1 引言
隨著科學(xué)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(jī)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?，F(xiàn)階段出現(xiàn)的各種豪華燈飾,，其突出的特點(diǎn)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(hù)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(gè)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(diǎn),，是與照明系統(tǒng)本身設(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)照度情況的分析基礎(chǔ)上,，得出光源光通量與各點(diǎn)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(shí)現(xiàn)
為了實(shí)現(xiàn)智能化照明,，首先應(yīng)當(dāng)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(shí)反映室內(nèi)平均照度問題,，實(shí)現(xiàn)智能化控制的方案問題,，光源光強(qiáng)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(shí),，物理量會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變,，故可將亮度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。因此,，采用光敏材料對該點(diǎn)照度信號(hào)進(jìn)行采集,，通過A /D 模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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:
①燈具布置需滿足工作,、生活需求;②傳感單元的分布必須能夠真實(shí)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(dāng)調(diào)節(jié)。
在滿足以上原則的條件下,，本設(shè)計(jì)以點(diǎn)光源" title="點(diǎn)光源">點(diǎn)光源分布為例予以說明,。光源采用多點(diǎn)均勻分布，傳感單元?jiǎng)t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(shí)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(shí)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(diǎn)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(jìn)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(jì)算: 如圖2 所示,，設(shè)傳感單元受光面為S，取其中一個(gè)微面元ds; 面元ds 對點(diǎn)光源A 所張的微立體角元為dω,，則dω = ds / L2,。而點(diǎn)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(qiáng)定義可知：
那么,，由照度的定義可求得點(diǎn)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(diǎn)的照度為:
則傳感器Mi 感光表面上的照度為:
當(dāng)傳感單元與光源足夠遠(yuǎn)時(shí)，可將傳感單元視為一個(gè)點(diǎn),，故此時(shí):
圖2 點(diǎn)光源指向傳感單元處照度
我們以圖1 ( a) 所示分布為例,，進(jìn)行說明。其中i 表示的是傳感器的阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)識(shí),，j 表示是光源的阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)識(shí),，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(dāng)我們將光源和傳感器分布固定時(shí),，P 則為一個(gè)固定值。因此我們選擇調(diào)節(jié)光源光強(qiáng)I,，實(shí)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(shí),，需調(diào)節(jié)光源光強(qiáng),。我們?nèi)砸詧D1 ( a) 圖為例進(jìn)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(shí)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(fù),，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(shí)，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(shí)現(xiàn),，相關(guān)正負(fù)關(guān)系足以達(dá)到設(shè)計(jì)需求,。其次，在調(diào)節(jié)時(shí),，根據(jù)相關(guān)結(jié)果,，予以分級調(diào)節(jié)。以圖3 為例,，進(jìn)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(shí),，以M6為圓心,，分別以光源距M6距離中最近的二個(gè)兩個(gè)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(shí)，第一級調(diào)節(jié)也就是重點(diǎn)調(diào)節(jié)距傳感器最近光源,，其次第二級調(diào)節(jié)時(shí)依據(jù)相關(guān)性調(diào)節(jié)第二個(gè)圓所交傳感器,。舉例說明，假設(shè),，ΔEM6為負(fù),，ΔEM4為正，ΔEM7為負(fù),。由于ΔEM6為負(fù),，首先增加A7的光強(qiáng)I7，增加量為ΔI7,。第二步,，將ΔEM6、ΔEM4,、ΔEM7相關(guān),，可知，第二級時(shí),，只增加A8的光強(qiáng)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(qiáng)的方法主要有兩種,，一種是調(diào)功,，一種是調(diào)壓。本設(shè)計(jì)采用后者調(diào)壓的方式,。硬件實(shí)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(shí)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(diǎn)。
對其電壓的控制量變化,，是通過軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)的,。將正弦波等分為256 份，將一份作為一個(gè)調(diào)節(jié)因子,，調(diào)節(jié)過程中，依據(jù)邏輯運(yùn)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(shí)施控制,，從而達(dá)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(jì)算分析，為了實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能化控制目標(biāo)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(shí)現(xiàn)光照度的自動(dòng)調(diào)節(jié),。
3. 1 方案原理
為了對室內(nèi)各處照度，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,，因此采用如文中的“2. 1 智能化照明的實(shí)現(xiàn)”中的(1 )處提及的分布,，使用傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(hào)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(hào)采樣成8 位256 級的數(shù)字電信號(hào),，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(hào)在后續(xù)處理中較為方便,， 其次是因?yàn)?56 個(gè)級別在人的感知中是一個(gè)連續(xù)漸變的過程，不會(huì)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(jìn)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(hào)。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(shí)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(jī)輸入單元4 個(gè)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(diǎn),。具體設(shè)計(jì)如圖5 所示:
圖5 系統(tǒng)整體框圖
光信號(hào)采樣單元,，主要完成的是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供單片機(jī)識(shí)別的數(shù)字電信號(hào)。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(hào)，在通過A /D 將電信號(hào)轉(zhuǎn)為8位寬度的數(shù)字信號(hào),，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(hào)的優(yōu)點(diǎn)一是當(dāng)采樣單元過多時(shí),，省去了系統(tǒng)過多的繁雜布線，使環(huán)境美觀整齊; 優(yōu)點(diǎn)二是有利于控制面積的增加; 優(yōu)點(diǎn)三是借助ZigBee 超強(qiáng)的可擴(kuò)展性,，可以很方便的通過ZigBee 的節(jié)點(diǎn)并入更多的控制系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的縱向擴(kuò)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(jìn)行邏輯運(yùn)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(shí)現(xiàn)邏輯控制。采用單片機(jī)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(chǔ)與外部RAM 中， 讓單片機(jī)訪問外部RAM 來修改程序中的系統(tǒng)變量,。
人機(jī)輸入單元,，是為了實(shí)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(chǔ)于外部RAM 中,， 并以中斷的工作模式介入主程序的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)工作模式的改變,。
電源管理模塊,，為各個(gè)單元提供所需電壓，保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定的運(yùn)行,。
4 軟件實(shí)現(xiàn)
該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要分為兩個(gè)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(chǔ)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(chǔ)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(yùn)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(dá)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(gè)無限循環(huán)的程序。開機(jī)后,，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化,，并讀取外部RAM 中的上次存儲(chǔ)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(yùn)算。得出結(jié)果后,，進(jìn)行分級調(diào)控,。首先進(jìn)行第一級調(diào)控，對整體光源光通進(jìn)行初次調(diào)整,。將調(diào)整后的照度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理,，實(shí)施第二級調(diào)控，局部光源的微調(diào),。此時(shí)在數(shù)據(jù)計(jì)算上的精度要求應(yīng)大于第一級調(diào)控時(shí)所需的數(shù)據(jù)精度,。
中斷程序主要是處理人機(jī)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(jìn)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(shí)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(jī)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(kuò)展性強(qiáng)、人機(jī)交互性好等特點(diǎn),。