郵輪餐廳智能照明系統控制策略研究

李 震，張英浩，江美玲

(1. 煙臺哈爾濱工程大學研究院，山東 煙臺 264006；2. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430200)

0 引 言

郵輪餐廳照明系統作為空間光環境設計的重要組成部分，其在設計時應該滿足照明設備控制形式的智能化、便利性等要素。智能化的照明系統可通過無線控制室內燈光的照度、色溫、開/關等自適應調節，既避免了室內燈具復雜的布線流程，又可以有效改善照明環境，極大提升用戶的照明體驗[1–3]。近些年來以ZigBee 技術為中心的照明系統設計方法脫穎而出。ZigBee 具有能耗低、網絡容量大、成本低、自組網燈等優勢，其搭配LED 的PWM 調光技術與傳感技術結合使用，實現對郵輪餐廳空間照明設備LED 燈組的智能監測、管理、控制[4–7]。

1 場景建立與仿真分析

1.1 餐廳仿真場景構建

本文以某郵輪的主題餐廳為設計實例進行照明仿真分析。餐廳采用側窗采光，從窗戶向房間內部具有較長的進深距離，近窗位置與房間深處位置的照度值、色溫值兩極分化嚴重，導致空間工作面照度、色溫分布不均。利用DIALux evo 軟件建立餐廳仿真模型，模擬實際環境中空間照度、色溫在不同天空模式下的變化趨勢[8]。通過獲取室內工作面照度及色溫的仿真計算數據，進行數據分析，提出郵輪餐廳智能照明系統控制策略。空間尺寸為13.8 m×9.4 m×2.5 m，窗戶共3 扇，空間燈具數量為10 盞，都安裝在天花板上，每盞燈都可進行單獨的開關控制及亮度色溫調節。餐廳仿真場景及燈具布置如圖1 所示。

圖 1 餐廳仿真場景及燈具布置圖Fig. 1 Simulated dining room scene and lighting layout

1.2 空間照度及色溫仿真分析

餐廳仿真場景構建完成后，設置好空間內部各主要工作面反射值，分析餐廳空間在不同天空模式下工作面的照度及色溫變化。主要面向晴天、陰天、混合天3 種典型天空類型進行仿真分析[9]。選擇某一天的某一時刻對仿真場景中各工作面的照度值、色溫值進行計算，并對所獲取的光環境數據進行處理分析，獲得不同天空模式下空間工作面照度及色溫變化曲線如圖2所示。

圖 2 不同天空模式下空間工作面照度及色溫變化曲線Fig. 2 Variation curves of illuminance and color temperature of space working face in different sky modes

可知，空間內整體照度值及色溫值隨著空間進深距離不斷降低。當天然光射進房間進深距離4 m 以內位置時，受到窗戶及墻壁反射的影響大，工作面照度及色溫數值波動幅度大；當光線進入到4 m 之外位置時，窗戶采光的影響極其微弱，工作面照度及色溫數值波動幅度小，空間整體照度及色溫分布差異明顯。所以需結合分區（分組）、分點的的形式對燈具進行精細化調控，符合照明設計標準值的同時，使空間各工作面照度及色溫的分布具有均衡性。

1.3 系統控制策略確定

選擇對燈具補光需求較為強烈的陰天天空模式進行研究。根據天然光與房間進深距離的相互影響確定燈具控制形式。由圖2 可知，陰天模式下，空間進深4 m 以外照度及色溫差值變化變小，因此以4 m 為分區線，4 m 以內為分區、分點控制，4 m 以外為分區控制。將空間分成3 個不同區域，其中區域1 按照窗戶和墻壁的相對位置共分為a～f 六個工作面，此區域內燈具為燈組1，由上至下分別稱作燈①、燈②、燈③；區域2 的燈具為燈組2；區域3 的燈具為燈組3。劃分示意圖如圖3 所示。

圖 3 空間分區劃分Fig. 3 Spatial partition

系統控制策略如下：

1）對區域1 的燈組1 實施分區（分點）控制。優先統一協調整個燈組1 的照度及色溫值，令區域1 的平均照度及色溫達到標準值，在此基礎上依據工作面a1～f1 的檢測結果分別調節燈①～燈③的照度及色溫值，使各工作面具有均勻的標準照度及色溫。

2）對區域2、區域3 實施分區（分組）控制，使工作面的平均照度及色溫達到標準值。

3）考慮不同工作面之間光源相互影響的特性，對區域1 燈具分點控制后，需再次驗證工作區域2 和區域3 燈光調節是否依然滿足已設定的標準要求。

系統控制策略流程如圖4 表示。

圖 4 系統控制策略流程Fig. 4 System control strategy flow

2 智能照明系統控制方案設計

2.1 系統控制方案總體設計

系統組成框架如圖5 所示。該系統由遠程控制模塊、本地控制模塊及被控燈具節點模塊3 部分組成，利用ZigBee 網絡將所有燈組實現聯網管理，每個燈具節點與本地控制模塊之間依靠無線信號進行數據通信。本地控制模塊負責建立和管理整個ZigBee 網絡及數據信息處理，是整個系統的核心，被控燈具節點模塊負責采集信息的傳輸、反饋、接收及控制命令的執行等。

圖 5 系統組成框架設計Fig. 5 System composition framework design

被控燈具節點模塊包含ZigBee 傳輸節點、傳感監測模塊、LED 燈組模塊。ZigBee 傳輸節點與本地控制模塊進行無線通信，傳感監測模塊由紅外傳感器、照度傳感器、顏色傳感器組成，紅外傳感器是用于監測有無人員信號，對燈光的開關進行判斷。有天然光的條件下，照度、顏色傳感器用于采集當前照明環境的照度及色溫值，作為系統進行室內燈光調整的主要依據。夜晚沒有天然光時，則根據預設情景模式進行燈光調控。LED 燈組模塊是用于驅動空間內聯網燈具的燈光智能調節。除了上述自動控制模式，系統還能通過遠程控制模塊進行手動調節，遠程控制模塊通過網關無線信號與本地控制模塊進行通信，實現手動調節燈具亮度及色溫、選擇預設的情景模式等。

2.2 硬件控制設計

系統硬件控制設計如圖6 所示。主要包括傳感監測模塊、本地控制模塊、LED 燈組模塊、ZigBee 傳輸模塊等。傳感監測模塊用于檢測人體紅外線信號、自然光的光照及色溫值；本地控制模塊主要利用微控制器執行系統控制算法，進行采集數據處理；ZigBee 傳輸模塊與微控制器、各傳感器及各終端燈具分別連接，實現各個硬件間數據傳送功能；LED 燈組模塊利用LED驅動模塊輸出PWM 信號波控制燈光亮度及色溫。

圖 6 系統硬件控制設計Fig. 6 System hardware control design

2.3 軟件控制設計

系統軟件控制流程設計如圖7 所示。系統獲取數據為各區域人員活動信號及各位置的照度值及色溫值，輸出數據為個燈具的調整值（PWM 參數）。在系統監測到人體信號后，進行日光條件判定，處于日光條件下則運行系統控制算法獲取光環境數據，并判斷數據與預設標準值的關系，輸出各燈具的燈光調整值，發送至各終端燈具實現燈光的智能調節，然后將調整后的光環境數據繼續上傳到傳感監測模塊，循環重復上述過程。當系統未檢測到人體信號或者設定成無人狀態時，關閉燈光；當系統監測不到光環境數據時，進入待機狀態。

圖 7 系統軟件控制流程設計Fig. 7 System software control process design

2.4 傳感器監測點分析

為避免人為遮擋工作面導致傳感器檢測結果受到影響，考慮將傳感器設置在室內屋頂或者墻壁上，同一工作面的照度及顏色傳感器應放置在同一位置[10]。根據餐廳空間劃分的3 個區域，在仿真場景中，將計算元件設置在室內傳感器位置，模擬實際檢測點，分別對各檢測點的照度及色溫進行計算，繪制照度及色溫變化曲線來分析變化趨勢，以獲取最佳傳感器實際安裝位置。

2.4.1 區域1 檢測點分析

區域1 受窗戶采光影響較大，選取6 組傳感器（每組包括照度、顏色傳感器各1 個），并分別與a1～f1 等6 個工作面對應，獲取相應工作面照度值及色溫值。

1）傳感器位于屋頂時：從橫向上分別選擇燈具同行位置、燈具與墻壁中間位置、墻壁上位置、區域連接處等；從縱向上選取工作面中心位置，如圖8 所示，對每一列傳感器縱向標記為S1～S5。對a1～f1 六個工作面各檢測點的照度、色溫值進行計算，繪制照度及色溫變化曲線，如圖9 所示。

圖 9 屋頂傳感器的照度、色溫變化曲線Fig. 9 Change curve of illuminance and color temperature of roof sensor

由圖8 和圖9 可知，傳感器S1 列、S5 列處于側墻與屋頂、2 個區域的連接位置，此處離光源距離遠，工作面的平均照度及色溫變化波動比較穩定；傳感器S2 列、S4 列距離光源較近，照度及色溫變化受光源影響波動比較明顯；傳感器S3 列緊鄰燈具，此處基本為光源的直射照度，曲線波動過于強烈，應舍棄此處采集數據。

2）傳感器位于墻面時：將傳感器安裝于工作面a1～f1 側面墻壁的窗戶上方。傳感器安裝位置應高于人員活動范圍，且低于光源高度，所以縱向擇取窗戶上沿2.2～2.5 m 的位置，每間隔0.1 m 放置一組傳感器；橫向擇取6 個工作面的中間位置，由上到下，將每行傳感器依次記為S1～S4，如圖10 所示。分別對S1～S4檢測點的照度及色溫進行計算，繪制照度及色溫變化曲線，如圖11 所示。

圖 10 區域1 墻壁傳感器布置示意圖Fig. 10 Schematic diagram of wall sensor layout in area Ⅰ

圖 11 墻壁傳感器的照度、色溫變化曲線Fig. 11 Change curve of illuminance and color temperature of wall sensor

由圖10 和圖11 可知，對工作面a1，c1，f1 工作面采光面積相對較大，在中午時刻較強光線的影響下，空間照度及色溫值上下波動較為明顯；工作面b1，d1，e1附近采光面積較小，空間照度及色溫值上下波動較為穩定。

3）區域1 傳感器位置總結

綜上所述，面向工作面a1，c1，e1，傳感器應設置在側面墻壁窗戶上方位置；面向工作面b1，d1，f1，傳感器應設置在屋頂與側墻連接處。

2.4.2 區域2、區域3 檢測點分析

區域3 與區域3 位于整個空間的中段及以后，受光線影響不大，因此每個區域只需選取1 組傳感器即可準確反映其工作面的平均照度及色溫。

1）傳感器位于屋頂時

將兩側檢測點設置在區域相交處、屋頂與墻壁連接處，其他檢測點與區域1 在橫縱布置策略上一致，去掉與燈具重疊的檢測點，依次標記為L1～L44，如圖12所示。分別對2 個區域各檢測點的照度及色溫進行計算，繪制照度及色溫變化曲線，如圖13 所示。2 個區域連接處從L15～L23 檢測點的照度及色溫變化波動幅度較大，區域2 中從L1～L14 的照度及色溫變化波動穩定；區域3 中從L24～D44 個檢測點除了L36 波動較大，其他位置均具有穩定的照度及色溫曲線波動。

圖 12 區域2、區域3 屋頂傳感器布置示意圖Fig. 12 Roof sensor layout diagram in area Ⅱ and area Ⅲ

圖 13 屋頂傳感器的照度及色溫變化情況Fig. 13 Changes of illuminance and color temperature of the sensor on the roof

2）傳感器位于墻面時

縱向擇取窗戶上沿2.2～2.5 m 的位置，每隔0.1 m放置1 組傳感器。區域2 將每組傳感器從上到下依次記為L1～L4；區域3 將每組傳感器依次記為L5～L8，共設置7 列，如圖14 所示。分別對2 個區域各檢測點的照度及色溫進行計算，繪制照度及色溫變化曲線，如圖15 所示。

圖 15 區域2、區域3 墻壁傳感器的照度及色溫變化曲線Fig. 15 Change curve of illuminance and color temperature of wall sensor in area Ⅱ and area Ⅲ

由圖14 和圖15 可知，區域2 中工作面平均照度及色溫隨著檢測點高度的增加而波動增大，所以不建議將傳感器設置在墻壁上；區域3 中第3 列檢測點受自然光線影響最小，還能均勻接收各方向的光線，其工作面照度及色溫曲線波動較為穩定。

3）2 個區域傳感器位置總結

綜上所述，位于屋頂時，區域2 可從L1～L8 各檢測點中任選位置設置傳感器；區域3 可從D8～D28 個檢測點中（排除L20）任選位置設置傳感器。位于墻壁時，區域2 可將傳感器放置于2 個區域屋頂連接處任意位置；區域3 可將傳感器放置于最內側墻面中間2.2～2.5 m 范圍內的任意位置。

綜上所述，在區域1 設置6 組傳感器、區域2 與區域3 分別各設置1 個組傳感器，最終布置如圖16所示。

圖 16 餐廳空間傳感器最終布置示意圖Fig. 16 Schematic diagram of final layout of restaurant space sensor

3 調光功能仿真驗證

本系統將陰天天空模型下各區域工作面照度、色溫檢測值以及區域1 中各工作面a1～f1 的照度值及色溫值作為輸入量，通過系統內置算法模型輸出任意時刻燈具需要輸出的亮度、色溫調整值。預設餐廳的工作面照度標準為300 lx、色溫標準為4000 k，又因太陽光線變化較快，所以允許系統調整值有10%的上下調整范圍，即保證工作面照度始終保持在270～3301x、色溫始終保持在3600～4400 k。驗證流程如圖17所示。

圖 17 調光功能仿真驗證流程Fig. 17 Simulation verification process of dimming function

3.1 燈具分區控制仿真

選擇傍晚16 點未開燈情況下，進行環境數據獲取。將區域1～區域3 工作面的照度、色溫檢測值輸入到系統控制算法中，通過計算輸出3 組燈具的照度、色溫調整值（PWM 參數，用百分數表示），將調整值重新帶入仿真場景，進行調整結果驗證。輸入值及輸出值數據如表1 所示，仿真結果如表2 所示。

表 1 系統分區控制輸入輸出數據Tab. 1 System partition control input and output data

表 2 分區仿真計算結果Tab. 2 Partition simulation results

可知，區域1、區域2、區域3 都達到了照度及色溫的標準值范圍要求，但能觀察到當前工作面a1～f1并沒有全部達到標準，因此需對該工作面燈具再次實行分點控制。

3.2 燈具分點控制仿真

基于分區控制基礎上，對區域1 燈具①～③進行分點單獨控制。輸入量是工作面a1～f1 檢測點的平均照度值及色溫值，輸出量是燈具①～③的照度及色溫調整值。輸入值及輸出值數據如表3 所示，仿真結果如表4 所示。

表 3 系統分點控制輸入輸出數據Tab. 3 The system controls input and output data by points

表 4 分點仿真計算結果Tab. 4 Points simulation calculation results

可以看出，經過二次分點控制調節，各工作區域的照度、色溫被更準確的調節到了標準值范圍內。調光功能仿真測試的結果驗證了本系統的調光控制可行性。

4 結 語

本文以某郵輪餐廳為研究對象，利用仿真手段建立了空間三維模型場景，通過分析其光環境，總結了出該餐廳的智能照明控制策略。針對該策略設計了一套基于ZigBee 的一套智能照明控制系統方案，規劃了該系統的軟硬件控制流程；利用仿真場景中的計算元件模擬傳感器的位置，獲得了該空間傳感器實際安裝位置。對系統調光功能控制策略進行驗證，以仿真的手段模擬系統數據采集過程，證明了該系統能實現根據當前光環境進行燈光自適應調節功能，使室內工作面始終保持恒照度及恒色溫。本文研究成果為該郵輪餐廳照明系統的智能化設計提供了一種較為新穎且富有較良好參考性的實施方案，也為其他同類艙室的照明系統設計提供了一種新思路。