基于人工智能的智慧建筑照明自动化控制系统

穆泉承

（中国建筑技术集团有限公司，北京 100013）

0 引 言

随着经济全球化的高速发展，能源短缺问题成为制约人类社会发展的首要因素，在发展与环境之间的矛盾日益加剧的前提下，我国提出了可持续发展政策，在发展社会经济的同时，进行节能减排，降低污染，为后代的发展提供可持续的动力。在此理论的指导下，智慧建筑应运而生。智慧建筑是一种通过现代电脑技术、现代通信技术和现代控制技术，为住户提供优质服务的建筑形式[1]。现阶段，人工智能技术在建筑中应用的比例不断增加，成为建筑功能的核心。在智能建筑中，如何实现照明自动化一直都是建筑领域研究的重点问题。

在以往的研究中，部分专家学者提出了智慧建筑照明自动化控制系统，此系统在一定程度上可对建筑中的照明系统进行控制，但部分条件下其控制效果并不满足当前对照明系统的管理要求[2]。针对此问题，在本次研究中将人工智能技术中的部分方法引入到系统的软件模块中，对系统的使用性能展开提升，并对其应用效果加以分析，力求在当前系统的基础上，得到管理能力更佳的控制系统。降低智慧建筑整体能耗，推动此类建筑控制技术的发展。

1 基于人工智能的智慧建筑照明自动化控制系统硬件设计

本次研究为保证人工智能技术可与软件模块有机融合且正常运行，对智慧建筑照明自动化控制系统的硬件部分展开优化设计，为软件的升级优化提供平台。在进行多轮分析后，将优化后的系统硬件框架设定为图1所示内容。

对图1进行分析可以看出，本次研究中在原有系统硬件框架的基础上增设了无线通信网络接口，并根据此接口对中央控制器进行了完善，从整体的角度提升了系统的基础功能。为了对此系统硬件进行全面分析与设定，将优化内容具体显示如下。

1.1 无线通信网络接口优化设计

根据自动化控制要求，将此系统的无线通信网络接口设定为3个部分，MCU模块、RF射频模块以及开发板外围。对于本次系统而言，在网络的接口设计中还需考虑到下述因素：（1）由于此系统多为分布式系统，因此网络接口需要体积较小，且能耗较低；（2）为便于系统的推广应用，在选择网络接口控制芯片时，需要保证芯片的经济性。

根据上述两部分内容，此次研究中将无线通信网络接口的控制芯片型号设定为DM9000AEP，此芯片为单芯片形式。为保证此芯片的应用性能，将此芯片作为内核，设定其外部电路，具体组成部分如下所示：（1）AES安全协处理器1个；（2）UART 4个；（3）通用定时器4个；（4）IEEE 802.15.4 MAC定时器2个；（5）8通道12位AD模数转换器4个。

按照上述设定，对无线通信网络接口展开设定，并将其与原有的网络接口进行替换，应用到系统硬件结构中。

1.2 中央控制器优化设计

在本研究中，中央处理器除了需要满足基础功能外，需要解决信号处理速度与系统能耗消耗之间的问题。根据此设计要求，对大量的嵌入式单片机性能进行分析后，选择STM32F103RBT6作为文中系统的核心控制器。为了能够顺利的对系统软件程序进行编写，对中央控制器开发板组成结构展开设计，具体组成部分如下所示：（1）信号传感器2个；（2）能耗监测传感器4个；（3）电源模块1个；（4）数据存储器1个；（5）时钟模块1个。

将上述设定内容应用到中央控制器的开发板中。与此同时，根据系统中其他硬件的供能要求，将电源电路划分为两路，其一是由电源管理芯片管理TNY254P的支路1，将直流电220 V转化为5 V；其二是将5 V直流电通过稳压处理，得到3.5 V直流电的支路2 。使用此两部分支路，实现系统的供能。

2 基于人工智能的智慧建筑照明自动化控制系统软件设计

完成系统硬件设计后，使用人工智能技术中的双模糊控制器对智慧建筑照明功能展开控制。根据当前照明系统的控制要求，在此控制器使用前，根据照明控制要求，设定控制规则库。

在控制器的使用过程中，为保证控制输出量的可靠性通过模糊推理机将控制输入量清晰化处理，根据各个输入值隶属函数曲线与X轴所构成的面积重心作为控制器的最终输出值[3,4]。具体计算过程如下：

式中，b表示控制器输入值；αn(·)表示输出隶属度函数；d表示输入值隶属函数曲线与X轴所构成的面积重心到Y轴的距离。使用此公式得到控制器的输出量，使用此输出量对建筑的照明系统展开控制。得到控制量后，通过无线通信技术将控制信号由中央控制器传输到各照明系统的控制节点，利用Modbus协议[5]进行数据解析，从而对建筑内每一个灯具进行控制。在控制过程中设定激活函数，以此控制照明系统的开关，解决照明控制效果不佳的问题。对上文中设定系统硬件与系统软件进行整合，将其有序架设到当期系统中。至此，基于人工智能的智慧建筑照明自动化控制系统设计完成。

3 系统测试分析

在本次研究中提出了一种基于人工智能的智慧建筑照明自动化控制系统，为证实此系统可对当前系统应用问题进行完善与优化，构建系统测试环节对此系统的基础性能进行分析。

3.1 系统测试方案

本次系统测试默认系统硬件连接良好且系统整体功能运行平稳，仅对系统基础性能展开测试分析。选择城市中某15层建筑作为测试对象，此建筑每层有3个走廊灯，每个走廊灯采用楼层－灯序号形式进行排序，假设需要控制8层的第2个走廊灯，则可表示为D8-2。在系统测试前，设定智慧建筑的照明控制要求，并将其整合为测试案例的方式，将其导入系统中，使用文中系统完成照明控制，分析文中系统的控制效果。具体测试案例内容如表1所示。

将表1中指令作为文中系统的输出指令，此指令验证文中系统的照明控制效果。由于本次系统测试操作过程较为复杂，为降低系统测试操作难度，采用仿真测试的方式，完成整体研究过程。同时，使用当前系统与文中系统进行对比分析。在测试完成后，对系统输出指令的误差值进行统计，以便于后续分析过程的实现。

表1 系统性能测试案例

3.2 系统测试结果分析

按照上文中预设的系统测试方法，统计文中系统所输出控制指令，并将其作为系统测试结果进行分析，具体结果如表2所示。

对表2中数据进行分析可以看出，文中系统输出的控制指令与系统性能测试案例中输入的控制指令大致相同，并没有出现大幅度的变化。表3中数据证实了当前系统输出控制指令可靠性较差的问题，大部分的测试组中均出现异常指令。为了更好地对其进行分析，计算了每个测试组实际输出指令与输入控制指令的误差值，具体结果如下：KZZL-02为0.0%；KZZL-03为 0.0%；KZZL-04为 0.0%；KZZL-05为20.0%。对KZZL-04的误差情况展开分析可以看出，虽然此两组出现了控制误差，但指令中的楼层信息并未出现问题，只是走廊灯的序号出现问题，说明文中系统输出的控制指令可靠性较高。整合上述分析结果可以确定，本次研究中提出的系统使用控制性能得到提升。

表2 文中系统输出控制指令

表3 当前系统输出控制指令

4 结 论

针对当前建筑照明控制问题，提出一种基于人工智能的智慧建筑照明自动化控制系统。通过系统测试证实了此系统可有效提升系统的控制能力，降低错误指令的输出比例。但由于时间限制，此次系统测试用例较少，在日后的研究中还需增加系统测试用例数量，确定文中系统可进行推广应用，以此为智能建筑提供效果更好的照明控制系统。