一種基于多傳感器融合的LED燈具智能調光系統(tǒng)

申中鴻，楊 林，劉群興，蔣春旭

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610)

1 引言

20世紀60年代，在半導體PN結發(fā)光的基礎上研制出了發(fā)紅光的二極管，到20世紀90年代，發(fā)光二極管已經能夠發(fā)出紅、橙、黃、綠、藍等顏色的光。直到1998年，將GaN芯片與釔鋁石榴石(YAG)封裝在一起成功開發(fā)出了白光LED，各種LED燈具被逐漸開發(fā)，并應用于照明領域[1]。相比于白熾燈和節(jié)能燈，LED燈以其節(jié)能、環(huán)保和長壽命等優(yōu)勢受到了廣泛關注。日本提出“‘21世紀照明’研究發(fā)展計劃”，美國提出“半導體照明國家研究項目”，歐盟提出“彩虹計劃”，韓國提出“固態(tài)照明計劃”，我國將半導體照明技術作為“十五”科技攻關重大項目正式立項，并有相關資金扶助和優(yōu)惠政策[2]。

現(xiàn)在國內外已經有很多生產LED燈具的廠家，無論在質量和外觀造型上都取得了很大的成就。新提出的“情景照明”[3]和“情調照明”[4]概念讓照明打破了傳統(tǒng)意義上的滿足室內照度的需求。雖然LED燈比傳統(tǒng)燈具節(jié)能，但是在生活中我們也觀察到，照明用電仍存在浪費，例如白天室內光線比晚上強，但是燈具照度不變，有時屋內沒人但燈具仍然處于點亮狀態(tài)。本文針對這些場所和上述現(xiàn)象，研究LED燈具的智能調節(jié)問題，根據室內光線強弱來調節(jié)燈的照度，在室內無人時關閉照明燈具，達到LED照明的“二次節(jié)能”。

2 基于多傳感器融合的LED燈具智能調光系統(tǒng)原理

基于多傳感器融合的LED燈具智能調光系統(tǒng)主要思路就是當室內LED燈處于打開狀態(tài)時，通過安裝在室內的多個光敏傳感器采集環(huán)境照度值，其中每個LED燈分別受某幾個傳感器綜合數(shù)據的控制。若照度超過預設照度值則通過調節(jié)器調低燈具照度，若低于預設照度則通過調節(jié)器調亮燈具照度，其中，預設照度是指在室內環(huán)境中適合學習或工作的照度值，是通過大量調查所得到的感觀值。除了光線傳感器，在室內安裝紅外傳感器來實時檢測室內是否有人，當檢測到室內無人時，熄滅所有LED燈。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 基于多傳感器融合的LED燈具智能調光系統(tǒng)流程圖Fig.1 The flow chart of LED lamps light modulation system based on intelligent multi-sensor

基于多傳感器融合的LED燈具智能調光系統(tǒng)的主要功能即智能調光，主要是通過安裝在室內的多光敏傳感器采集室內照度信息，利用多傳感器信息融合理論融合LED燈附近的某幾個傳感器，并將融合后的控制信息送至控制處理器，處理器通過PWM信號發(fā)生器產生調節(jié)信號，進而調節(jié)LED燈的照度，使之達到合適的要求。基于多傳感器融合的LED燈具智能調光系統(tǒng)的另外一個功能就是利用安裝在室內的紅外傳感器檢測周邊環(huán)境，當檢測到室內無人后，則通過控制器產生控制信號，控制所有LED燈熄滅。系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2 基于多傳感器融合的LED燈具智能調光系統(tǒng)實現(xiàn)框圖Fig.2 The realization diagram of intelligent light control system of LED lamps based on multi-sensor

3 基于多傳感器融合的LED燈具智能調光系統(tǒng)傳感器分布規(guī)律

教室、辦公場所往往在一個房間內有多盞燈，通常，靠近窗戶的空間在白天會比其他空間自然光線多，所以這里的燈具照度需要調暗一點，而遠離窗戶的空間則需要燈具照度高一些，這就涉及到感光傳感器的分布問題：傳感器太少，檢測信息不全面，在調節(jié)燈具照度時會存在偏差，影響控制效果，而傳感器過多固然能檢測到足夠的信息量，但同時也加大了信息的處理難度，并且提高了照明成本，浪費電氣資源，因而用較少的傳感器來檢測照度，并達到精確控制室內燈具照度，成為智能調光系統(tǒng)的主要研究內容。教室、辦公場所等室內燈具的排列較為規(guī)則，從而為智能感光與控制提供了基礎。本文以如圖3所示的燈具排列為例說明傳感器的分布。

圖3 辦公場所內2×2燈具分布下光敏傳感器分布示例Fig.3 The distributed sample of light sensors in office premises with 2×2 lamps

如圖3所示，對于2×2分布的LED燈1號、2號、3號、4號，在四個角和正中間安裝A、B、C、D、E五個傳感器。這樣，在控制時，LED燈1號由傳感器A和E來控制，LED燈2號由傳感器B和E來控制，LED燈3號由C和E來控制，LED燈4號由傳感器D和E來控制，如此實現(xiàn)了盡可能少的傳感器檢測、盡可能多且準確的信息。

4 基于多傳感器融合的LED燈具智能調光系統(tǒng)

上文提出，每一個LED燈的控制信息來自兩個與之相關的傳感器采集到的數(shù)據。作為控制輸入，首先需要對這兩個傳感器采集到的數(shù)據進行融合處理。由于需要融合的僅為兩個傳感器檢測到的環(huán)境照度值，數(shù)據少且信息表示為原始讀數(shù)值，因而采用簡單、直觀易于實現(xiàn)的加權平均數(shù)據融合方式[5～6]。

假設傳感器A、B、C、D、E采集到的室內照度分別為αA,αB,αC,αD,αE，則控制各燈的環(huán)境照度輸入如公式(1)所示。

α1=ωA·αA+ωE1·αE

α2=ωB·αB+ωE2·αE

α3=ωC·αC+ωE3·αE

α4=ωD·αD+ωE4·αE

(1)

其中ωA,ωB,ωC,ωD,ωE1,ωE2,ωE3,ωE4為權值。權值的大小跟傳感器距離燈中心的距離有關。

預設室內需求照度為α，上述α1,α2,α3,α4分別為室內照度檢測值。照度差值表示為

Δα1=α-α1

Δα2=α-α2

Δα3=α-α3

Δα4=α-α4

(2)

分別作為每盞燈的控制輸入。當照度差值為正時，環(huán)境照度小于預設照度，調節(jié)PWM信號使燈變亮。當照度差值為負時，環(huán)境照度大于預設照度，調節(jié)PWM信號使燈變暗,達到智能調節(jié)亮度的效果[7]。

基于多傳感器融合的LED燈具智能調光系統(tǒng)的第二個功能為利用紅外傳感器[8]實現(xiàn)在室內無人時熄滅所有LED燈，其基本原理是：將紅外傳感器安裝于室內中央，即上述傳感器E所在位置。每隔10分鐘(或其他設定時間)紅外傳感器檢測一次室內，然后根據室內的溫度分布圖來確定室內是否有人，進而決定是否關斷所有LED燈。當關斷時檢測到人的移動信號[9]后，馬上打開所有LED燈。

5 實驗結果

本文采用硅光電池作為光敏傳感器，加權系數(shù)ωA、ωB、ωC、ωD取為0.6，ωE1、ωE2、ωE3、ωE4取為0.4，對系統(tǒng)進行周期性試驗，試驗條件分別在遮擋室外光線與不遮擋室外光線條件下進行。采用照度計對辦公室內定點(1號燈具正下方)進行照度采集，采集高度為80cm，以分析比較系統(tǒng)控制效果。對系統(tǒng)進行為期30天的試驗，每天在早、中、晚三個時段進行試驗，統(tǒng)計30天的平均試驗數(shù)據，具體見表1。根據試驗結果分析，本LED燈具智能調光系統(tǒng)具有良好的控制效果。

表1 試驗結果統(tǒng)計Table 1 Test results

6 總結

本文提出了一種基于多傳感器融合的LED燈具

智能調光系統(tǒng)，可以實現(xiàn)根據室內光線的強弱自動調節(jié)LED燈亮度以及在無人條件下自動關閉所有LED燈的功能，從而實現(xiàn)LED燈具照明的“二次節(jié)能”。利用在室內安裝多個傳感器并利用多傳感器融合的信息融合得到的數(shù)據作為控制依據，使控制更加準確可靠。本文所研究的LED燈具智能調光系統(tǒng)對相關研究單位和生產廠商具有一定借鑒意義。

[1] 竇林平.國內LED照明應用探討[J].照明工程學報，2011,22(6):51～58.

[2] 萬勇, 馮瑞華, 黃健. 國內外LED 照明產業(yè)政策[J]. 高科技與產業(yè)化,2011(1):35～39.

[3] 徐連城. LED照明產品發(fā)展方向的探討[J].照明工程學報，2011,22(S1):32～33.

[4] 陳濤.照明控制與自動化系統(tǒng)的完美結合——智能照明控制系統(tǒng)的再認識[J].照明工程學報, 2003,14(3):26～32.

[5] Mitchell A. Benjamin et al. Multi-sensor fusion[P].Patent No:7283904.2007,10.

[6] Hugh Durrant-Whyte. Multi Sensor Data Fusion[E]. http://www.acfr.edu.au/pdfs/training/multiSensorDataFusion/dataFusionNotes.pdf,2001.

[7] 程安寧,王晉,尚相榮. 白光LED的PWM驅動方式分析[J].電子設計工程, 2010,18(2):109～111.

[8] 顧聚興.紅外傳感器[J]. 紅外,2006,27(10):4～4.

[9] 臺德藝.熱釋電紅外傳感器及其在防盜系統(tǒng)中的應用[J].合肥聯(lián)合大學學報，2003,13(3):100～102.