基于人工智能的智慧建筑照明自動(dòng)化控制系統(tǒng)

穆泉承

（中國(guó)建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司，北京 100013）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的高速發(fā)展，能源短缺問(wèn)題成為制約人類社會(huì)發(fā)展的首要因素，在發(fā)展與環(huán)境之間的矛盾日益加劇的前提下，我國(guó)提出了可持續(xù)發(fā)展政策，在發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，進(jìn)行節(jié)能減排，降低污染，為后代的發(fā)展提供可持續(xù)的動(dòng)力。在此理論的指導(dǎo)下，智慧建筑應(yīng)運(yùn)而生。智慧建筑是一種通過(guò)現(xiàn)代電腦技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)，為住戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的建筑形式[1]。現(xiàn)階段，人工智能技術(shù)在建筑中應(yīng)用的比例不斷增加，成為建筑功能的核心。在智能建筑中，如何實(shí)現(xiàn)照明自動(dòng)化一直都是建筑領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問(wèn)題。

在以往的研究中，部分專家學(xué)者提出了智慧建筑照明自動(dòng)化控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)在一定程度上可對(duì)建筑中的照明系統(tǒng)進(jìn)行控制，但部分條件下其控制效果并不滿足當(dāng)前對(duì)照明系統(tǒng)的管理要求[2]。針對(duì)此問(wèn)題，在本次研究中將人工智能技術(shù)中的部分方法引入到系統(tǒng)的軟件模塊中，對(duì)系統(tǒng)的使用性能展開提升，并對(duì)其應(yīng)用效果加以分析，力求在當(dāng)前系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，得到管理能力更佳的控制系統(tǒng)。降低智慧建筑整體能耗，推動(dòng)此類建筑控制技術(shù)的發(fā)展。

1 基于人工智能的智慧建筑照明自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次研究為保證人工智能技術(shù)可與軟件模塊有機(jī)融合且正常運(yùn)行，對(duì)智慧建筑照明自動(dòng)化控制系統(tǒng)的硬件部分展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，為軟件的升級(jí)優(yōu)化提供平臺(tái)。在進(jìn)行多輪分析后，將優(yōu)化后的系統(tǒng)硬件框架設(shè)定為圖1所示內(nèi)容。

對(duì)圖1進(jìn)行分析可以看出，本次研究中在原有系統(tǒng)硬件框架的基礎(chǔ)上增設(shè)了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)接口，并根據(jù)此接口對(duì)中央控制器進(jìn)行了完善，從整體的角度提升了系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能。為了對(duì)此系統(tǒng)硬件進(jìn)行全面分析與設(shè)定，將優(yōu)化內(nèi)容具體顯示如下。

1.1 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)接口優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)化控制要求，將此系統(tǒng)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)定為3個(gè)部分，MCU模塊、RF射頻模塊以及開發(fā)板外圍。對(duì)于本次系統(tǒng)而言，在網(wǎng)絡(luò)的接口設(shè)計(jì)中還需考慮到下述因素：（1）由于此系統(tǒng)多為分布式系統(tǒng)，因此網(wǎng)絡(luò)接口需要體積較小，且能耗較低；（2）為便于系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，在選擇網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片時(shí)，需要保證芯片的經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)上述兩部分內(nèi)容，此次研究中將無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)接口的控制芯片型號(hào)設(shè)定為DM9000AEP，此芯片為單芯片形式。為保證此芯片的應(yīng)用性能，將此芯片作為內(nèi)核，設(shè)定其外部電路，具體組成部分如下所示：（1）AES安全協(xié)處理器1個(gè)；（2）UART 4個(gè)；（3）通用定時(shí)器4個(gè)；（4）IEEE 802.15.4 MAC定時(shí)器2個(gè)；（5）8通道12位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器4個(gè)。

按照上述設(shè)定，對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)接口展開設(shè)定，并將其與原有的網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行替換，應(yīng)用到系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中。

1.2 中央控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)

在本研究中，中央處理器除了需要滿足基礎(chǔ)功能外，需要解決信號(hào)處理速度與系統(tǒng)能耗消耗之間的問(wèn)題。根據(jù)此設(shè)計(jì)要求，對(duì)大量的嵌入式單片機(jī)性能進(jìn)行分析后，選擇STM32F103RBT6作為文中系統(tǒng)的核心控制器。為了能夠順利的對(duì)系統(tǒng)軟件程序進(jìn)行編寫，對(duì)中央控制器開發(fā)板組成結(jié)構(gòu)展開設(shè)計(jì)，具體組成部分如下所示：（1）信號(hào)傳感器2個(gè)；（2）能耗監(jiān)測(cè)傳感器4個(gè)；（3）電源模塊1個(gè)；（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器1個(gè)；（5）時(shí)鐘模塊1個(gè)。

將上述設(shè)定內(nèi)容應(yīng)用到中央控制器的開發(fā)板中。與此同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)中其他硬件的供能要求，將電源電路劃分為兩路，其一是由電源管理芯片管理TNY254P的支路1，將直流電220 V轉(zhuǎn)化為5 V；其二是將5 V直流電通過(guò)穩(wěn)壓處理，得到3.5 V直流電的支路2 。使用此兩部分支路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的供能。

2 基于人工智能的智慧建筑照明自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)后，使用人工智能技術(shù)中的雙模糊控制器對(duì)智慧建筑照明功能展開控制。根據(jù)當(dāng)前照明系統(tǒng)的控制要求，在此控制器使用前，根據(jù)照明控制要求，設(shè)定控制規(guī)則庫(kù)。

在控制器的使用過(guò)程中，為保證控制輸出量的可靠性通過(guò)模糊推理機(jī)將控制輸入量清晰化處理，根據(jù)各個(gè)輸入值隸屬函數(shù)曲線與X軸所構(gòu)成的面積重心作為控制器的最終輸出值[3,4]。具體計(jì)算過(guò)程如下：

式中，b表示控制器輸入值；αn(·)表示輸出隸屬度函數(shù)；d表示輸入值隸屬函數(shù)曲線與X軸所構(gòu)成的面積重心到Y(jié)軸的距離。使用此公式得到控制器的輸出量，使用此輸出量對(duì)建筑的照明系統(tǒng)展開控制。得到控制量后，通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)將控制信號(hào)由中央控制器傳輸?shù)礁髡彰飨到y(tǒng)的控制節(jié)點(diǎn)，利用Modbus協(xié)議[5]進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，從而對(duì)建筑內(nèi)每一個(gè)燈具進(jìn)行控制。在控制過(guò)程中設(shè)定激活函數(shù)，以此控制照明系統(tǒng)的開關(guān)，解決照明控制效果不佳的問(wèn)題。對(duì)上文中設(shè)定系統(tǒng)硬件與系統(tǒng)軟件進(jìn)行整合，將其有序架設(shè)到當(dāng)期系統(tǒng)中。至此，基于人工智能的智慧建筑照明自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。

3 系統(tǒng)測(cè)試分析

在本次研究中提出了一種基于人工智能的智慧建筑照明自動(dòng)化控制系統(tǒng)，為證實(shí)此系統(tǒng)可對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行完善與優(yōu)化，構(gòu)建系統(tǒng)測(cè)試環(huán)節(jié)對(duì)此系統(tǒng)的基礎(chǔ)性能進(jìn)行分析。

3.1 系統(tǒng)測(cè)試方案

本次系統(tǒng)測(cè)試默認(rèn)系統(tǒng)硬件連接良好且系統(tǒng)整體功能運(yùn)行平穩(wěn)，僅對(duì)系統(tǒng)基礎(chǔ)性能展開測(cè)試分析。選擇城市中某15層建筑作為測(cè)試對(duì)象，此建筑每層有3個(gè)走廊燈，每個(gè)走廊燈采用樓層－燈序號(hào)形式進(jìn)行排序，假設(shè)需要控制8層的第2個(gè)走廊燈，則可表示為D8-2。在系統(tǒng)測(cè)試前，設(shè)定智慧建筑的照明控制要求，并將其整合為測(cè)試案例的方式，將其導(dǎo)入系統(tǒng)中，使用文中系統(tǒng)完成照明控制，分析文中系統(tǒng)的控制效果。具體測(cè)試案例內(nèi)容如表1所示。

將表1中指令作為文中系統(tǒng)的輸出指令，此指令驗(yàn)證文中系統(tǒng)的照明控制效果。由于本次系統(tǒng)測(cè)試操作過(guò)程較為復(fù)雜，為降低系統(tǒng)測(cè)試操作難度，采用仿真測(cè)試的方式，完成整體研究過(guò)程。同時(shí)，使用當(dāng)前系統(tǒng)與文中系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。在測(cè)試完成后，對(duì)系統(tǒng)輸出指令的誤差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以便于后續(xù)分析過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。

表1 系統(tǒng)性能測(cè)試案例

3.2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

按照上文中預(yù)設(shè)的系統(tǒng)測(cè)試方法，統(tǒng)計(jì)文中系統(tǒng)所輸出控制指令，并將其作為系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，具體結(jié)果如表2所示。

對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，文中系統(tǒng)輸出的控制指令與系統(tǒng)性能測(cè)試案例中輸入的控制指令大致相同，并沒(méi)有出現(xiàn)大幅度的變化。表3中數(shù)據(jù)證實(shí)了當(dāng)前系統(tǒng)輸出控制指令可靠性較差的問(wèn)題，大部分的測(cè)試組中均出現(xiàn)異常指令。為了更好地對(duì)其進(jìn)行分析，計(jì)算了每個(gè)測(cè)試組實(shí)際輸出指令與輸入控制指令的誤差值，具體結(jié)果如下：KZZL-02為0.0%；KZZL-03為 0.0%；KZZL-04為 0.0%；KZZL-05為20.0%。對(duì)KZZL-04的誤差情況展開分析可以看出，雖然此兩組出現(xiàn)了控制誤差，但指令中的樓層信息并未出現(xiàn)問(wèn)題，只是走廊燈的序號(hào)出現(xiàn)問(wèn)題，說(shuō)明文中系統(tǒng)輸出的控制指令可靠性較高。整合上述分析結(jié)果可以確定，本次研究中提出的系統(tǒng)使用控制性能得到提升。

表2 文中系統(tǒng)輸出控制指令

表3 當(dāng)前系統(tǒng)輸出控制指令

4 結(jié) 論

針對(duì)當(dāng)前建筑照明控制問(wèn)題，提出一種基于人工智能的智慧建筑照明自動(dòng)化控制系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試證實(shí)了此系統(tǒng)可有效提升系統(tǒng)的控制能力，降低錯(cuò)誤指令的輸出比例。但由于時(shí)間限制，此次系統(tǒng)測(cè)試用例較少，在日后的研究中還需增加系統(tǒng)測(cè)試用例數(shù)量，確定文中系統(tǒng)可進(jìn)行推廣應(yīng)用，以此為智能建筑提供效果更好的照明控制系統(tǒng)。