1、 引言

隨著科學技術的發展，人們對自身生活水平以及生存環境也有了更高的要求。傳統的照明系統因其機械單調的照明方式以及有差別區域亮度等缺陷，已無法滿足人們的需求。現階段出現的各種豪華燈飾，其突出的特點僅僅是為了滿足裝飾空間和環境的需要，而在均勻照明及保護視力方面考慮不足，更談不上智能化。

針對傳統照明存在的缺陷，本文提出一種智能化的照明系統。這種照明系統可通過模式選取，智能化的調節區域內照度，以滿足人們對照明的各種不同需求，增加照明模式并可通過對系統程序的編程改變照明模式。具有無階躍的光亮度調節方式，使照明區域內的光線更趨于人性化和個性化。

2、 研究方法分析

傳統的照明系統之所以有諸多缺點，是與照明系統本身設計有關。在傳統的照明系統中，對于室內照度的調節多局限光源處，而對光源輸出光通量和室內各點照度的關系分析不足，對光源輸出光通量調節的方法研究不足。本文針對上訴不足，在對室內各點照度情況的分析基礎上，得出光源光通量與各點照度的關系，結合上述關系給出智能調節的一種方案。

2. 1 智能化照明的實現

為了實現智能化照明，首先應當解決如下問題：

光源應如何分布問題，光傳感器的分布如何真實反映室內平均照度問題，實現智能化控制的方案問題，光源光強度如何調整的問題等。

（1） 采光模塊分布： 光敏材料在其周圍的照度發生變化時，物理量會相應發生改變，故可將亮度轉換為電信號。因此，采用光敏材料對該點照度信號進行采集，通過A /D 模塊將模擬信號轉換為數字信號，以此構成光電傳感單元。光源和傳感器的分布，須遵循以下原則：

①燈具布置需滿足工作、生活需求;②傳感單元的分布必須能夠真實的反映室內照度;③光源與傳感單元之間須無障礙，傳感單元的分布位置在滿足前一條件的基礎上可適當調節。

在滿足以上原則的條件下，本設計以點光源分布為例予以說明。光源采用多點均勻分布，傳感單元則視室內面積和光源數目而定。如： 在廠房中，作業場所需實現無影作業，因此采用大量光源均勻分布于作業場所上方，為能夠真實反映作業場所照度情況，將傳感單元均勻分布于作業場所四周和上空; 在室內，為了滿足人們各種需求，光源采用多點均勻分布方式，傳感單元置于墻體四周。我們以室內光源分布為例予以進一步說明。光源采用3 × 3陣列分布，如圖1 所示：

圖中M 代表傳感器，A 代表光源，將傳感器分布于墻體四周，據地面2m 以上同一水平面處。光源成陣列形式分布與頂上天*板，到傳感器垂直距離為H，水平距離為D，空間距離為L，夾角為θ。

照度計算： 如圖2 所示，設傳感單元受光面為S，取其中一個微面元ds; 面元ds 對點光源A 所張的微立體角元為dω，則dω = ds / L2。而點光源A在微立體角元dω 范圍內射向被照面N 的光通量dφ，由光強定義可知：

P 為光通傳遞矩陣，其中Pij表示光源j 到傳感器i處的光通傳遞函數。當我們將光源和傳感器分布固定時，P 則為一個固定值。因此我們選擇調節光源光強I，實現智能化調光。

2. 2 智能調控方案

由式（8） 我們可以看出，將燈具和傳感器分布確定后，光通傳遞函數固定，要改變傳感器各處照度時，需調節光源光強。我們仍以圖1 （ a） 圖為例進行說明。結合式（ 5 ） ，從圖上我們可以看出，光源對傳感器的照度影響是以距離和夾角衡量的。

也就是說，距傳感器最近的光源對傳感器的影響最大，影響的比例是與距離的平方成反比的。以圖1 （ a） 為例，傳感器所測的數據為M，則：

其中Evi表示傳感器i 處所測得照度數據，為了使行列式W 真實反映傳感器分布，故在無傳感器處以“0”表示。

預先設定照度數據為Wo，則：

式中P 為固定參數，調節ΔEM只能通過調節ΔI。ΔI 的調節，選擇使用相關二級調節。所謂相關二級調節，就是指在調節某處照度時，首先將該處照度差值與相鄰兩處照度差值相關， 找出相關性，再予以調節。為了在程序中容易實現，相關正負關系足以達到設計需求。其次，在調節時，根據相關結果，予以分級調節。以圖3 為例，進行說明。

由式3，可知M6處所測的照度數據與L2成反比。故調節時，以M6為圓心，分別以光源距M6距離中最近的二個兩個距離為半徑畫圓。

所謂二級調節，是指調節時，第一級調節也就是重點調節距傳感器最近光源，其次第二級調節時依據相關性調節第二個圓所交傳感器。舉例說明，假設，ΔEM6為負，ΔEM4為正，ΔEM7為負。由于ΔEM6為負，首先增加A7的光強I7，增加量為ΔI7。第二步，將ΔEM6、ΔEM4、ΔEM7相關，可知，第二級時，只增加A8的光強I8，增加量為ΔI8。其增加量關系應為：

2. 3 光源光通量調節控制

目前調節光強的方法主要有兩種，一種是調功，一種是調壓。本設計采用后者調壓的方式。硬件實現上我們采用將市電通過整流電路轉換為直流電流，后將直流電流通過逆變電路轉化為交流電供光源使用。我們通過控制逆變電路實現對電壓的控制。該部分很多資料已涉及，故不是本文討論重點。

對其電壓的控制量變化，是通過軟件設計是實現的。將正弦波等分為256 份，將一份作為一個調節因子，調節過程中，依據邏輯運算單元得出的數據乘以調節因子，并對逆變電路實施控制，從而達到調節光源光通量的目的。

3 、智能照明系統方案

依據以上理論計算分析，為了實現照明系統的智能化控制目標并使照明系統光照均勻穩定，本系統采用閉合反饋的方式來實現光照度的自動調節。

3. 1 方案原理

為了對室內各處照度，進行實時監控，因此采用如文中的“2. 1 智能化照明的實現”中的（1 ）處提及的分布，使用傳感器進行實時照度采集。將采集到數據通過智能控制單元，予以實時控制，其原理如圖4 所示：

上圖僅以一路信號說明處理情況，其余各路處理方式與此路相同。我們首先使用傳感器將光信號采樣成8 位256 級的數字電信號，由低到高分別表示光線由暗到明。將光亮度分為256 級，首先是由于數字信號在后續處理中較為方便， 其次是因為256 個級別在人的感知中是一個連續漸變的過程，不會產生跳躍的亮度差。之后將連續采集到的N 組數據進行疊加，把疊加得到的數據送入邏輯判決，得到差異化數據。調整控制單元將這些差異化數據分析并執行相應子程序，得到執行調節單元所需信號。調節控制單元將得到的控制參數輸出給執行控制單元。

3. 2 方案實現

本系統由中央處理單元、采樣單元、控制單元、電源管理單元和人機輸入單元4 個單元組成。該系統可以智能的調節區域性的光照度，克服了上文提及的傳統照明系統的缺點。具體設計如圖5 所示：

光信號采樣單元，主要完成的是將光信號轉換為可供單片機識別的數字電信號。該單元以光敏電阻為核心，配以外圍電路。光照度通過光敏電阻轉換為連續的電流信號，在通過A /D 將電信號轉為8位寬度的數字信號，供后續電路的處理。

ZigBee 無線傳輸單元，主要完成的是將中央處理單元與采樣單元、控制單元之間的數據傳輸。采用ZigBee 無線網絡傳輸信號的優點一是當采樣單元過多時，省去了系統過多的繁雜布線，使環境美觀整齊; 優點二是有利于控制面積的增加; 優點三是借助ZigBee 超強的可擴展性，可以很方便的通過ZigBee 的節點并入更多的控制系統，實現系統的縱向擴展。

中央處理單元，主要完成的是將采樣得到的數據與系統設定數值進行邏輯運算，輸出控制單元所需數據。該單元主要由80C51 構成，以C 語言基礎完成控制算法，實現邏輯控制。采用單片機構成的中央處理單元可以靈活的改變系統照明方式，還可通過修改程序提高系統的生命力。我們將設定的照度數據存儲與外部RAM 中， 讓單片機訪問外部RAM 來修改程序中的系統變量。

人機輸入單元，是為了實現人工可調照度及工作模式而設置的。通過按鍵改變系統的變量，將輸入的數據存儲于外部RAM 中， 并以中斷的工作模式介入主程序的運行，實現工作模式的改變。

電源管理模塊，為各個單元提供所需電壓，保證系統的正常穩定的運行。

4 、軟件實現

該系統軟件設計部分主要分為兩個部分： 照明模式選設和邏輯調光。照明模式選取，也就是建立照明模式的過程。在用戶選設（ 即可選擇系統所存儲照明模式，也可自行設定照明模式） 照明模式后，系統根據照明燈具和傳感器分布情況，建立照明模型。依據照明模型，設定照度矩陣行列式，將所設定的數據作為邏輯調光的參數， 存儲于外部RAM 中。邏輯調光部分，將外部采樣得到的數據與設定的參數做邏輯運算，依據上文中提及到的智能調控方案，施行二級調控，以達到用戶要求。

系統軟件流程主要分為三部分程序組成： 主程序、中斷程序、調控子程序。主程序流程如圖6 所示：

主程序是一個無限循環的程序。開機后，系統首先進行初始化，并讀取外部RAM 中的上次存儲的模式設置參數。在判斷得知用戶無需修改照明模式后，讀取傳感器所得數據，將此數據與所設參數做邏輯運算。得出結果后，進行分級調控。首先進行第一級調控，對整體光源光通進行初次調整。將調整后的照度數據進行相關處理，實施第二級調控，局部光源的微調。此時在數據計算上的精度要求應大于第一級調控時所需的數據精度。

中斷程序主要是處理人機交互信息。用戶通過中斷程序將選取的模式信息告知系統，系統予以處理。

調控子程序主要完成對所要控制光源進行參數修正。依據邏輯相關出來的信息，調控子程序順序的輸出光源調整因子，調節光通。第一級調控子程序作為初調，其調節幅度略大于第二級調控子程序調節的幅度。

5、 結束語

本文通過對照度信息的分析，得出光通對照度的影響，并提出分級調光的方案，給出了實現原理。在調光系統中引入了智能控制的概念，構建了以80C51單片機為核心的智能控制單元，給出了一套智能控制算法。與傳統的控制方法相比，本控制方法具有照明模式豐富、可擴展性強、人機交互性好等特點。

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