基于一種優(yōu)化策略的智能燈控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

邢新瀅

【摘 要】針對(duì)走廊等公共場(chǎng)所燈光控制大部分都處于不節(jié)能，且現(xiàn)有的智能感應(yīng)燈只有當(dāng)人處于燈下才會(huì)點(diǎn)亮，照明反應(yīng)延遲這一現(xiàn)象，提出一種新的優(yōu)化控制策略。基于該策略，設(shè)計(jì)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(guò)光敏傳感器感知環(huán)境光照強(qiáng)度，若光照強(qiáng)度足夠，系統(tǒng)不工作；若光照強(qiáng)度不足時(shí)，控制系統(tǒng)開始工作。其次，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)光電傳感器感知人的運(yùn)動(dòng)情況，將傳感器信號(hào)送入控制器，計(jì)算并判斷出人的行走方位和速度，提前將人前進(jìn)區(qū)域的照明燈點(diǎn)亮。而當(dāng)人走出該區(qū)域時(shí)，區(qū)域所屬的燈熄滅。在復(fù)雜環(huán)境下，采用分區(qū)域的方式能更好地實(shí)現(xiàn)智能感應(yīng)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后通過(guò)設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)模擬裝置，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

【關(guān)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(dāng)今許多工業(yè)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)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(wèn)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(gè)方面的問(wèn)題[1]：

1）教室、走廊、馬路沒有人或車時(shí)，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(lái)；

3）大部分的區(qū)域照明控制都是區(qū)域整體點(diǎn)亮或者熄滅；

4）部分公共區(qū)域采用的聲控?zé)舸嬖谥胍舸螅刂撇混`敏缺陷；

5）公共場(chǎng)所所采用的感應(yīng)智能燈，大部分只能實(shí)現(xiàn)人已處于燈所屬的傳感器下時(shí)，燈才能點(diǎn)亮，這樣就存在著點(diǎn)亮延遲的缺陷，在人進(jìn)入兩個(gè)燈之間時(shí)，會(huì)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(shí)點(diǎn)亮。

通過(guò)上述問(wèn)題可以得出，公共場(chǎng)所區(qū)域照明控制方案還有待于提高。因此，設(shè)計(jì)一種新型的智能燈極有必要，它將更好地為社會(huì)服務(wù)，能更有效的節(jié)能。本文在原有智能感應(yīng)燈的控制基礎(chǔ)上，提出了一種基于優(yōu)化策略的智能燈控制系統(tǒng)。基于該策略，設(shè)計(jì)并制作出系統(tǒng)模型。首先通過(guò)光敏傳感器感受環(huán)境光照強(qiáng)度，利用紅外傳感器感受人是否進(jìn)入智能燈控制區(qū)域，通過(guò)控制器智能運(yùn)算得出人的運(yùn)動(dòng)方向和速度，從而提前點(diǎn)亮人將進(jìn)入的區(qū)域，當(dāng)人離開控制區(qū)域時(shí)，燈自動(dòng)熄滅，更加智能的為人提供照明服務(wù)。通過(guò)上述控制方式，能有效解決現(xiàn)有感應(yīng)燈只有人處于燈下方時(shí)，該燈才能點(diǎn)亮這一缺陷，同時(shí)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(gè)入口，照明燈L1—L13總計(jì)13 盞燈，若人從入口3進(jìn)入公共區(qū)域時(shí)，市場(chǎng)上現(xiàn)有的智能燈控制方案如下[2]：

1）當(dāng)人進(jìn)入到L1傳感器下方時(shí)，L1點(diǎn)亮；

2）當(dāng)人進(jìn)入到L2傳感器下方并離開L1傳感器下方時(shí)，L2 點(diǎn)亮，L1熄滅；

3）以此為例，只有當(dāng)人進(jìn)入L下的傳感器下方時(shí)，L才能點(diǎn)亮，離開燈所屬的傳感器下方時(shí)，燈熄滅。

上述的智能燈控制方案只有當(dāng)人進(jìn)入燈所屬的傳感器檢測(cè)區(qū)域時(shí)，傳感器所控制的燈才會(huì)開啟或熄滅，這樣的控制方式不靈敏，反應(yīng)遲鈍。

本文提出的基于優(yōu)化策略的智能燈設(shè)計(jì)思路如下：

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

2）當(dāng)光照強(qiáng)度不足時(shí)，若人進(jìn)入到入口3時(shí)，L1所屬的傳感器檢測(cè)到人后，L1立即點(diǎn)亮，同時(shí)L2開始準(zhǔn)備點(diǎn)亮。

3）當(dāng)人離開L1所屬區(qū)域，直到L2所屬傳感器檢測(cè)到人后，L2立即點(diǎn)亮，L1熄滅。同時(shí)控制器得出人的行走趨勢(shì)為從左到右，控制器同時(shí)記錄人從L1到L2所行走的時(shí)間，計(jì)算出人在L1到L2區(qū)間行走的速度。

4）控制器根據(jù)計(jì)算出的人的行走速度、行走方向和L3的光照覆蓋面，計(jì)算出人進(jìn)入L3區(qū)域所需的時(shí)間，在人離開L2覆蓋區(qū)域，進(jìn)入L3 覆蓋區(qū)域前提前點(diǎn)亮L3。

5）當(dāng)人完全進(jìn)入L3覆蓋區(qū)域，即L3所屬光電傳感器檢測(cè)到人后，且L2所屬傳感器未檢測(cè)到其他人時(shí)，L2立即熄滅，同時(shí)控制器計(jì)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(jì)算出L4的點(diǎn)亮?xí)r間，在人進(jìn)入L4前，提前點(diǎn)亮，當(dāng)人完全進(jìn)入L4區(qū)域、離開L3區(qū)域時(shí)，L3熄滅。

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

8）若人從任意點(diǎn)進(jìn)入控制區(qū)域時(shí)，如人從房間進(jìn)入L2區(qū)域時(shí)，L2立即點(diǎn)亮，同時(shí)檢測(cè)并計(jì)算出人行走的方向和速度，控制相應(yīng)的燈點(diǎn)亮或熄滅。

通過(guò)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(zhǔn)備照明，實(shí)現(xiàn)了照明系統(tǒng)的人性化與智能化。

3 研究?jī)?nèi)容

3.1 控制單元設(shè)計(jì)

針對(duì)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(jī)作為智能感應(yīng)燈控制系統(tǒng)的控制核心。單片機(jī)具有體積小、重量輕、價(jià)格低廉、使用靈活、易于開發(fā)與應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程控制、智能化儀器儀表等領(lǐng)域。在本設(shè)計(jì)方案中，采用STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)作為控制器[3]，設(shè)計(jì)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(jī)一共有40個(gè)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(jī)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(jì)時(shí)器P3.4和P3.5。同時(shí)還有供電端口VCC和GND。

3.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

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

當(dāng)光照強(qiáng)度充足時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器斷開，從而220V交流電斷開，智能感應(yīng)燈控制系不工作。當(dāng)光照強(qiáng)度不足時(shí)，繼電器閉合，智能感應(yīng)燈控制系統(tǒng)開始工作，利用紅外傳感器檢測(cè)人是否進(jìn)入控制區(qū)域，紅外檢測(cè)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(guò)發(fā)射端發(fā)射紅外線后，檢測(cè)接收端是否有光電信號(hào)。當(dāng)沒有人經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，紅外傳感器接收端接收不到信號(hào)，這時(shí)E點(diǎn)的電壓為0，三極管Q1不導(dǎo)通，此時(shí)由P2.0送給單片機(jī)的信號(hào)為低電平，即電壓為0；當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到人時(shí)，人將反射紅外光到接收端，此時(shí)E點(diǎn)電壓為5V，三極管導(dǎo)通，送給單片機(jī)的信號(hào)為高電平，即電壓為5V。因此，我們只需通過(guò)檢測(cè)出單片機(jī)的端口即可知道傳感器是否檢測(cè)到人。

3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)最小系統(tǒng)輸出口的驅(qū)動(dòng)能力有限，無(wú)法直接對(duì)繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一套驅(qū)動(dòng)電路。

3.4 分區(qū)域策略

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

智能感應(yīng)燈整體方法如下：

1）光敏傳感器檢測(cè)環(huán)境光強(qiáng)，若光照強(qiáng)度足夠時(shí)，繼電器K1保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，智能感應(yīng)燈控制系統(tǒng)不工作；當(dāng)光照強(qiáng)度不足時(shí)，繼電器K2閉合，開始給控制系統(tǒng)供電，智能感應(yīng)燈控制系統(tǒng)開始工作。

2）當(dāng)紅外傳感器第一次檢測(cè)到人時(shí)，檢測(cè)信號(hào)送入單片機(jī)，同時(shí)判定信號(hào)來(lái)源，單片機(jī)分析信號(hào)源于哪部分區(qū)域、哪個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3）若搜索到第一次信號(hào)來(lái)源于區(qū)域1中的L2時(shí)，單片機(jī)立即觸發(fā)L2 的繼電器閉合，點(diǎn)亮L2，同時(shí)繼續(xù)檢測(cè)是否有下一個(gè)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生。若在規(guī)定時(shí)間無(wú)其他信號(hào)來(lái)源，且L2也沒有檢測(cè)到信號(hào)，我們默認(rèn)為人從L2附近進(jìn)入后的同時(shí)在L2處消失，此時(shí)熄滅L2。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無(wú)其他信號(hào)來(lái)源，且L2也沒有檢測(cè)到信號(hào)，我們默認(rèn)為人從L2附近進(jìn)入后的同時(shí)在L2處消失，此時(shí)熄滅L2。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無(wú)其他信號(hào)來(lái)源且L2一直有檢測(cè)信號(hào)時(shí)，我們認(rèn)為人一直處于L2 的照亮范圍，L2常亮。

4）若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，單片機(jī)第二次檢測(cè)到信號(hào)來(lái)源于L3時(shí)，L3立即點(diǎn)亮，單片機(jī)開始L2，L3的感應(yīng)信號(hào)計(jì)算人的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)根據(jù)區(qū)域劃分表得出下一個(gè)點(diǎn)亮的區(qū)域極有可能為L(zhǎng)4，通過(guò)計(jì)算得出人將進(jìn)入L4的照明覆蓋范圍內(nèi)所需時(shí)間，在人將進(jìn)入L4時(shí)，提前點(diǎn)亮L4。在一段時(shí)間內(nèi)，若L4檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，說(shuō)明人完全進(jìn)入到L4的范圍，此時(shí)通過(guò)單片機(jī)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(hào)檢測(cè)。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)L3和L4都未檢測(cè)到信號(hào)，則認(rèn)為人從L3處消失，這時(shí)L3和L4同時(shí)熄滅。

5）當(dāng)人處于L4時(shí)，檢測(cè)到L7有信號(hào)，L7立即點(diǎn)亮，L4熄滅。此時(shí)單片機(jī)分析得出人從區(qū)域1進(jìn)入?yún)^(qū)域2，下一個(gè)區(qū)域極有可能為L(zhǎng)6，其他步驟如步驟4。

6）若在不同區(qū)域出現(xiàn)信號(hào)時(shí)，單片機(jī)會(huì)默認(rèn)多人進(jìn)入智能控制區(qū)域，一個(gè)區(qū)域一個(gè)計(jì)算，從而進(jìn)行智能計(jì)算。

3.5 實(shí)物模型的制作

為了更好的驗(yàn)證本文所提出的優(yōu)化策略，依據(jù)本文的設(shè)計(jì)思路，采用上述的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件流程設(shè)計(jì)，我們?cè)O(shè)計(jì)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(gè)尺寸為（60cm×10cm×10cm）的走廊物理模型。在整個(gè)模型中，包含10盞走廊燈，10個(gè)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(duì)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(chǔ)，因此不需要繼電器驅(qū)動(dòng)電路。模型中所采用的傳感器見圖6。

4 數(shù)據(jù)測(cè)試與分析

4.1 測(cè)試方法

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

1）將正方體從走廊的起點(diǎn)勻速移動(dòng)到終點(diǎn)，觀察模型中燈的點(diǎn)亮情況。

2）將正方體從走廊的終點(diǎn)勻速移動(dòng)到起點(diǎn)，觀察模型中燈的點(diǎn)亮情況。

3）將正方體從走廊一端移動(dòng)到另一端的過(guò)程中，以變化的速度移動(dòng)，觀察模型中燈的點(diǎn)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(jìn)入走廊），觀察模型中燈的點(diǎn)亮情況。然后移動(dòng)在模型走廊中向任意一端移動(dòng)正方體，觀察模型中燈的點(diǎn)亮情況。

5）正方體在走廊的移動(dòng)過(guò)程中突然停止行走，觀察模型中燈的點(diǎn)亮情況。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

1）當(dāng)模擬人的正方體從起點(diǎn)勻速移動(dòng)到終點(diǎn)時(shí)，控制器搜集到傳感器信號(hào)后分析運(yùn)算處理后，能根據(jù)人的移動(dòng)方向提前將人進(jìn)入的區(qū)域提前點(diǎn)亮，測(cè)試成功。

2）當(dāng)模擬人的正方體從終點(diǎn)勻速移動(dòng)到起點(diǎn)時(shí)，控制器搜集到傳感器信號(hào)后分析運(yùn)算處理后，能根據(jù)人的移動(dòng)方向提前將人進(jìn)入的區(qū)域提前點(diǎn)亮，測(cè)試成功。

3）當(dāng)模擬人的正方體從終點(diǎn)以變化的速度移動(dòng)到起點(diǎn)時(shí)，控制器搜集到傳感器信號(hào)后分析運(yùn)算處理后，能根據(jù)人的移動(dòng)方向提前將人進(jìn)入的區(qū)域提前點(diǎn)亮，測(cè)試成功。

4）當(dāng)模擬人的正方體從房間進(jìn)入走廊后，能根據(jù)人的移動(dòng)方向提前將人進(jìn)入的區(qū)域提前點(diǎn)亮，測(cè)試成功。

5）當(dāng)正方體在走廊的移動(dòng)過(guò)程中突然停止行走時(shí)，相應(yīng)的燈能進(jìn)行點(diǎn)亮和熄滅，測(cè)試成功。

通過(guò)上述測(cè)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(yàn)證，測(cè)試結(jié)果較為理想，可認(rèn)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(shè)計(jì)中的啟發(fā)

通過(guò)模型我們發(fā)現(xiàn)，由于檢測(cè)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(duì)管自己發(fā)射的，對(duì)管容易受到其他干擾的影響，感應(yīng)不是特別靈敏，感應(yīng)距離有限，主要原因是由于模型中的元器件為實(shí)驗(yàn)器件，價(jià)格便宜，因此精度不夠。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(dòng)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(jìn)入該區(qū)域時(shí)，能立即被檢測(cè)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(cè)分析，但這樣一來(lái)，人的運(yùn)動(dòng)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(cè)控制方式能有效地簡(jiǎn)化控制模型，更好地編程，更利于實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)在公共場(chǎng)所路燈、走廊燈的不合理開啟，現(xiàn)有的智能感應(yīng)燈控制反應(yīng)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(duì)其進(jìn)行了理論分析、電路設(shè)計(jì)和模型制作。在制作的智能燈系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，對(duì)優(yōu)化策略進(jìn)行了測(cè)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(shí)現(xiàn)感應(yīng)燈的智能控制，更加人性化。

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