基于光传感器实现智能化照明控制设计方案

1、 引言

随着科学技术的发展，人们对自身生活水平以及生存环境也有了更高的要求。传统的照明系统因其机械单调的照明方式以及有差别区域亮度等缺陷，已无法满足人们的需求。现阶段出现的各种豪华灯饰，其突出的特点仅仅是为了满足装饰空间和环境的需要，而在均匀照明及保护视力方面考虑不足，更谈不上智能化。

针对传统照明存在的缺陷，本文提出一种智能化的照明系统。这种照明系统可通过模式选取，智能化的调节区域内照度，以满足人们对照明的各种不同需求，增加照明模式并可通过对系统程序的编程改变照明模式。具有无阶跃的光亮度调节方式，使照明区域内的光线更趋于人性化和个性化。

2、 研究方法分析

传统的照明系统之所以有诸多缺点，是与照明系统本身设计有关。在传统的照明系统中，对于室内照度的调节多局限光源处，而对光源输出光通量和室内各点照度的关系分析不足，对光源输出光通量调节的方法研究不足。本文针对上诉不足，在对室内各点照度情况的分析基础上，得出光源光通量与各点照度的关系，结合上述关系给出智能调节的一种方案。

2. 1 智能化照明的实现

为了实现智能化照明，首先应当解决如下问题：

光源应如何分布问题，光传感器的分布如何真实反映室内平均照度问题，实现智能化控制的方案问题，光源光强度如何调整的问题等。

（1） 采光模块分布： 光敏材料在其周围的照度发生变化时，物理量会相应发生改变，故可将亮度转换为电信号。因此，采用光敏材料对该点照度信号进行采集，通过A /D 模块将模拟信号转换为数字信号，以此构成光电传感单元。光源和传感器的分布，须遵循以下原则：

①灯具布置需满足工作、生活需求;②传感单元的分布必须能够真实的反映室内照度;③光源与传感单元之间须无障碍，传感单元的分布位置在满足前一条件的基础上可适当调节。

在满足以上原则的条件下，本设计以点光源分布为例予以说明。光源采用多点均匀分布，传感单元则视室内面积和光源数目而定。如： 在厂房中，作业场所需实现无影作业，因此采用大量光源均匀分布于作业场所上方，为能够真实反映作业场所照度情况，将传感单元均匀分布于作业场所四周和上空; 在室内，为了满足人们各种需求，光源采用多点均匀分布方式，传感单元置于墙体四周。我们以室内光源分布为例予以进一步说明。光源采用3 × 3阵列分布，如图1 所示：

图中M 代表传感器，A 代表光源，将传感器分布于墙体四周，据地面2m 以上同一水平面处。光源成阵列形式分布与顶上天*板，到传感器垂直距离为H，水平距离为D，空间距离为L，夹角为θ。

照度计算： 如图2 所示，设传感单元受光面为S，取其中一个微面元ds; 面元ds 对点光源A 所张的微立体角元为dω，则dω = ds / L2。而点光源A在微立体角元dω 范围内射向被照面N 的光通量dφ，由光强定义可知：

P 为光通传递矩阵，其中Pij表示光源j 到传感器i处的光通传递函数。当我们将光源和传感器分布固定时，P 则为一个固定值。因此我们选择调节光源光强I，实现智能化调光。

2. 2 智能调控方案

由式（8） 我们可以看出，将灯具和传感器分布确定后，光通传递函数固定，要改变传感器各处照度时，需调节光源光强。我们仍以图1 （ a） 图为例进行说明。结合式（ 5 ） ，从图上我们可以看出，光源对传感器的照度影响是以距离和夹角衡量的。

也就是说，距传感器最近的光源对传感器的影响最大，影响的比例是与距离的平方成反比的。以图1 （ a） 为例，传感器所测的数据为M，则：

其中Evi表示传感器i 处所测得照度数据，为了使行列式W 真实反映传感器分布，故在无传感器处以“0”表示。

预先设定照度数据为Wo，则：

式中P 为固定参数，调节ΔEM只能通过调节ΔI。ΔI 的调节，选择使用相关二级调节。所谓相关二级调节，就是指在调节某处照度时，首先将该处照度差值与相邻两处照度差值相关， 找出相关性，再予以调节。为了在程序中容易实现，相关正负关系足以达到设计需求。其次，在调节时，根据相关结果，予以分级调节。以图3 为例，进行说明。

由式3，可知M6处所测的照度数据与L2成反比。故调节时，以M6为圆心，分别以光源距M6距离中最近的二个两个距离为半径画圆。

所谓二级调节，是指调节时，第一级调节也就是重点调节距传感器最近光源，其次第二级调节时依据相关性调节第二个圆所交传感器。举例说明，假设，ΔEM6为负，ΔEM4为正，ΔEM7为负。由于ΔEM6为负，首先增加A7的光强I7，增加量为ΔI7。第二步，将ΔEM6、ΔEM4、ΔEM7相关，可知，第二级时，只增加A8的光强I8，增加量为ΔI8。其增加量关系应为：

2. 3 光源光通量调节控制

目前调节光强的方法主要有两种，一种是调功，一种是调压。本设计采用后者调压的方式。硬件实现上我们采用将市电通过整流电路转换为直流电流，后将直流电流通过逆变电路转化为交流电供光源使用。我们通过控制逆变电路实现对电压的控制。该部分很多资料已涉及，故不是本文讨论重点。

对其电压的控制量变化，是通过软件设计是实现的。将正弦波等分为256 份，将一份作为一个调节因子，调节过程中，依据逻辑运算单元得出的数据乘以调节因子，并对逆变电路实施控制，从而达到调节光源光通量的目的。

3 、智能照明系统方案

依据以上理论计算分析，为了实现照明系统的智能化控制目标并使照明系统光照均匀稳定，本系统采用闭合反馈的方式来实现光照度的自动调节。

3. 1 方案原理

为了对室内各处照度，进行实时监控，因此采用如文中的“2. 1 智能化照明的实现”中的（1 ）处提及的分布，使用传感器进行实时照度采集。将采集到数据通过智能控制单元，予以实时控制，其原理如图4 所示：

上图仅以一路信号说明处理情况，其余各路处理方式与此路相同。我们首先使用传感器将光信号采样成8 位256 级的数字电信号，由低到高分别表示光线由暗到明。将光亮度分为256 级，首先是由于数字信号在后续处理中较为方便， 其次是因为256 个级别在人的感知中是一个连续渐变的过程，不会产生跳跃的亮度差。之后将连续采集到的N 组数据进行叠加，把叠加得到的数据送入逻辑判决，得到差异化数据。调整控制单元将这些差异化数据分析并执行相应子程序，得到执行调节单元所需信号。调节控制单元将得到的控制参数输出给执行控制单元。

3. 2 方案实现

本系统由中央处理单元、采样单元、控制单元、电源管理单元和人机输入单元4 个单元组成。该系统可以智能的调节区域性的光照度，克服了上文提及的传统照明系统的缺点。具体设计如图5 所示：

光信号采样单元，主要完成的是将光信号转换为可供单片机识别的数字电信号。该单元以光敏电阻为核心，配以外围电路。光照度通过光敏电阻转换为连续的电流信号，在通过A /D 将电信号转为8位宽度的数字信号，供后续电路的处理。

ZigBee 无线传输单元，主要完成的是将中央处理单元与采样单元、控制单元之间的数据传输。采用ZigBee 无线网络传输信号的优点一是当采样单元过多时，省去了系统过多的繁杂布线，使环境美观整齐; 优点二是有利于控制面积的增加; 优点三是借助ZigBee 超强的可扩展性，可以很方便的通过ZigBee 的节点并入更多的控制系统，实现系统的纵向扩展。

中央处理单元，主要完成的是将采样得到的数据与系统设定数值进行逻辑运算，输出控制单元所需数据。该单元主要由80C51 构成，以C 语言基础完成控制算法，实现逻辑控制。采用单片机构成的中央处理单元可以灵活的改变系统照明方式，还可通过修改程序提高系统的生命力。我们将设定的照度数据存储与外部RAM 中， 让单片机访问外部RAM 来修改程序中的系统变量。

人机输入单元，是为了实现人工可调照度及工作模式而设置的。通过按键改变系统的变量，将输入的数据存储于外部RAM 中， 并以中断的工作模式介入主程序的运行，实现工作模式的改变。

电源管理模块，为各个单元提供所需电压，保证系统的正常稳定的运行。

4 、软件实现

该系统软件设计部分主要分为两个部分： 照明模式选设和逻辑调光。照明模式选取，也就是建立照明模式的过程。在用户选设（ 即可选择系统所存储照明模式，也可自行设定照明模式） 照明模式后，系统根据照明灯具和传感器分布情况，建立照明模型。依据照明模型，设定照度矩阵行列式，将所设定的数据作为逻辑调光的参数， 存储于外部RAM 中。逻辑调光部分，将外部采样得到的数据与设定的参数做逻辑运算，依据上文中提及到的智能调控方案，施行二级调控，以达到用户要求。

系统软件流程主要分为三部分程序组成： 主程序、中断程序、调控子程序。主程序流程如图6 所示：

主程序是一个无限循环的程序。开机后，系统首先进行初始化，并读取外部RAM 中的上次存储的模式设置参数。在判断得知用户无需修改照明模式后，读取传感器所得数据，将此数据与所设参数做逻辑运算。得出结果后，进行分级调控。首先进行第一级调控，对整体光源光通进行初次调整。将调整后的照度数据进行相关处理，实施第二级调控，局部光源的微调。此时在数据计算上的精度要求应大于第一级调控时所需的数据精度。

中断程序主要是处理人机交互信息。用户通过中断程序将选取的模式信息告知系统，系统予以处理。

调控子程序主要完成对所要控制光源进行参数修正。依据逻辑相关出来的信息，调控子程序顺序的输出光源调整因子，调节光通。第一级调控子程序作为初调，其调节幅度略大于第二级调控子程序调节的幅度。

5、 结束语

本文通过对照度信息的分析，得出光通对照度的影响，并提出分级调光的方案，给出了实现原理。在调光系统中引入了智能控制的概念，构建了以80C51单片机为核心的智能控制单元，给出了一套智能控制算法。与传统的控制方法相比，本控制方法具有照明模式丰富、可扩展性强、人机交互性好等特点。

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