李 奇

華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074

0 引 言

LED照明具有環(huán)保、節(jié)能等特性，是新一代綠色照明光源，已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而LED智能照明系統(tǒng)已被應(yīng)用于酒店、辦公樓、學(xué)校等各種場(chǎng)所，智能照明系統(tǒng)需要根據(jù)環(huán)境變化進(jìn)行自適應(yīng)控制，在人群集中，且長(zhǎng)時(shí)間工作場(chǎng)所，對(duì)視覺(jué)行為、視覺(jué)舒適、視覺(jué)環(huán)境有著較高的要求，不合理的照明設(shè)計(jì)可能會(huì)造成健康損傷［1］.

目前的智能照明在控制方面還存在獨(dú)立性與盲目性的不足.在光強(qiáng)、色溫、照度調(diào)節(jié)乃至照明顏色等方面不能根據(jù)實(shí)際需求實(shí)時(shí)合理地調(diào)控.為了彌補(bǔ)這一不足，本文設(shè)計(jì)了一種采用照度等多參數(shù)檢測(cè)方案，實(shí)時(shí)反饋場(chǎng)景的相關(guān)聯(lián)區(qū)域照明狀態(tài)，作出及時(shí)判斷并調(diào)整的新型智能照明系統(tǒng).在實(shí)現(xiàn)各個(gè)場(chǎng)景模式智能切換的同時(shí)，燈光控制方面也實(shí)現(xiàn)了根據(jù)具體需求，有目的性地準(zhǔn)確控制，提高照明系統(tǒng)智能化程度.并以多媒體會(huì)議室為例，通過(guò)分析光源分布、照明需求，對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行照度檢測(cè)與照明控制，驗(yàn)證了系統(tǒng)的合理性［2－3］.

1 多參數(shù)檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)照明功能要求，確定各區(qū)域照明具體參數(shù)，通過(guò)人體紅外傳感器以及投影儀信號(hào)進(jìn)行照明模式智能切換，然后通過(guò)照度傳感器反饋，系統(tǒng)調(diào)整控制信號(hào)，達(dá)到相應(yīng)照明要求.

1．1 照明實(shí)例

以多媒體會(huì)議室照明為例，會(huì)議室長(zhǎng)寬分別為9m 和 4m，層高為 3．2m，布置有 6個(gè) 50W LED泛光燈，單光光源通量為：4 000 lm，以及一個(gè)30W LED射燈，安裝高度均為3m，桌面距離地面0．75m，光源距離桌面2．25m.多媒體會(huì)議室燈光分布如圖1所示，照明功率密度為10W/m2，平均照度300 lx，符合國(guó)家建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［4］的要求.

多媒體會(huì)議室分為4個(gè)照明區(qū)域，區(qū)域Ⅰ為靠近窗戶(hù)會(huì)場(chǎng)區(qū)域，區(qū)域Ⅱ?yàn)檫h(yuǎn)離窗戶(hù)會(huì)場(chǎng)區(qū)域，均采用泛光燈均勻照明，區(qū)域Ⅲ為演示臺(tái)區(qū)域，采用射燈進(jìn)行局部照明，區(qū)域Ⅳ為投影儀區(qū)域，不需要照明，但會(huì)檢測(cè)投影儀亮度.在控制的過(guò)程中，將對(duì)不同區(qū)域的照明要求進(jìn)行區(qū)別控制，使各區(qū)域均達(dá)到各自預(yù)想的照明環(huán)境.

圖1 會(huì)議室燈光分布圖Fig．1 Light distribution ofmeeting room

1．2 照度檢測(cè)

照明需求可分為三類(lèi)：（1）低照度照明．在演示模式中，會(huì)議室應(yīng)采取低照度照明方式以配合投影儀演示，為了同時(shí)滿(mǎn)足會(huì)議桌上的閱讀要求，可設(shè)置為最低閱讀照度要求為75 lx．（2）中等照度照明．在討論模式中，會(huì)議室的亮度應(yīng)該提高至?xí)h室照度標(biāo)準(zhǔn)值，即200 lx，以滿(mǎn)足討論、記錄等活動(dòng)的照明需求．（3）高照度照明．在進(jìn)退場(chǎng)時(shí)，為了方便安排、簽到，會(huì)議室照度應(yīng)該盡可能達(dá)到最亮，根據(jù)照明條件設(shè)定為 300 lx［5］．

進(jìn)行室內(nèi)照明時(shí)，應(yīng)同時(shí)計(jì)入照明器直射照度與墻面反射照度．平面的閉合空間，光源S與墻面AJ與工作表面AK上微元面d AJ、d AK所在位置關(guān)系如圖2所示．

圖2 墻面與工作表面關(guān)系示意圖Fig．2 Diagram ofmetope and work surface

根據(jù)照度定義與光通傳遞理論，可推導(dǎo)出當(dāng)空間內(nèi)存在人工照明，并且光源位置固定時(shí)，任意兩點(diǎn)的照度均成比例關(guān)系，AJ與AK面上照度傳遞比K不會(huì)隨著光源照度的變化而變化［6］．根據(jù)這一模型，可以通過(guò)照度傳感器測(cè)量墻面?zhèn)鞲衅髡斩茸兓喀K，對(duì)工作表面照度變化量ΔEJ進(jìn)行推算，然后對(duì)LED光源進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使工作表面照度達(dá)到預(yù)期值，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明的準(zhǔn)確控制．照度變化推算公式為：

式（1）中：K 為理想傳遞比；Ek為墻壁表面照度，lx；EJ為工作表面照度，lx；η為誤差范圍；E1為配光曲線(xiàn)d AJ方向照度，lx；E2為配光曲線(xiàn)d AK方向照度，lx；rx為光源與傳感器水平距離，m；ry為光源與傳感器垂直距離，m；h為光源安裝高度，m．

影響K值的主要因素為：照度傳感器設(shè)置高度與相對(duì)光源的水平距離．

如圖1所示，三個(gè)照度傳感器分別安裝在墻上，檢測(cè)區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ照度變化．為防止人員對(duì)傳感器進(jìn)行干擾，應(yīng)安裝在墻上較高的位置，距離地面2m，根據(jù)會(huì)議室燈光分布圖，距離最近光源水平距離 1．2m．可取傳遞比 K＝0．34．根據(jù)計(jì)算，低照度照明、中等照度照明、高照度照明時(shí)照度傳感器參考值分別為 25．5 lx、68 lx、102 lx．因?yàn)?10 lx 的變化對(duì)人眼并不會(huì)有明顯影響，取誤差范圍為10%，得到參考區(qū)間分別為 23～28 lx，62～74 lx，92 lx以上．在相應(yīng)模式下，若照度傳感器反饋值在參考區(qū)間內(nèi)，便可認(rèn)為已達(dá)到照度要求，無(wú)需進(jìn)一步調(diào)控［7］．

1．3 系統(tǒng)流程

根據(jù)一般會(huì)議流程，可將照明分為以下幾種模式：進(jìn)退場(chǎng)模式、演示模式、討論模式、休息模式、關(guān)燈模式．隨會(huì)議流程安排，操作模式流程如下：

（1）進(jìn)退場(chǎng)時(shí)，通過(guò)控制面板開(kāi)啟進(jìn)退場(chǎng)模式，會(huì)議室區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均為高亮照度模式．1、2、3號(hào)傳感器參考范圍為92 lx以上．

（2）當(dāng)投影儀開(kāi)啟并在人體紅外傳感器檢測(cè)到人體時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)控制面板自動(dòng)啟動(dòng)演示模式．演示模式除了調(diào)光模式之外，會(huì)有定時(shí)限制，時(shí)間快結(jié)束時(shí)會(huì)對(duì)演示者進(jìn)行提醒．區(qū)域Ⅰ、Ⅱ?yàn)榈驼斩饶Ｊ?，光照條件可以實(shí)現(xiàn)基本閱讀，1、2號(hào)傳感器參考范圍為23～28 lx，區(qū)域Ⅲ為中照度模式，3號(hào)傳感器參考范圍為62～74 lx．當(dāng)LED控制信號(hào)為0依然達(dá)高于照度要求時(shí)，電動(dòng)窗簾關(guān)閉．演示結(jié)束后，可通過(guò)控制面板切換為討論模式，也可以在定時(shí)結(jié)束時(shí)自動(dòng)切換為討論模式．

（3）討論時(shí)，區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均為中等照明模式．1、2、3 號(hào)傳感器參考范圍為 62～74 lx．

（4）當(dāng)投影儀關(guān)閉時(shí)，控制面板調(diào)整為休息模式．休息完畢后可通過(guò)控制面板開(kāi)始演示模式．區(qū)域Ⅲ低照度照明，區(qū)域Ⅰ、Ⅱ中等照度模式．3號(hào)傳感器參考范圍為23～28 lx，1、2號(hào)傳感器的參考范圍為 62～74 lx．

（5）手動(dòng)切換關(guān)燈模式時(shí)，所有區(qū)域LED燈關(guān)閉．

系統(tǒng)控制流程圖如圖3所示．

圖3 系統(tǒng)控制流程圖Fig．3 Flow chart of system control

1．4 控制仿真結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)中各光源位置與亮度關(guān)系，利用DIALux仿真軟件，對(duì)工作平面照度分布進(jìn)行了仿真.根據(jù)燈具設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)照明功率密度與平均照度的推算，進(jìn)退場(chǎng)時(shí)可以滿(mǎn)足照度要求，同時(shí)關(guān)燈模式也不需要對(duì)照明進(jìn)行仿真計(jì)算.所以，主要針對(duì)演示模式、討論模式、休息模式進(jìn)行建模仿真.仿真結(jié)果如圖4所示.

演示模式中，各個(gè)工作區(qū)域照度如圖4所示.橫縱坐標(biāo)代表場(chǎng)景長(zhǎng)、寬尺寸，色階深度代表對(duì)應(yīng)照度范圍.根據(jù)調(diào)控區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的LED回路控制信號(hào)占空比分別為20%、20%、70%，平均照度為75．6 lx、70．2 lx、221．5 lx.討論模式中，控區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的LED回路控制信號(hào)占空比分別為40%、40%、50%，平均照度為 210．7 lx、194．3 lx、312．3 lx.休息模式中，控區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的LED回路控制信號(hào)占空比分別為60%、60%、10%，平均照度為256．9 lx、286．7 lx、142．1 lx.在各個(gè)模式下，區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ工作表面照度均在誤差范圍之內(nèi).根據(jù)仿真結(jié)果顯示，在各模式下，智能照明控制系統(tǒng)到達(dá)了對(duì)場(chǎng)景內(nèi)各區(qū)域的照明設(shè)計(jì)要求.

圖4 室內(nèi)工作面灰階等照度圖Fig．4 Gray－scale intensity of illumination on work surface

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)多參數(shù)調(diào)控智能照明系統(tǒng)的要求，照明模式將通過(guò)智能方式進(jìn)行切換，在不同模式下，各個(gè)區(qū)域的照明程度在照度傳感器反饋后進(jìn)行比較調(diào)整.

2．1 硬件結(jié)構(gòu)

智能照明系統(tǒng)由邏輯編程器件（FPGA）、控制面板、照度傳感器、LED照明回路組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．5 System organization

控制面板主要功能為顯示當(dāng)前模式狀態(tài)與模式手動(dòng)切換控制.FPGA作為系統(tǒng)控制核心部件，綜合控制面板指令信號(hào)、傳感器反饋信號(hào)、自身時(shí)鐘信號(hào)對(duì)照明模式進(jìn)行智能切換，并依照模式設(shè)定確定各個(gè)照明區(qū)域應(yīng)該達(dá)到的照度參數(shù)范圍，同時(shí)讀取對(duì)應(yīng)照度傳感器數(shù)據(jù)，與期望參數(shù)范圍進(jìn)行對(duì)比，然后改變控制LED照明回路的PWM信號(hào)，使相應(yīng)區(qū)域達(dá)到應(yīng)有的照明要求.

2．2 控制模塊

控制模塊主要功能為接收控制面板以及傳感器信號(hào)后，輸出對(duì)應(yīng)PWM信號(hào)對(duì)各個(gè)區(qū)域LED照明設(shè)備進(jìn)行控制.FPGA智能控制模塊示意圖如圖6所示.

圖6 控制模塊示意圖Fig．6 Diagram of controlmodule

把模塊封裝成為硬件模塊電路進(jìn)行連接，連接方式如圖7所示.

圖7 電路模塊連接圖Fig．7 Diagram of circuitmodule connection

在接收到控制面板的控制信號(hào)后，選擇調(diào)用相應(yīng)的參考范圍模塊：

begin

case（Data［23：16］）//識(shí)別控制面板發(fā)出接收信號(hào)

8＇b01000101：channel＜＝2＇b000；//選擇不同模式

……

default：；endcase

case（channel）//根據(jù)選擇模式調(diào)用參考范圍寫(xiě)入模塊

2＇b000：begin D1 ＜＝1＇b1；D2 ＜＝1＇b0；D3 ＜＝1＇b0；end

……

default：；endcase end

在確定參考范圍后，與照度傳感器信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，如果高于傳感器信號(hào)，則增加PWM占空比輸出，如果低于則減少，如果在范圍內(nèi)則不做出調(diào)整.

always＠ （negedge rst or posedge clk）//時(shí)鐘上沿觸發(fā)模塊

if（sign＞max） pwm＜＝pwm－1；//高于范圍，PWM占空比減小一檔

else if （sign＜min） pwm＜＝pwm＋1；//低于范圍，PWM占空比增加一檔

根據(jù)PWM輸出指令來(lái)調(diào)用相對(duì)應(yīng)占空比的PWM輸出模塊

PWMout LEDout1 （．…… ，．pwm （pwm1），．pw-mout（ledout1））；

PWMout LEDout2 （．…… ，．pwm （pwm2），．pwmout（ledout2））；

//調(diào)用PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊

……

3 結(jié) 語(yǔ)

與原有的智能照明系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)的LED智能照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于照度檢測(cè)的照明控制，仿真結(jié)果理想，并在實(shí)際的場(chǎng)景應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了照明要求，得到了良好的照明效果.對(duì)于不同環(huán)境的智能控制，該系統(tǒng)可以通過(guò)不同環(huán)境的LED光源分布與照明需求靈活地調(diào)整，達(dá)到所需的智能照明控制要求.

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