李巒 陳英革 王小英

摘要：隨著照明科學(xué)的發(fā)展與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的進(jìn)步，社會(huì)上對(duì)專業(yè)照明光源的需求不斷提高。而傳統(tǒng)的照明光源能耗大、調(diào)光非線性、智能化程度低，不能滿足當(dāng)今社會(huì)的需要。針對(duì)這種現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一款面向多領(lǐng)域的智能調(diào)光照明系統(tǒng)。該照明系統(tǒng)以51單片機(jī)為核心，結(jié)合人體傳感器、光線傳感器進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法、伽馬自然調(diào)光算法、色溫計(jì)算算法進(jìn)行分析與處理，使照明光線時(shí)刻處于最佳狀態(tài)，滿足不同領(lǐng)域的專業(yè)人士對(duì)工作光線的要求。經(jīng)過實(shí)際的運(yùn)行與測(cè)試，該照明系統(tǒng)具有功耗低、穩(wěn)定、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以為藝術(shù)工作者、醫(yī)療工作者等提供專業(yè)的照明光源。

關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管;節(jié)能燈;機(jī)器學(xué)習(xí);伽馬調(diào)光;色溫調(diào)節(jié);環(huán)境光感應(yīng)

中圖分類號(hào)：TP272文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）05-0231-05

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

近年來，隨著LED技術(shù)的快速發(fā)展，以LED為光源的照明設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，其以低能耗高亮度著稱，且可以調(diào)整燈珠亮度以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景[1]。充分利用LED可調(diào)光的特性，讓照明環(huán)境更智能、更節(jié)能，才能更好地滿足不同使用者的需求。研究表明，照明系統(tǒng)的光源色溫對(duì)人體的體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)、熱平衡系統(tǒng)以及情緒管理系統(tǒng)都有一定影響[2]，光照環(huán)境的色溫還會(huì)影響人們的視覺感知。因此，一些專業(yè)領(lǐng)域的工作者或待康復(fù)的患者往往需要更自然的動(dòng)態(tài)照明。目前社會(huì)上傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)大多功能單一、能耗較大、調(diào)光非線性，長(zhǎng)期在此照明環(huán)境下工作或生活會(huì)影響到使用者的工作效率，甚至產(chǎn)生不必要的情緒波動(dòng)。而且不合適的調(diào)光方式還會(huì)干擾藝術(shù)工作者對(duì)色彩的辨識(shí)能力，嚴(yán)重影響工作效率。

隨著人工智能的興起與快速發(fā)展，很多傳統(tǒng)設(shè)備都逐漸向智能化方向發(fā)展，但目前市面上已有的調(diào)光照明燈大多還停留在手動(dòng)調(diào)光方面，需要使用者主動(dòng)調(diào)節(jié)照度。部分照明系統(tǒng)可以記憶上一次工作時(shí)的亮度，但通常情況下，使用者在一天內(nèi)要多次使用照明設(shè)備，而大部分使用者在不同環(huán)境光下對(duì)光源照度的需求不一樣，使得用戶在每次使用時(shí)都需要手動(dòng)調(diào)節(jié)光源照度。而且傳統(tǒng)的照明燈缺乏合理的人機(jī)交互，使用者往往無法直觀快速的得出當(dāng)前時(shí)刻照明系統(tǒng)的照度水平。根據(jù)這些現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一款自然調(diào)光的LED節(jié)能燈，融入了當(dāng)今主流的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，并配有多種傳感器，使其具有較高的智能，可以不斷學(xué)習(xí)使用者的習(xí)慣，為使用者提供個(gè)性化的照明環(huán)境。

在LED光源設(shè)計(jì)方面，本文參考了目前市面上廣泛應(yīng)用的三種色溫調(diào)節(jié)技術(shù)：1）RGB技術(shù)[31;2）冷暖白光LED混色技術(shù)[4];3）多芯片集成白光LED調(diào)光技術(shù)[5]。本系統(tǒng)綜合技術(shù)可行性和性能穩(wěn)定性，選擇第二種方案作為光源系統(tǒng)。

作為一款面向多領(lǐng)域的實(shí)用新型智能照明控制系統(tǒng)，在滿足顯示性能指標(biāo)要求下，還必須做到自然的調(diào)光過程、智能的學(xué)習(xí)方式以及驅(qū)動(dòng)不同功率的LED陣列。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自然調(diào)光LED燈是基于STC89C51平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)的，融入了機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)中的K-means聚類分析算法。

主控制器采用了STC89C52RC單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，并配置人體傳感器、光線傳感器等傳感器。傳感器時(shí)刻探測(cè)周圍環(huán)境，單片機(jī)則根據(jù)接收的傳感器信息不斷分析處理，并根據(jù)用戶的使用情況調(diào)整LED照度。為了避免電磁干擾，控制器與驅(qū)動(dòng)器分為兩個(gè)獨(dú)立電路，控制器發(fā)出PWM波控制MOS管開關(guān)以驅(qū)動(dòng)LED燈。本文所設(shè)計(jì)的智能LED節(jié)能燈在保證系統(tǒng)性能與體驗(yàn)的前提下，極大的節(jié)約硬件成本，降低系統(tǒng)功耗。

主控制器能實(shí)現(xiàn)的主要功能有：

1）智能調(diào)節(jié)：當(dāng)照明系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境光強(qiáng)度，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法計(jì)算分析使用者習(xí)慣并自動(dòng)調(diào)節(jié)燈珠照度。

2）伽馬調(diào)光：當(dāng)系統(tǒng)接收到調(diào)節(jié)照度的信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)即通過伽馬自然調(diào)光算法對(duì)燈珠驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行非線性調(diào)整，即較緩慢地將燈珠的照度調(diào)整至目標(biāo)等級(jí)，并使照度的平均變化率保持穩(wěn)定。這樣可以使照明系統(tǒng)光線的變化更接近自然光的變化，給使用者營(yíng)造一種更自然的工作環(huán)境，避免了使用者因照明系統(tǒng)調(diào)光不當(dāng)而引起的視覺疲勞或情緒波動(dòng)。

3）白動(dòng)節(jié)能：當(dāng)使用者遠(yuǎn)離照明系統(tǒng)時(shí)而未將其關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開啟節(jié)能模式，降低燈珠照度，維持較低功耗;當(dāng)使用者接近照明系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)之前照度。

4）主動(dòng)調(diào)節(jié)與數(shù)據(jù)顯示：為了方便使用者主動(dòng)調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)的亮度及色溫，并進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，本系統(tǒng)配備了微動(dòng)按鍵用于使用者的手動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)按鍵具有防水的性能，可以有效避免因潑濺造成的控制系統(tǒng)故障。為了便于使用者直觀的獲取當(dāng)前時(shí)刻照明系統(tǒng)的照度，本系統(tǒng)配有低功耗、廣視角的OLED顯示屏，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前照明系統(tǒng)的亮度和色溫，使用者可以根據(jù)數(shù)值科學(xué)選擇最佳照度。

5）無可視頻閃：本系統(tǒng)利用51單片機(jī)的定時(shí)器功能發(fā)出穩(wěn)定的高頻可調(diào)方波，使LED燈珠以每秒超過100次的高頻率閃爍，使用者觀察不到光閃現(xiàn)象，避免因照明頻閃導(dǎo)致使用者視覺疲勞或者神經(jīng)敏感等不良反應(yīng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為提高擴(kuò)展性，負(fù)載更大功率的發(fā)光器件，將硬件系統(tǒng)分為兩部分，分別為控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。其中控制系統(tǒng)的硬件包括主控芯片、環(huán)境光線傳感器、人體探測(cè)傳感器、按鍵控制模塊以及一片OLED顯示屏。主控系統(tǒng)采用了ATMEL公司生產(chǎn)的高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器，足以存儲(chǔ)大量的程序數(shù)據(jù)。同時(shí)具有豐富的1/0口和定時(shí)器以供系統(tǒng)功能擴(kuò)展。系統(tǒng)的整體硬件框圖如圖l所示。

11 YL-38環(huán)境光線檢測(cè)傳感器模塊采用的是光敏電阻和寬電壓LM393比較器構(gòu)成的光線檢測(cè)模塊。其核心光敏電阻具有在自然光線照射下，其阻值迅速減小的特性。具有極高的靈敏度。YL-38模塊有兩個(gè)輸出端，AO和DO，其中AO端輸出模擬量電壓，通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，可以得出精確的環(huán)境光強(qiáng)度等級(jí)。DO端為數(shù)字信號(hào)輸出端，輸出高低電平，可以直接被單片機(jī)1/0口識(shí)別。本文選擇接受開關(guān)量信號(hào)，僅檢測(cè)環(huán)境光亮度強(qiáng)弱。

21 HC-SR501人體探測(cè)傳感器模塊是基于紅外線技術(shù)的人體感應(yīng)模塊，此模塊體積小，功耗低，感應(yīng)范圍大，靈敏度高，可以快速探測(cè)到附近是否有生物體。其核心元件，被動(dòng)式紅外傳感探頭（PIR）采用的是德國生產(chǎn)的LHI778雙元探頭，可以靈敏的探測(cè)到紅外光譜的變化。當(dāng)生物體穿過感應(yīng)區(qū)域時(shí)，人體所發(fā)出的紅外光到達(dá)雙元探頭的時(shí)間、距離都會(huì)有差值，從而判斷出是否有生物體進(jìn)入感應(yīng)范圍。

為了增加感應(yīng)角度范圍，本模塊采用了圓形透鏡，使得探頭可以感應(yīng)四個(gè)方向。模塊的感應(yīng)范圍如圖2所示，最大感應(yīng)角度為100度，直線感應(yīng)距離為5-7米，最大感應(yīng)角度下感應(yīng)距離為3-4米，當(dāng)人橫向穿過感應(yīng)區(qū)時(shí)，即沿圖示地面的方向移動(dòng)時(shí)，PIR可以靈敏的檢測(cè)到，但當(dāng)人徑直走向紅外傳感器探頭時(shí)，PIR可能無法快速地檢測(cè)到感應(yīng)區(qū)域是否出現(xiàn)生物體。根據(jù)PIR的特性，本系統(tǒng)將人體探測(cè)傳感器模塊安裝在LED陣列面板上，令紅外探頭對(duì)準(zhǔn)作業(yè)平面，可以有效避免感應(yīng)失靈的現(xiàn)象。

31顯示部分本系統(tǒng)選用了0.96英寸、分辨率為128*64的四線制OLED屏。其通信方式為I2C串行通信，使得與單片機(jī)的連接更簡(jiǎn)單。I2C總線是Philips公司提出的一種用于集成電路之間的通信協(xié)議，其目的是簡(jiǎn)化電子系統(tǒng)中各個(gè)IC器件之間的連線。應(yīng)用I2C總線可使電子器件之間只需通過SDA、SCL兩條連線就可以傳送數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)利用單片機(jī)的1/0口模擬12C接口通訊[6]，采用頁尋址的方式向OLED屏發(fā)送指令，達(dá)到了驅(qū)動(dòng)OLED屏的目的。其中驅(qū)動(dòng)OLED屏顯示文字及所需圖像的字符由取模軟件自動(dòng)生成，保存在單片機(jī)中。

4）由于單片機(jī)10口的輸出電壓較低，不足以驅(qū)動(dòng)大功率的LED燈珠，因此，控制系統(tǒng)需要外接更大功率的驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)模塊采用了基于MOS管的PWM控制開關(guān)，通過PWM波控制MOS管的導(dǎo)通和閉合，進(jìn)而控制供電電路的開啟和關(guān)閉[7]。模塊內(nèi)部為雙MOS管串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，內(nèi)阻低，負(fù)載電流大，開關(guān)靈敏，可分辨頻率在20KHz以內(nèi)的方波。當(dāng)單片機(jī)輸出占空比可調(diào)的PWM波至開關(guān)模塊時(shí)，開關(guān)模塊根據(jù)PWM波的高低電平不斷接通、斷開供電電路，不斷點(diǎn)亮、關(guān)閉LED燈。由于人眼具有視覺暫留的特性，當(dāng)一幅畫面在視網(wǎng)膜上形成，視覺將對(duì)這幅畫面的感覺維持一段有限的時(shí)間，當(dāng)單片機(jī)輸出PWM波的頻率大于100Hz時(shí)，雙MOS管控制的LED燈珠的閃爍頻率也會(huì)大于100Hz，此時(shí)人眼所看到的照明光源就是穩(wěn)定的，無可視頻閃，從而避免因光閃所帶來的各種生理問題。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要包括K-means機(jī)器學(xué)習(xí)算法、雙路占空比可調(diào)PWM輸出1[8]模塊、伽馬自然調(diào)光算法、色溫計(jì)算算法、人體感應(yīng)節(jié)能系統(tǒng)5個(gè)部分，系統(tǒng)丁作時(shí)的總流程如圖3所示。

系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)，會(huì)自動(dòng)檢測(cè)當(dāng)前的環(huán)境光強(qiáng)度，并根據(jù)采集的傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合使用者習(xí)慣通過機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)處理分析，計(jì)算出使用者的期望照度。接著，系統(tǒng)調(diào)用伽馬自然調(diào)光系統(tǒng)計(jì)算出最佳調(diào)光曲線并轉(zhuǎn)換成PWM波占空比調(diào)節(jié)曲線，單片機(jī)沿此曲線勻速調(diào)節(jié)PWM波的占空比直到光源達(dá)到目標(biāo)照度。在照明系統(tǒng)工作期間，如果系統(tǒng)檢測(cè)到周圍沒有人時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將照度調(diào)至較低水平。直到使用者重新回到照明系統(tǒng)工作范圍。當(dāng)LED燈連續(xù)工作一定時(shí)間以后，系統(tǒng)白動(dòng)檢測(cè)當(dāng)前的照度和環(huán)境光亮度，并記錄保存在主控芯片中，以作為使用者的偏好習(xí)慣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在處理器內(nèi)部存儲(chǔ)器中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)處理，不斷學(xué)習(xí)使用者的用光習(xí)慣，為下次啟動(dòng)時(shí)提供更智能的光源照度。為了有效利用系統(tǒng)資源，本系統(tǒng)限定訓(xùn)練樣本容量，當(dāng)樣本數(shù)達(dá)到最大時(shí)，此時(shí)增加新的訓(xùn)練樣本會(huì)刪除最早記錄的樣本數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)主要算法介紹如下所述。

3.1 機(jī)器學(xué)習(xí)算法

由于自然環(huán)境光隨著時(shí)間變化一直在改變，使用者在不同時(shí)間段內(nèi)對(duì)照明燈的照度需求也往往不同。因此控制系統(tǒng)則需要不斷記錄并學(xué)習(xí)各個(gè)時(shí)間段內(nèi)使用者的用光習(xí)慣，當(dāng)使用者啟動(dòng)照明燈時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境光強(qiáng)度，并進(jìn)行K-means算法分析[9]。分析出使用者的用光習(xí)慣并自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證使用者每次啟動(dòng)時(shí)，照明系統(tǒng)都將呈現(xiàn)最符合使用者習(xí)慣的照明環(huán)境。其中K-means非監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)算法的偽代碼如下所述。

begin

檢測(cè)當(dāng)前的環(huán)境光強(qiáng)度;

將最早記錄的k個(gè)點(diǎn)作為初始聚類中心;

while

計(jì)算每個(gè)樣本點(diǎn)到每個(gè)中心的距離;

選取距離最短的中心點(diǎn)作為其聚類中心;

利用得到的聚類重新計(jì)算中心點(diǎn);

重復(fù)計(jì)算直到聚類中心不再移動(dòng);

end while

end

根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)度值選取對(duì)應(yīng)中心點(diǎn)作為使用者的期望照度;

其中兩個(gè)點(diǎn)之間的距離采用歐式距離計(jì)算法，n維的歐式距離計(jì)算公式為：

由于K-means機(jī)器學(xué)習(xí)算法需要不斷地進(jìn)行樣本分類調(diào)整，不斷地計(jì)算調(diào)整后新的聚類中心[10]，且大部分運(yùn)算都是浮點(diǎn)運(yùn)算，因此，當(dāng)數(shù)據(jù)量非常大時(shí)，系統(tǒng)需要占用極大的系統(tǒng)資源。51單片機(jī)作為微型控制系統(tǒng)，本身不具備強(qiáng)大的浮點(diǎn)計(jì)算能力。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行效率同時(shí)保證機(jī)器學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確度，本文對(duì)K-means算法進(jìn)行了針對(duì)51單片機(jī)平臺(tái)的適配，將數(shù)據(jù)維度降低至2維，選取用戶第一次設(shè)置的數(shù)據(jù)作為初始聚類中心，避免傳統(tǒng)算法中因隨機(jī)選取初始聚類中心而導(dǎo)致分類結(jié)果不穩(wěn)定的現(xiàn)象。通過計(jì)算每2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的二維切比雪夫距離，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行歸類。適配后的二維切比雪夫距離計(jì)算公式為：

d= max（|x2-x1|，|y2-y1|）

（2）

切比雪夫距離最初是用于計(jì)算國際象棋棋盤中王從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置時(shí)所需的步數(shù)，后來逐漸延伸為表示二維直角坐標(biāo)系中兩點(diǎn)的超凸度量，故在二維數(shù)據(jù)集中，切比雪夫距離與歐式距離成正相關(guān)。因此，本系統(tǒng)將機(jī)器學(xué)習(xí)算法中的計(jì)算歐式距離改進(jìn)為計(jì)算切比雪夫距離，降低了機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的資源占用率，提高了運(yùn)行效率。

3.2 伽馬自然曲線調(diào)光算法

人的眼睛為了適應(yīng)更大范圍內(nèi)光線，會(huì)隨著進(jìn)光亮的多少不斷調(diào)節(jié)瞳孔的大小。所以人眼對(duì)光線的感知是非線性的。在弱光環(huán)境下，人可以分辨出光線細(xì)小的變化;而強(qiáng)光環(huán)境下，入往往只能感受到光線的劇烈變化。為了讓照明燈能更好地適應(yīng)人類的生物特性，本文設(shè)計(jì)了伽馬（Gamma）自然曲線調(diào)光算法。通過沿著特定的伽馬曲線非線性的調(diào)整LED燈的亮度，進(jìn)而使人的眼睛對(duì)LED亮度變化的感知保持較低的非線性誤差。其中伽馬方程為：

y=x 1/Gamma

（3）

式中Gamma為伽馬系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示[11]，Gamma值取2.2時(shí)，所生成的伽馬曲線最接近實(shí)際物理上的二次衰減。其中伽馬曲線如圖4所示。

為了降低能耗，本系統(tǒng)使用的是低功耗的STC89C52芯片，但此芯片計(jì)算資源有限，不能負(fù)擔(dān)較大的指數(shù)運(yùn)算。為了提高系統(tǒng)效率，本系統(tǒng)將亮度分成100個(gè)級(jí)別，在系統(tǒng)外通過公式3計(jì)算出每個(gè)亮度級(jí)別對(duì)應(yīng)的方波占空比，這些數(shù)據(jù)以數(shù)組的形式存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)中。當(dāng)系統(tǒng)需要調(diào)整LED亮度，即將目標(biāo)亮度等級(jí)傳輸給伽馬調(diào)光系統(tǒng)，接著系統(tǒng)會(huì)通過查詢對(duì)應(yīng)數(shù)組，將輸出方波的占空比逐漸調(diào)整至目標(biāo)值，從而實(shí)現(xiàn)平滑的自然調(diào)光。

3.3 色溫計(jì)算算法

由于本系統(tǒng)采用了冷暖白光LED混色技術(shù)作為光源系統(tǒng)，并不能直觀地反映出色溫等級(jí)，為了便于使用者快速獲取照明系統(tǒng)的實(shí)時(shí)色溫?cái)?shù)據(jù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了通過冷暖白光LED的亮度值計(jì)算出照明色溫的方法。

隨著顏色科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，色溫的計(jì)算方法在各個(gè)方面都獲得了改進(jìn)與創(chuàng)新。目前比較典型并得到廣泛應(yīng)用的色溫計(jì)算法[12]主要有三角垂足插值法、基于黑體軌跡的Chebyshev法、模擬黑體軌跡弧線法和近似公式法等。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)所選用的單片機(jī)計(jì)算資源有限，不能負(fù)擔(dān)較大的計(jì)算量，所以本文在大量比對(duì)后，參考了Tamaru等[13]提出的由色品坐標(biāo)直接求出相關(guān)色溫的色溫近似計(jì)算公式：

式中x、v為等溫線上任意一點(diǎn)的色品坐標(biāo)。上述近似公式是通過等溫線交點(diǎn)法得到的最小誤差計(jì)算公式。在黑體軌跡上誤差不超過0.7%，黑體軌跡外誤差不超過1.0%。在實(shí)際生活中，通常使用3000-7000K的色溫值，因此可以直接把該近似公式應(yīng)用到本色溫計(jì)算系統(tǒng)。

為了提高控制系統(tǒng)的執(zhí)行效率，本文在系統(tǒng)外計(jì)算出目標(biāo)色溫所對(duì)應(yīng)的LED燈珠亮度值并存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)照明燈色溫時(shí)，通過查詢數(shù)組可以快速地調(diào)節(jié)PWM波占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)兩路LED燈的亮度使其混合出所需的色溫。表1列舉了部分色溫對(duì)應(yīng)的LED燈珠近似功率。

4 系統(tǒng)測(cè)試評(píng)估

51單片機(jī)本身具有較好的穩(wěn)定性，可以在長(zhǎng)時(shí)間的使用下完成相應(yīng)的工作任務(wù)。但是單片機(jī)芯片本身不能進(jìn)行多線程運(yùn)算，而機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)往往會(huì)占用較大的時(shí)間資源，為了確?？刂葡到y(tǒng)能快速響應(yīng)處理各個(gè)任務(wù)，本文對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行了時(shí)間復(fù)雜度計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)測(cè)試和整體應(yīng)用測(cè)試。

4.1 時(shí)間復(fù)雜度計(jì)算

由于單片機(jī)進(jìn)行一次切比雪夫距離計(jì)算需要執(zhí)行3次8位加減運(yùn)算，每次加減運(yùn)算需要占用控制系統(tǒng)3個(gè)時(shí)鐘周期。通過計(jì)算，每執(zhí)行1次完整的機(jī)器學(xué)習(xí)運(yùn)算的頻次為：

T（n）= 3n2+ 2n

（6）

其中n為訓(xùn)練數(shù)據(jù)組數(shù)，由頻次公式可知，當(dāng)數(shù)據(jù)組數(shù)n為100時(shí)，系統(tǒng)需要占用2.5毫秒的時(shí)間，當(dāng)n為1000時(shí)，系統(tǒng)需要占用超過0.3s的時(shí)間。因此，維持用戶數(shù)據(jù)的組數(shù)在100組內(nèi)，可以保證系統(tǒng)具有足夠的響應(yīng)時(shí)間。

4.2 機(jī)器學(xué)習(xí)測(cè)試

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的K-means機(jī)器學(xué)習(xí)算法，目的是為了簡(jiǎn)化操作，使用者僅需要按下開關(guān)，即可得到當(dāng)前環(huán)境下最佳的照明光源，無須額外的手動(dòng)調(diào)節(jié)。為了確保K-means機(jī)器學(xué)習(xí)算法具有較高的準(zhǔn)確性，本文通過MATLAB軟件進(jìn)行了2次不同樣本數(shù)據(jù)集的非監(jiān)督分類運(yùn)算，MATLAB作為強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件，可以快速地分析檢驗(yàn)算法的性能。

由于本系統(tǒng)是通過冷、暖白光LED燈珠混色技術(shù)實(shí)現(xiàn)色溫調(diào)節(jié)，因此，任何一個(gè)照度都可以用冷白光LED的亮度和暖白光LED的亮度來表示，在本系統(tǒng)中，存儲(chǔ)的用戶數(shù)據(jù)集為兩種LED燈珠的亮度。進(jìn)行MATLAB測(cè)試時(shí)，采用給定協(xié)方差系數(shù)生成的隨機(jī)數(shù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，可以實(shí)現(xiàn)相同的效果。第一次測(cè)試時(shí)樣本數(shù)據(jù)集共30個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，設(shè)定聚類個(gè)數(shù)k為3。其分類結(jié)果如圖5所示。

圖中橫坐標(biāo)為冷白光LED燈珠的亮度等級(jí)，縱坐標(biāo)為暖白光LED燈珠的亮度等級(jí)，坐標(biāo)軸上交點(diǎn)為兩色LED燈珠混合成的照度，坐標(biāo)軸中空心圓點(diǎn)為系統(tǒng)計(jì)算出的穩(wěn)定聚類中心，即系統(tǒng)通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測(cè)的使用者期望照度。當(dāng)照明系統(tǒng)開啟時(shí)，控制器則根據(jù)當(dāng)前環(huán)境光強(qiáng)度選擇合適的期望照度，自動(dòng)將照明光源調(diào)節(jié)到使用者期望的照度，使用戶只要打開照明系統(tǒng)，可立即進(jìn)入工作狀態(tài)，簡(jiǎn)化操作步驟，提高工作效率。

第二次測(cè)試時(shí)，選取的樣本數(shù)據(jù)組數(shù)為60組，聚類個(gè)數(shù)K值設(shè)為3，所得結(jié)果如圖6所示。

由matlab對(duì)比測(cè)試結(jié)果可得，根據(jù)已有的樣本數(shù)據(jù)集，K-means機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以很好地計(jì)算出聚類中心。從圖中可以明顯看出，空心原點(diǎn)的位置基于上處于樣本數(shù)據(jù)的中心位置，因此所得聚類中心具有較高代表度，可以代表使用者所需的期望照度。同時(shí)樣本數(shù)據(jù)越多，計(jì)算精度越高，照明系統(tǒng)可以根據(jù)不同場(chǎng)合的要求選擇存儲(chǔ)不同數(shù)量的使用者樣本數(shù)據(jù)。綜上，本文使用K-means機(jī)器學(xué)習(xí)算法作為感知學(xué)習(xí)使用者習(xí)慣的核心系統(tǒng)，可以很好地滿足系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的需要。

4.3 整體應(yīng)用測(cè)試

本文為了驗(yàn)證照明系統(tǒng)是否具有較高實(shí)用性與穩(wěn)定性，對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行多應(yīng)用場(chǎng)景下的實(shí)際測(cè)試。在初次使用時(shí)，打開開關(guān)，OLED屏?xí)c(diǎn)亮并播放開機(jī)動(dòng)畫，LED燈珠會(huì)平滑亮起至預(yù)先設(shè)置的亮度，此過程中，人眼對(duì)其亮度變化的直觀感受較為舒適，不存在光源閃動(dòng)的現(xiàn)象。當(dāng)使用者遠(yuǎn)離照明燈3m時(shí)，照明燈上安置的人體傳感器在一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不到周圍人體所發(fā)出的紅外線時(shí)，照明燈會(huì)自動(dòng)將亮度調(diào)至較低水平，即最大亮度的10%;當(dāng)周圍有人靠近時(shí)，照明燈會(huì)恢復(fù)至原先的照度。在按鍵測(cè)試環(huán)節(jié)，測(cè)試人員按下按鍵，系統(tǒng)可以即時(shí)響應(yīng)，顯示屏?xí)斤@示調(diào)節(jié)后的亮度及色溫，沒有明顯的延遲現(xiàn)象，滿足實(shí)用性與較高穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的自然調(diào)光LED照明系統(tǒng)，經(jīng)過多角度的理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，設(shè)計(jì)總體上達(dá)到了穩(wěn)定性及性能的需求。本設(shè)計(jì)對(duì)算法及硬件框架進(jìn)行了深度優(yōu)化，將本來運(yùn)行在高性能計(jì)算機(jī)中的機(jī)器學(xué)習(xí)算法移植到低功耗的嵌入式平臺(tái)中，在保證功能性的前提大幅降低成本。本系統(tǒng)同時(shí)具有極高的擴(kuò)展性，通過提高供電電壓并加裝輔助散熱系統(tǒng)即可驅(qū)動(dòng)更大功率的照明系統(tǒng)，滿足從家用小型照明燈到醫(yī)用級(jí)調(diào)光無影燈的大范圍應(yīng)用場(chǎng)景，為其提供低成本、高效能的照明控制系統(tǒng)解決方案。

由于本設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)芯片計(jì)算資源較少，無法存儲(chǔ)更多用戶數(shù)據(jù)以便更精確的分析使用者的使用習(xí)慣。因此在實(shí)際的應(yīng)用中，如果需要深度分析使用者的行為模式，可以加裝額外的存儲(chǔ)芯片或者使用運(yùn)算資源更多的處理核心。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2019-11-21

作者簡(jiǎn)介：李巒（1998-），男，江蘇泗洪縣人，2016級(jí)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院學(xué)生，主要研究方向?yàn)榍度胧介_發(fā);通訊作者：王小英 （1975-），女，江西波陽人，工學(xué)博士，常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，副教授，IEEE計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)會(huì)員，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。