要的信號傳輸，降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸負擔(dān)，提高了信號傳輸質(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。通過相鄰光源間的信號，對室內(nèi)人員活動區(qū)域進行補光調(diào)節(jié)，對無人區(qū)域則停止補光。

1 LED光源結(jié)構(gòu)

LED光源通?？梢援a(chǎn)生紅、綠、藍三種顏色，然后再通過調(diào)節(jié)這三種顏色的混合比例，獲得不同顏色的LED光源[12]。當前，對于絕大多數(shù)寫字樓以及學(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用。LED光源控制采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，通過快速切換電路接通和斷開來調(diào)節(jié)發(fā)光亮度，具有易操作、反應(yīng)快、靈活性高等特點，在通信、測量、流程控制等領(lǐng)域得到了廣泛使用。PWM調(diào)光的開關(guān)頻率一般高于100Hz，使得人眼無法察覺到，而通過光源的平均電流與占空比恰好呈線性關(guān)系，使得LED光源的亮度可以通過調(diào)節(jié)占空比來控制光照輸出[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，每個燈源位置設(shè)計如圖1所示。

由文獻[13]可知，每個LED光源可看成是整個燈光控制系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。設(shè)第i個光源的占空比為xi（t），其中xi（t）∈[0，1]，xi（t）=0表示第i個燈處于關(guān)閉狀態(tài);xi（t）=1表示第i個燈處于最大亮度。文章通過紅外傳感器定位人員活動區(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)送給周圍相鄰光源。然后，各個光源根據(jù)自身光照傳感器感應(yīng)光照強度，反饋給光源控制器以調(diào)節(jié)需要補充的亮度，從而實現(xiàn)無人區(qū)域盡量不亮燈，而人員活動區(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LED光源的占空比，ui（t）代表第i個光源控制器。

文章的目標是通過設(shè)計分布式控制器ui（t），實現(xiàn)人員活動區(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)包同時傳輸又會造成網(wǎng)絡(luò)傳輸負擔(dān)，引發(fā)傳輸時延甚至丟包情況，文章將采取的分布式控制方法有利于減少數(shù)據(jù)信號傳輸，維護網(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，通過網(wǎng)絡(luò)對紅外信號進行檢測，識別出人員活動區(qū)域，檢測出的第 個光源將光源亮度信號傳送給相鄰的光源，實現(xiàn)該區(qū)域亮度一致，滿足用戶對燈光照度的需求。即：

分布式控制器設(shè)計如下：

其中，xr（t）表示識別出人員活動的光源的所需亮度參考值，該參考值是需要光源補充的亮度，由光源控制器根據(jù)光照傳感器采集的實際光照度計算而得。akj表示有信號從第k號光源傳遞到第j號光源，bk表示第k號光源從i號光源獲取信號?？刂破鳎?）的設(shè)計是以i號檢測到有人的光源為調(diào)節(jié)標準，通過向相鄰光源傳輸信號，從而實現(xiàn)人員活動區(qū)域燈光亮度一致的目標。

3 模擬仿真與分析

以圖1中光源分布為例，為了檢驗以上控制方法的有效性，將分別考慮白天和夜晚的情況。白天的時候，因為有太陽光線進入室內(nèi)，對于室內(nèi)光線不足的地方，只需要進行補光即可。如果教室內(nèi)坐滿人，所有光源通過光照傳感器計算出需補充的光照強度值即可。如果教室內(nèi)前五排光源檢測到有人員活動，此時第5排光源還會傳輸信號給第6排光源進行補光。利用MATLAB軟件仿真，設(shè)置參數(shù)akj=10，bk=30，當有人從早上進入教室到中午下課離開，戶外日光會越來越強，而在下午會變得越來越弱。室內(nèi)光源作為補充光源，在上午的時候補光越來越少，而在下午時越來越多。在模擬時，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，各光源亮度達到一致。隨后，當室內(nèi)外部光線較強時，補光減少，設(shè)置光源占空比為0.1時，觀察光源調(diào)控過程。結(jié)果顯示，調(diào)控能夠很好地滿足系統(tǒng)設(shè)計目標。

夜晚的時候，室內(nèi)亮度全部依賴LED光源提供，如果教室坐滿人，所有光源提供對應(yīng)的亮度即可，此時會發(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，此時根據(jù)相鄰的光源間傳遞信息，將會有前3排和后3排光源開啟。從圖4中可看出，對應(yīng)人員活動的區(qū)域才會亮燈，其他區(qū)域的燈處于關(guān)閉狀態(tài)。

4 結(jié)語

文章基于紅外傳感器和照度傳感器，設(shè)計了室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)功能。LED節(jié)能燈的亮度可調(diào)功能，在滿足光照的情況下，可最大限度節(jié)約電力消耗。同時，為了減少數(shù)據(jù)傳輸，減輕網(wǎng)絡(luò)負擔(dān)，文章采取分布式網(wǎng)絡(luò)控制，檢測出有人的光源只會傳輸信號給相鄰的光源，該方法有助于增強網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定性，仿真結(jié)果進一步驗證了該方法的可行性。

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