超人因照明的自適應智能照明控制系統的設計

摘要：為解決照明控制系統不夠人性化的問題，提出超人因照明的自適應照明控制系統的設計。此系統的設計充分融合現代物聯網技術、人工智能技術，讓系統具備學習功能，自動感應人體行為，自適應轉換區域亮度。借助傳感器技術和智能技術設計出來的照明控制系統，可以適應環境實現自動調節，滿足人體個性化的需求。基于超人因照明的自適應照明控制系統是先進的智能照明體系，可在市場上推廣使用。

關鍵詞：超人因照明智能照明控制系統物聯網傳感器自適應

中圖分類號：TM92

DesignofAdaptiveIntelligentLightingControlSystemBasedonSuperHumanCentricLighting

CAILijun

NingboSnappyOptoelectronicsCo.，Ltd.，NingboCity，ZhejiangProvince，315048China

Abstract：Inordertosolvetheproblemofinsufficienthumanizationinlightingcontrolsystem，adesignofadaptivelightingcontrolsystemforsuperhumancentriclightingisproposed.ThedesignofthesystemfullyintegratesmodernInternetofThingstechnologyandArtificialIntelligencetechnology，enablingthesystemtoobtainthelearningfunction，automaticallysenseshumanbehavior，andadaptivelyconvertareabrightness.Thelighting&nbSwmyM7OV316nyXahzoPBQQ==sp;controlsystemdesignedbysensortechnologyandintelligenttechnologycanadapttotheenvironmenttoachieveautomaticadjustmentandmeettheindividualneedsofthehumanbody.Theadaptivelightingcontrolsystembasedonsuperhumancentriclightingisanadvancedintelligentlightingsystem，whichcanbepromotedandusedinthemarket.

KeyWords：Superhumancentriclighting;Intelligentlightingcontrolsystem;InternetofThings;Sensors;Adaptive

在智能時代，智能感應成為主要趨勢，因此圍繞人的體驗的智能化研究成為主流，在研制與開發當中，以人的行為、視覺功效、視覺生理為基礎，在現代技術支持下開發出具備科技含量的舒適的智能照明系統。隨著LED照明的發展，基于超人因照明的自適應照明控制系統設計從視覺角度對光源的品質提出更高的要求，并且也從非視覺角度考慮光對人類產生的影響。

1智能照明系統的設計

1.1背景技術

現代社會背景下，人因照明技術逐漸被越來越多人重視，由于燈光亮度和色溫的變化會給人直接的感受，進而影響人的視力、工作效率，影響到人體的情緒等。目前市場上采用的是人因照明系統，這種系統最經典的是一種基于時間控制的人體節律照明系統。其可以在不同的時間段自動調節LED照明的亮度和色溫，可以給人們提供科學、健康的照明環境，進而給人們更舒適的感受；更關鍵在于這種設計方式可以實現節能、降低能耗的目標，給人們提供舒適的感受。但這種設計只是在表面上按照既定編程來工作，當外界環境產生變化之后，系統并沒有自動的判斷能力，不能及時判斷、預知環境，無法及時適應新的環境。因此，在時間的人體節律照明系統的基礎上，出現了組合的控制系統，創新出諸多的智能照明體系，如基于時間和光照度傳感器的組合控制方式。該系統是根據外部光照環境的改變來實現自動調節系統，從而適應環境的亮度，整體的反應效率也很高。但這種系統的設計忽視了人自身的習慣，比如有人并不適應早起、有人并不喜歡暖光等。這些差異的客觀存在十分普遍，如女性的生理周期、生育期間之內，時間是不同的，但是如果沒有個性化的人因照明系統支持，也就很難實現個性化的控制[1]。

1.2智能照明系統研發現狀

現階段市面上出現諸多的超人因照明系統，系統種類差別較大，功能也各異。其中最具有代表性的是一種基于大數據模型的照明系統。這種系統通過獲得用戶的生理信息，根據大數據算法模型，打造基于用戶的個性化的超人因照明系統。這種系統的設計十分人性化，充分考慮了人體節律和用戶習慣。但也存在局限，主要體現在以下幾個方面。

（1）技術門檻很高。這是因為這種系統的設計需要與大數據結合，構建大數據模型。而構建之前，需要海量的數據樣本，只有經過模擬才可以確定樣本合理。這直接關系到模型的準確性。

（2）只能錄入一個用戶的信息。這是因為當更換了用戶，系統需要重新獲取用戶的生理信息，再根據大數據算法模型打造一個新的超人因照明系統。如果多個用戶同時使用時，系統就會以錄入信息的用戶習慣為準，不能自動“分辨”出誰使用得更頻繁，所以如果錄入信息的用戶不再使用了，系統也不能實現自動切換，十分笨拙。

為設計出適合用戶習慣、能夠自動“分辨”用戶喜好的智能照明系統，筆者設計出一款自適應照明系統。該系統充分利用現代化物聯網、傳感器等先進技術，融合現代化技術進行設計。

2超人因照明系統的設計需求分析

本項目設計的自適應照明系統，綜合考慮了人體節律，同時借助傳感器數據和用戶習慣，可以給用戶打造私人、人性化的體驗，滿足用戶的個性化需求。系統在設計上是依據大數據模型推導，其并不需要搜集海量的數據，而是后天學習、適應的過程，通過本地強化學習的功能，在與外界環境不斷接觸的過程中，模仿、分析、捕捉用戶的行為習慣。這種設計就打破傳統的設計格局，當用戶在更換以后，系統只需要和新用戶不斷地交互對話，只需要很短的時間就可以判斷出用戶的喜好，可以綜合輸出人體的生活規律，找到新用戶的習慣，并且將光調節成用戶習慣的亮度、色溫[2]。

3超人因照明系統的設計

3.1系統設計

系統組成模塊由時間模塊、應用場景、傳感器模塊、控制面板、LED照明設備和自適應控制系統組成，如圖1所示。

系統的功能運行流程是：檢測到有人→獲取當前的時間→獲取當前場景的Q值→讀取當前的亮度與色溫→檢測當前的亮度并且進行調節→PWM控制LED設備實現調節。系統通過微波雷達人體傳感器，檢測到有人，然后獲取到當前時間的Q值表，讀取最大概率P值對應的亮度值和色溫值，通過照度傳感器的反饋值，向上或向下調節LED照明設備的PWM值，達到恒照度照明。

系統在調節與學習的時候，運行過程是：用戶調節亮度和色溫→獲取當前的時間與場景→用戶操作、系統學習→強化學習→更新Q值。學習功能的實現，用戶可以通過控制面板可以對LED照明設備進行調節控制，當前調節值保持10min以上的運行，視為用戶有效操作。系統獲取當前的時間和場景，在判斷用戶操作有效時更新Q值表。

在設計上，為了方便系統Q值表的建立和使用，把時間分成若干段。時間的分段處理：時間按每30min的間隔進行劃分，T1代表0點至0.5點時間段，T2代表0.5點至1點時間段，T47代表23點至23.5點時間段，T48代表23.5點至24點時間段。LED照明設備把PWM調節的亮度和色溫也分成了若干段，照明亮度按5%的梯度進行劃分，為20個等級，B1代表0～5%亮度段，B2代表5%～10%的亮度段，色溫的取值范圍是2700～6500K，即mirek的取值范圍是154～370，先采用歸一化處理，使得mirek的取值范圍是0～216。按每10個mirek值進行劃分，為22個等級，M1代表0～10，M2代表10～20。

Q矩陣表示不同時間段的各種狀態下，用戶做了某種行為后自己給打的分的累積，也就是將用戶行為數據化。在學習型中，一開始由于用戶還沒有手動調節過LED照明設備，所以Q矩陣的初始值是基本型系統的數據。

圖2是時間-亮度的Q矩陣表，矩陣值是概率值。當用戶通過界面進行控制LED設備時，判斷行為有效時，得到一個積極的反饋，把當前時間段和亮度段對應的概率值+1。需要注意的是，當有概率值達到100時，進行同比例縮小運算。系統在進行自適應調光時，根據當前時間段，查詢到Q矩陣表中對應的最大概率P值，讀到P值對應的亮度值B，取中間值作為PWM輸出值。

3.2系統功能

3.2.1傳感器模塊

傳感器模塊分為兩類。一類是微波雷達人體傳感器，這種傳感器是檢測人員的信息，當人與設備產生互動的時候，系統會根據需求啟動，系統感應到人離開區域之后，系統就會自動關閉。在智慧物聯網實現的過程中，微波雷達人體傳感器可以檢測到人的行動。目前市場上出現的全球首個可探測呼吸的5.8GHz微波雷達存在感應SoC芯片AT58MP1T1RS32A，簡稱AT5820，是由隔空智能科技公司研制出來的。AT5820實現高度集成，有32位MCU，既可以處理雷達信號，也可以取代部分上位機。AT5820可以在人體運動偵測的時候檢測到人體的動作和呼吸信號，真實感應到人體的存在。另外一種是光照度傳感器。這種主要是檢測區域環境的光照度，如果光線很亮，則系統會自動調節LED設備，降低光線的明度，反之亦然。這種設計可以讓當前環境的光照度始終保持一個舒適的狀態，給人們提供舒適的居住環境[3]。

3.2.2時間模塊

系統的時間模塊可以支持時間參數，將時間劃分成不同的參數，分成不同段，通常是按照每30min的間隔進行一次照度和色溫的更新。在照明設備中，可以將PWM調節的溫度、色溫分成不同段，在設計上，將亮度和照度按5%的梯度進行劃分，可劃分為20個等級，也可以將其按照10個mirek值進行劃分。

3.2.3自適應調節

智能系統還可以根據不同場景來調節光照情況，如教室、醫院等不同的場景對調光曲線的要求是不一樣的，本系統會預存各個應用場景下的T-Q曲線表，根據環境來進行調節。用戶在使用的時候，可通過控制面板控制照明系統，自由調節適合自己的亮度和色溫。自動調節的時候可以根據自己的喜好，選擇概率最大的亮度值、色溫值，將其調整到用戶喜好的溫度范圍之內[4]。基于超人因照明的自適應照明控制系統，為滿足用戶的個人需求，在設計上更個性化。例如：傳感器可智能搜集各種信息，用戶可通過控制面板來進行操作[5]。又如：用戶想調節室內光的溫度與色度，可以通過控制界面f5b3829fa3b9402d9d7a573f21ad22300ad30bb3ffd1cce92c8c63fc183c4978來進行調節，智能界面可以直接調節光的顏色。使用時，時間段顯示灰色；當系統進入下一個時間段，會把最后一次的亮度、色8016f19e35c9133833eeb76c52dfca7229232a479cfe6b52c8c07255f4435774溫進行保存。當進入下一個時間段之后，界面會顯示綠色，此時的界面是自適應調光，是適合當前環境的最佳色溫、亮度，是新的參數值。

3.2.4滿足個性化需求

根據不同的需求設計出不同的功能，比如學習功能、基本功能，甚至有應用場景、設置參數等功能，在設計上十分智能?；拘褪侵脯F階段的系統根據傳感器的數據、時間、人體節律所設計出來的T-Q值，這種數值可以實現自動控制LED，這就是很具體的人因照明系統案例。學習型是在系統的基礎上，加入學習的功能，系統在不斷學習的過程中逐步掌握用戶的行為習慣，了解用戶的照明習慣。應用場景的功能會根據用戶的需求不斷升級，會出現新的場景曲線，滿足更多場合的需求。重置功能可以滿足用戶的不同需求，用戶的環境、行為改變，或者是更換用戶，都可以選擇這個功能。該功能可以清除用戶的所有習慣性參數；如果是新用戶，可以不使用這個功能，智能系統只需要不斷學習，在很短的時間內也可以很快適應新用戶的習慣，滿足用戶的個性化需求。

4結語

綜上所述，基于智能照明系統的智能技術，在LED照明中發揮了智能調節的作用，可以為人們營造舒適、智能的環境。文章簡要論述技術研發背景，闡述智能調控技術實現的關鍵技術，最后討論該技術的市場功能實現趨勢。當前市場關于這方面的研制較多，可在一定程度上滿足市場需求，未來將會有更多先進技術融入照明系統中，滿足人們個性化的需求。

參考文獻

[1]趙曉雪.基于室內人員分布的光環境建模和智能優化[D].濟南：山東師范大學，2022.

[2]冀心成.數據驅動的建筑室內光環境建模與優化調度[D].濟南：山東建筑大學，2023.

[3]李雙.基于人因照明的城市廣場空間照明策略研究[J].光源與照明，2023（3）：10-12.

[4]劉博，李天宇，蘇航，等.面向適人性的空間站光環境與人因照明研究[J].載人航天，2023，29（3）：309-316.

[5]陳荃，臧鋒.淺議基于人因工程學的城市道路照明評價體系研究[J].照明工程學報，2023，34（4）：99-102.