基于無線網絡的教室內分布式燈光智能控制研究

張道遠 梁婉靜

摘 要：文章基于無線網絡傳感器通過相鄰光源之間相互傳輸信號，實現對教室內燈光的智能控制。通過調節燈光亮度及控制區域亮度，實現節約電能和降低成本的目的。通過構建室內燈光分布控制數學模型，提出一種基于紅外信號反饋下的分布式控制器進行調控。最后，通過在仿真實驗室進行計算機模擬仿真，體現文章提出的控制方法的優勢。

關鍵詞：智能控制;燈光控制;分布式控制;節能

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，隨著國家經濟的高速發展，高等院校的發展也進入快車道，隨處可見學校內教學樓的擴建、翻新等。新的教室配備新的設施，其中室內光源安裝選擇，需遵循綠色、環保、節能理念，大多采用LED照明技術[1]。學校教室通常白天采光不足，需要開燈補光，因此產生“長明燈”現象。“長明燈”的出現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控制，依賴于進教室的人手動打開。相對于一個總開關，現在一些大教室一般會在教室內的前、中、后三個區域分別設置手動開關，起到了一些節能的目的。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;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人員位置，就近亮燈補充光照。整個控制系統主要包括：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置即可。

當前，LED光源以其節能、易操控等優點被廣泛運用到室內、外的光源控制中[2-3]。當前，室內光源控制獲得了較多關注[4-8]。匡程等在文獻[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，結合教室內人數決定開啟燈的數量。成鳳敏在文獻[5]中結合軟件LABVIEW和單片機實現了教室內開燈手動與自動相結合的模式。閆姝[6]基于物聯網技術將教室分成多個區域，提出對應區域的燈光控制方案。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，可以實現自動與手動模式的轉換。許延龍等在文獻[9]中選用單片機作為燈控系統芯片，并設計制作了適合該系統的數碼顯示屏，實測結果顯示出其經濟和節能性。張等在文獻[10-11]中構建室內燈光動態控制模型，將每一個LED光源看成是一個子系統，再結合模型預測控制方法，實現工作平臺區域的光照度一致性。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燈光智能控制，從而進一步實現節能的目的。考慮到學校內教室具有分布廣、數量大的情況，文章提出基于無線信號傳輸，可以簡化室內布線，并以分布式控制方法避免較大數據量傳輸所引發的網絡延遲及數據丟包現象發生。該方法的最大優勢在于，大大減少了不必要的信號傳輸，降低了網絡傳輸負擔，提高了信號傳輸質量。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，對室內人員活動區域進行補光調節，對無人區域則停止補光。

1 LED光源結構

LED光源通常可以產生紅、綠、藍三種顏色，然后再通過調節這三種顏色的混合比例，獲得不同顏色的LED光源[12]。當前，對于絕大多數寫字樓以及學校室內照明，通常選用白色光源，白光LED也是光效最高的照明光源，在現代建筑中得到了廣泛運用。LED光源控制采用脈沖寬度調制（PWM）技術，通過快速切換電路接通和斷開來調節發光亮度，具有易操作、反應快、靈活性高等特點，在通信、測量、流程控制等領域得到了廣泛使用。PWM調光的開關頻率一般高于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系，使得LED光源的亮度可以通過調節占空比來控制光照輸出[7-8]。

2 基于LED燈的室內光源模型

文章將考慮5行13列的燈光聯網控制，每個燈源位置設計如圖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的一個子系統。設第i個光源的占空比為xi（t），其中xi（t）∈[0，1]，xi（t）=0表示第i個燈處于關閉狀態;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域，發現有人后的光源自行調節亮度，并將相關信息發送給周圍相鄰光源。然后，各個光源根據自身光照傳感器感應光照強度，反饋給光源控制器以調節需要補充的亮度，從而實現無人區域盡量不亮燈，而人員活動區域光照亮度一致的效果。

基于上述分析，圖1中的室內光源控制系統可描述如下：

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計分布式控制器ui（t），實現人員活動區域光照亮度一致。考慮到該網絡系統中產生大量的數據采集和傳輸，而大量數據包同時傳輸又會造成網絡傳輸負擔，引發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據信號傳輸，維護網絡傳輸穩定。以圖1中光源分布為例，不考慮局部陰影覆蓋，通過網絡對紅外信號進行檢測，識別出人員活動區域，檢測出的第 個光源將光源亮度信號傳送給相鄰的光源，實現該區域亮度一致，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。控制器（3）的設計是以i號檢測到有人的光源為調節標準，通過向相鄰光源傳輸信號，從而實現人員活動區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，對于室內光線不足的地方，只需要進行補光即可。如果教室內坐滿人，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，設置參數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。數值仿真結果如圖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，當室內外部光線較強時，補光減少，設置光源占空比為0.1時，觀察光源調控過程。結果顯示，調控能夠很好地滿足系統設計目標。

夜晚的時候，室內亮度全部依賴LED光源提供，如果教室坐滿人，所有光源提供對應的亮度即可，此時會發現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，對應人員活動的區域才會亮燈，其他區域的燈處于關閉狀態。

4 結語

文章基于紅外傳感器和照度傳感器，設計了室內燈光控制系統的自動調節功能。LED節能燈的亮度可調功能，在滿足光照的情況下，可最大限度節約電力消耗。同時，為了減少數據傳輸，減輕網絡負擔，文章采取分布式網絡控制，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絡傳輸穩定性，仿真結果進一步驗證了該方法的可行性。

參考文獻

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