基于一种优化策略的智能灯控制系统研究与设计

邢新滢

【摘 要】针对走廊等公共场所灯光控制大部分都处于不节能，且现有的智能感应灯只有当人处于灯下才会点亮，照明反应延迟这一现象，提出一种新的优化控制策略。基于该策略，设计并制作出一种新型的智能灯控制系统。该系统在正常情况下，首先，通过光敏传感器感知环境光照强度，若光照强度足够，系统不工作；若光照强度不足时，控制系统开始工作。其次，在此基础上，通过光电传感器感知人的运动情况，将传感器信号送入控制器，计算并判断出人的行走方位和速度，提前将人前进区域的照明灯点亮。而当人走出该区域时，区域所属的灯熄灭。在复杂环境下，采用分区域的方式能更好地实现智能感应灯控制系统的设计，最后通过设计的智能控制系统模拟装置，验证了设计方案的可行性。

【关键词】智能灯；传感器；优化策略

Based on an Optimization Strategy Intelligent Light Control System Design

XING Xin-ying

（Dalian Yuming Senior High School， Dalian Liaoning 116026， China）

【Abstract】For lighting hallways and other public places are in control of most of the non-energy-saving， and existing smart sensor lights only when the person is under the lamp will be lit， the lighting delayed reaction to this phenomenon， proposes a new optimal control strategy. Based on this strategy， design and produce a new type of intelligent lighting control systems. The system under normal circumstances， the first sensing ambient light intensity by light sensors， if the light intensity is sufficient， the system does not work； if insufficient light intensity control system to work. Secondly， on this basis， through the photoelectric sensor detects the movement of people， the sensor signals into the controller to calculate and determine the position and speed of people walking， people will advance forward lighting area lighting. When people out of the region， the area in which the lamp is off. In a complex environment， the use of sub-regional approach to better achieve intelligent sensor light control system design， and finally through the intelligent control system simulation device designed to verify the feasibility of the design scheme.

【Key words】Intelligent Light； Sensor； Optimization strategy

1 研究背景与目的

随着能源的日益短缺，节能成为当今许多工业产品在设计中必须考虑的重要因素，而马路、走廊等公共区域的照明问题一直没有得到很好的优化，根据调查，存在着以下几个方面的问题[1]：

1）教室、走廊、马路没有人或车时，灯一直常亮；

2）在天气恶劣，如阴雨天、大雨天、雪天等光照不好的气候条件下，照明灯却没有亮起来；

3）大部分的区域照明控制都是区域整体点亮或者熄灭；

4）部分公共区域采用的声控灯存在着噪音大，控制不灵敏缺陷；

5）公共场所所采用的感应智能灯，大部分只能实现人已处于灯所属的传感器下时，灯才能点亮，这样就存在着点亮延迟的缺陷，在人进入两个灯之间时，会出现黑暗区域。而不能根据人或车的走向提前照明，也不能根据人或车的行走速度决定何时点亮。

通过上述问题可以得出，公共场所区域照明控制方案还有待于提高。因此，设计一种新型的智能灯极有必要，它将更好地为社会服务，能更有效的节能。本文在原有智能感应灯的控制基础上，提出了一种基于优化策略的智能灯控制系统。基于该策略，设计并制作出系统模型。首先通过光敏传感器感受环境光照强度，利用红外传感器感受人是否进入智能灯控制区域，通过控制器智能运算得出人的运动方向和速度，从而提前点亮人将进入的区域，当人离开控制区域时，灯自动熄灭，更加智能的为人提供照明服务。通过上述控制方式，能有效解决现有感应灯只有人处于灯下方时，该灯才能点亮这一缺陷，同时更有效的节能。

2 研究思路

公共区域照明示意图如图1所示，智能灯控制区域有不同方向的四个入口，照明灯L1—L13总计13 盏灯，若人从入口3进入公共区域时，市场上现有的智能灯控制方案如下[2]：

1）当人进入到L1传感器下方时，L1点亮；

2）当人进入到L2传感器下方并离开L1传感器下方时，L2 点亮，L1熄灭；

3）以此为例，只有当人进入L下的传感器下方时，L才能点亮，离开灯所属的传感器下方时，灯熄灭。

上述的智能灯控制方案只有当人进入灯所属的传感器检测区域时，传感器所控制的灯才会开启或熄灭，这样的控制方式不灵敏，反应迟钝。

本文提出的基于优化策略的智能灯设计思路如下：

1）利用光敏传感器感知环境光照强度，控制智能感应灯是否开始工作，当光照强度足够时，智能感应灯不工作，当光强降低至某一值时，智能感应灯开始工作。

2）当光照强度不足时，若人进入到入口3时，L1所属的传感器检测到人后，L1立即点亮，同时L2开始准备点亮。

3）当人离开L1所属区域，直到L2所属传感器检测到人后，L2立即点亮，L1熄灭。同时控制器得出人的行走趋势为从左到右，控制器同时记录人从L1到L2所行走的时间，计算出人在L1到L2区间行走的速度。

4）控制器根据计算出的人的行走速度、行走方向和L3的光照覆盖面，计算出人进入L3区域所需的时间，在人离开L2覆盖区域，进入L3 覆盖区域前提前点亮L3。

5）当人完全进入L3覆盖区域，即L3所属光电传感器检测到人后，且L2所属传感器未检测到其他人时，L2立即熄灭，同时控制器计算L2到L3之间的行走方向和速度。

6）根据L2到L3之间的人的行走方向速度，计算出L4的点亮时间，在人进入L4前，提前点亮，当人完全进入L4区域、离开L3区域时，L3熄灭。

7）考虑到人可能在L3和L4之间进入房间这一情况，若检测出人已离开L3区域，且在规定时间内，L4未检测到人进入时，L3和L4同时熄灭。

8）若人从任意点进入控制区域时，如人从房间进入L2区域时，L2立即点亮，同时检测并计算出人行走的方向和速度，控制相应的灯点亮或熄灭。

通过上述步骤，综合考虑了人的行走方向、行走速度和中途离开等情况，提前做好准备照明，实现了照明系统的人性化与智能化。

3 研究内容

3.1 控制单元设计

针对于本文提出的基于优化策略的智能灯控制思路和方案，利用单片机作为智能感应灯控制系统的控制核心。单片机具有体积小、重量轻、价格低廉、使用灵活、易于开发与应用等优点，被广泛应用于工业自动化生产过程控制、智能化仪器仪表等领域。在本设计方案中，采用STC89C51单片机最小系统作为控制器[3]，设计出一套基于优化策略的智能灯控制系统，最小系统如图2所示。

STC89C51单片机一共有40个引脚，管脚图见图3。其中P00-P07，P20-P27为输入口，P10-P17为输出口，P3口主要是单片机的特殊功能接口，如串行输入输出接口P3.0和P3.1，外部中断P3.2和P3.3，计时器P3.4和P3.5。同时还有供电端口VCC和GND。

3.2 传感器电路设计

针对所提出利用光敏传感器感知环境光照强度，从而决定智能感应灯系统是否工作这一思路，采用了图4的电路。

当光照强度充足时，三极管导通，继电器断开，从而220V交流电断开，智能感应灯控制系不工作。当光照强度不足时，继电器闭合，智能感应灯控制系统开始工作，利用红外传感器检测人是否进入控制区域，红外检测电路如图5所示[4-5]。

ST168为红外传感器，电压VCC为5V，它是通过发射端发射红外线后，检测接收端是否有光电信号。当没有人经过传感器时，红外传感器接收端接收不到信号，这时E点的电压为0，三极管Q1不导通，此时由P2.0送给单片机的信号为低电平，即电压为0；当红外传感器检测到人时，人将反射红外光到接收端，此时E点电压为5V，三极管导通，送给单片机的信号为高电平，即电压为5V。因此，我们只需通过检测出单片机的端口即可知道传感器是否检测到人。

3.3 驱动电路设计

由于单片机最小系统输出口的驱动能力有限，无法直接对继电器进行驱动。因此本系统设计出一套驱动电路。

3.4 分区域策略

为更好地实现智能控制，我们将图1中的照明示意图划分为4个区域。如表1所示。

智能感应灯整体方法如下：

1）光敏传感器检测环境光强，若光照强度足够时，继电器K1保持断开状态，智能感应灯控制系统不工作；当光照强度不足时，继电器K2闭合，开始给控制系统供电，智能感应灯控制系统开始工作。

2）当红外传感器第一次检测到人时，检测信号送入单片机，同时判定信号来源，单片机分析信号源于哪部分区域、哪个节点。

3）若搜索到第一次信号来源于区域1中的L2时，单片机立即触发L2 的继电器闭合，点亮L2，同时继续检测是否有下一个检测信号产生。若在规定时间无其他信号来源，且L2也没有检测到信号，我们默认为人从L2附近进入后的同时在L2处消失，此时熄灭L2。若在规定时间内无其他信号来源，且L2也没有检测到信号，我们默认为人从L2附近进入后的同时在L2处消失，此时熄灭L2。若在规定时间内无其他信号来源且L2一直有检测信号时，我们认为人一直处于L2 的照亮范围，L2常亮。

4）若在规定时间内，单片机第二次检测到信号来源于L3时，L3立即点亮，单片机开始L2，L3的感应信号计算人的运动速度，同时根据区域划分表得出下一个点亮的区域极有可能为L4，通过计算得出人将进入L4的照明覆盖范围内所需时间，在人将进入L4时，提前点亮L4。在一段时间内，若L4检测到信号时，说明人完全进入到L4的范围，此时通过单片机控制继电器熄灭上一盏灯即L3，继续搜索是否有其他信号检测。若在规定时间内L3和L4都未检测到信号，则认为人从L3处消失，这时L3和L4同时熄灭。

5）当人处于L4时，检测到L7有信号，L7立即点亮，L4熄灭。此时单片机分析得出人从区域1进入区域2，下一个区域极有可能为L6，其他步骤如步骤4。

6）若在不同区域出现信号时，单片机会默认多人进入智能控制区域，一个区域一个计算，从而进行智能计算。

3.5 实物模型的制作

为了更好的验证本文所提出的优化策略，依据本文的设计思路，采用上述的硬件电路设计和软件流程设计，我们设计出了基于优化策略的智能灯控制系统的模型。

首先以亚克力板为材料，建立一个尺寸为（60cm×10cm×10cm）的走廊物理模型。在整个模型中，包含10盏走廊灯，10个房间。

在模型中，考虑到模型的尺寸和成本，以光敏电阻作为系统的光敏传感器，以红外对管作为系统的红外传感器，以普通发光二极管作为系统的走廊灯。在系统中，模型中的电源以5V直流电为基础，因此不需要继电器驱动电路。模型中所采用的传感器见图6。

4 数据测试与分析

4.1 测试方法

以一个（3cm×3cm×3cm）正方体作为人的模型，正方体在模拟走廊中移动时代表着人的行走。具体测试步骤为：

1）将正方体从走廊的起点匀速移动到终点，观察模型中灯的点亮情况。

2）将正方体从走廊的终点匀速移动到起点，观察模型中灯的点亮情况。

3）将正方体从走廊一端移动到另一端的过程中，以变化的速度移动，观察模型中灯的点亮情况。

4）将正方体从走廊的任意位置出现后（代表人从房间进入走廊），观察模型中灯的点亮情况。然后移动在模型走廊中向任意一端移动正方体，观察模型中灯的点亮情况。

5）正方体在走廊的移动过程中突然停止行走，观察模型中灯的点亮情况。

4.2 测试结果分析

1）当模拟人的正方体从起点匀速移动到终点时，控制器搜集到传感器信号后分析运算处理后，能根据人的移动方向提前将人进入的区域提前点亮，测试成功。

2）当模拟人的正方体从终点匀速移动到起点时，控制器搜集到传感器信号后分析运算处理后，能根据人的移动方向提前将人进入的区域提前点亮，测试成功。

3）当模拟人的正方体从终点以变化的速度移动到起点时，控制器搜集到传感器信号后分析运算处理后，能根据人的移动方向提前将人进入的区域提前点亮，测试成功。

4）当模拟人的正方体从房间进入走廊后，能根据人的移动方向提前将人进入的区域提前点亮，测试成功。

5）当正方体在走廊的移动过程中突然停止行走时，相应的灯能进行点亮和熄灭，测试成功。

通过上述测试环节得出，本文提出的优化控制策略在模型中得到验证，测试结果较为理想，可认为基于优化策略的新型智能灯控制系统是可行的。

4.3 设计中的启发

通过模型我们发现，由于检测电路中的红外线接收装置不是人体发出的，而是由红外对管自己发射的，对管容易受到其他干扰的影响，感应不是特别灵敏，感应距离有限，主要原因是由于模型中的元器件为实验器件，价格便宜，因此精度不够。实际生产过程中，我们可以选择其他较为灵敏的器件，如将红外换成热释电红外线传感器[6]，这样就能主动接收人体辐射的红外线，不需要自己发射。这样就能满足人进入该区域时，能立即被检测到，该方案也被人证明可行。

在控制思想上，最先的思路为不划分区域，直接检测分析，但这样一来，人的运动方向很难被确定，尤其是交叉、十字路口。因此，采用分区域检测控制方式能有效地简化控制模型，更好地编程，更利于实现。

5 结论

针对现在公共场所路灯、走廊灯的不合理开启，现有的智能感应灯控制反应延迟等现象，本文提出了一种基于优化策略的智能灯控制系统，对其进行了理论分析、电路设计和模型制作。在制作的智能灯系统模型基础上，对优化策略进行了测试，结果表明，基于优化策略的智能灯控制系统能更好地实现感应灯的智能控制，更加人性化。

【参考文献】

[1]廖赟，胡健生，黄金志，吕春书.路灯节能控制系统[J].电子世界，2005（10）.

[2]刘聪瑜，刘侠，汝彦东，王国军.基于ADE7758 的智能路灯节能控制系统的设计[J].信息技术，2008（11）.

[3]温武，陈耀华.基于单片机控制的LED 灯具智能开关控制系统[J].电脑知识与技术，2010（13）.

[4]李波.家用智能热释电红外感应灯的功能原理及检修[J].新课程学习（下），2012（12）.

[5]温武，古鹏.红外感应式智能开关控制系统的设计和实现[J].科技信息，2010（14）.

[6]沈梁锋.红外线感应灯的应用及相关问题的解决[J].科技信息，2006（01）.