一种基于多传感器融合的LED灯具智能调光系统

申中鸿，杨 林，刘群兴，蒋春旭

(工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610)

1 引言

20世纪60年代，在半导体PN结发光的基础上研制出了发红光的二极管，到20世纪90年代，发光二极管已经能够发出红、橙、黄、绿、蓝等颜色的光。直到1998年，将GaN芯片与钇铝石榴石(YAG)封装在一起成功开发出了白光LED，各种LED灯具被逐渐开发，并应用于照明领域[1]。相比于白炽灯和节能灯，LED灯以其节能、环保和长寿命等优势受到了广泛关注。日本提出“‘21世纪照明’研究发展计划”，美国提出“半导体照明国家研究项目”，欧盟提出“彩虹计划”，韩国提出“固态照明计划”，我国将半导体照明技术作为“十五”科技攻关重大项目正式立项，并有相关资金扶助和优惠政策[2]。

现在国内外已经有很多生产LED灯具的厂家，无论在质量和外观造型上都取得了很大的成就。新提出的“情景照明”[3]和“情调照明”[4]概念让照明打破了传统意义上的满足室内照度的需求。虽然LED灯比传统灯具节能，但是在生活中我们也观察到，照明用电仍存在浪费，例如白天室内光线比晚上强，但是灯具照度不变，有时屋内没人但灯具仍然处于点亮状态。本文针对这些场所和上述现象，研究LED灯具的智能调节问题，根据室内光线强弱来调节灯的照度，在室内无人时关闭照明灯具，达到LED照明的“二次节能”。

2 基于多传感器融合的LED灯具智能调光系统原理

基于多传感器融合的LED灯具智能调光系统主要思路就是当室内LED灯处于打开状态时，通过安装在室内的多个光敏传感器采集环境照度值，其中每个LED灯分别受某几个传感器综合数据的控制。若照度超过预设照度值则通过调节器调低灯具照度，若低于预设照度则通过调节器调亮灯具照度，其中，预设照度是指在室内环境中适合学习或工作的照度值，是通过大量调查所得到的感观值。除了光线传感器，在室内安装红外传感器来实时检测室内是否有人，当检测到室内无人时，熄灭所有LED灯。系统流程图如图1所示。

图1 基于多传感器融合的LED灯具智能调光系统流程图Fig.1 The flow chart of LED lamps light modulation system based on intelligent multi-sensor

基于多传感器融合的LED灯具智能调光系统的主要功能即智能调光，主要是通过安装在室内的多光敏传感器采集室内照度信息，利用多传感器信息融合理论融合LED灯附近的某几个传感器，并将融合后的控制信息送至控制处理器，处理器通过PWM信号发生器产生调节信号，进而调节LED灯的照度，使之达到合适的要求。基于多传感器融合的LED灯具智能调光系统的另外一个功能就是利用安装在室内的红外传感器检测周边环境，当检测到室内无人后，则通过控制器产生控制信号，控制所有LED灯熄灭。系统的实现框图如图2所示。

图2 基于多传感器融合的LED灯具智能调光系统实现框图Fig.2 The realization diagram of intelligent light control system of LED lamps based on multi-sensor

3 基于多传感器融合的LED灯具智能调光系统传感器分布规律

教室、办公场所往往在一个房间内有多盏灯，通常，靠近窗户的空间在白天会比其他空间自然光线多，所以这里的灯具照度需要调暗一点，而远离窗户的空间则需要灯具照度高一些，这就涉及到感光传感器的分布问题：传感器太少，检测信息不全面，在调节灯具照度时会存在偏差，影响控制效果，而传感器过多固然能检测到足够的信息量，但同时也加大了信息的处理难度，并且提高了照明成本，浪费电气资源，因而用较少的传感器来检测照度，并达到精确控制室内灯具照度，成为智能调光系统的主要研究内容。教室、办公场所等室内灯具的排列较为规则，从而为智能感光与控制提供了基础。本文以如图3所示的灯具排列为例说明传感器的分布。

图3 办公场所内2×2灯具分布下光敏传感器分布示例Fig.3 The distributed sample of light sensors in office premises with 2×2 lamps

如图3所示，对于2×2分布的LED灯1号、2号、3号、4号，在四个角和正中间安装A、B、C、D、E五个传感器。这样，在控制时，LED灯1号由传感器A和E来控制，LED灯2号由传感器B和E来控制，LED灯3号由C和E来控制，LED灯4号由传感器D和E来控制，如此实现了尽可能少的传感器检测、尽可能多且准确的信息。

4 基于多传感器融合的LED灯具智能调光系统

上文提出，每一个LED灯的控制信息来自两个与之相关的传感器采集到的数据。作为控制输入，首先需要对这两个传感器采集到的数据进行融合处理。由于需要融合的仅为两个传感器检测到的环境照度值，数据少且信息表示为原始读数值，因而采用简单、直观易于实现的加权平均数据融合方式[5～6]。

假设传感器A、B、C、D、E采集到的室内照度分别为αA,αB,αC,αD,αE，则控制各灯的环境照度输入如公式(1)所示。

α1=ωA·αA+ωE1·αE

α2=ωB·αB+ωE2·αE

α3=ωC·αC+ωE3·αE

α4=ωD·αD+ωE4·αE

(1)

其中ωA,ωB,ωC,ωD,ωE1,ωE2,ωE3,ωE4为权值。权值的大小跟传感器距离灯中心的距离有关。

预设室内需求照度为α，上述α1,α2,α3,α4分别为室内照度检测值。照度差值表示为

Δα1=α-α1

Δα2=α-α2

Δα3=α-α3

Δα4=α-α4

(2)

分别作为每盏灯的控制输入。当照度差值为正时，环境照度小于预设照度，调节PWM信号使灯变亮。当照度差值为负时，环境照度大于预设照度，调节PWM信号使灯变暗,达到智能调节亮度的效果[7]。

基于多传感器融合的LED灯具智能调光系统的第二个功能为利用红外传感器[8]实现在室内无人时熄灭所有LED灯，其基本原理是：将红外传感器安装于室内中央，即上述传感器E所在位置。每隔10分钟(或其他设定时间)红外传感器检测一次室内，然后根据室内的温度分布图来确定室内是否有人，进而决定是否关断所有LED灯。当关断时检测到人的移动信号[9]后，马上打开所有LED灯。

5 实验结果

本文采用硅光电池作为光敏传感器，加权系数ωA、ωB、ωC、ωD取为0.6，ωE1、ωE2、ωE3、ωE4取为0.4，对系统进行周期性试验，试验条件分别在遮挡室外光线与不遮挡室外光线条件下进行。采用照度计对办公室内定点(1号灯具正下方)进行照度采集，采集高度为80cm，以分析比较系统控制效果。对系统进行为期30天的试验，每天在早、中、晚三个时段进行试验，统计30天的平均试验数据，具体见表1。根据试验结果分析，本LED灯具智能调光系统具有良好的控制效果。

表1 试验结果统计Table 1 Test results

6 总结

本文提出了一种基于多传感器融合的LED灯具

智能调光系统，可以实现根据室内光线的强弱自动调节LED灯亮度以及在无人条件下自动关闭所有LED灯的功能，从而实现LED灯具照明的“二次节能”。利用在室内安装多个传感器并利用多传感器融合的信息融合得到的数据作为控制依据，使控制更加准确可靠。本文所研究的LED灯具智能调光系统对相关研究单位和生产厂商具有一定借鉴意义。

[1] 窦林平.国内LED照明应用探讨[J].照明工程学报，2011,22(6):51～58.

[2] 万勇, 冯瑞华, 黄健. 国内外LED 照明产业政策[J]. 高科技与产业化,2011(1):35～39.

[3] 徐连城. LED照明产品发展方向的探讨[J].照明工程学报，2011,22(S1):32～33.

[4] 陈涛.照明控制与自动化系统的完美结合——智能照明控制系统的再认识[J].照明工程学报, 2003,14(3):26～32.

[5] Mitchell A. Benjamin et al. Multi-sensor fusion[P].Patent No:7283904.2007,10.

[6] Hugh Durrant-Whyte. Multi Sensor Data Fusion[E]. http://www.acfr.edu.au/pdfs/training/multiSensorDataFusion/dataFusionNotes.pdf,2001.

[7] 程安宁,王晋,尚相荣. 白光LED的PWM驱动方式分析[J].电子设计工程, 2010,18(2):109～111.

[8] 顾聚兴.红外传感器[J]. 红外,2006,27(10):4～4.

[9] 台德艺.热释电红外传感器及其在防盗系统中的应用[J].合肥联合大学学报，2003,13(3):100～102.