基于模糊控制論的圖書館智能照明控制系統(tǒng)設計

陳潤平，付志紅

CHEN Run-ping1,2, FU Zhi-hong1

（1.重慶大學 電氣工程學院，重慶 400044；2.重慶文理學院 圖書館，重慶 402160）

0 引言

社會經(jīng)濟的快速發(fā)展使人們對能源的需求日益提升，由于長時期對煤、石油、天然氣等天然資源的開采，導致了生態(tài)平衡被人為破壞，環(huán)境問題和能源短缺的問題逐步突顯。如何節(jié)約能源和保護環(huán)境成為全社會普遍關注的焦點問題。圖書館是人們學習、閱覽書籍的重要場所，光環(huán)境的優(yōu)劣將直接影響著讀者的身心健康，其服務職能決定了圖書館是一個用電大戶。如何能保障讀者健康的學習，又能最大限度節(jié)約能源？近年來，隨著微電子、自動控制和計算機等技術的不斷發(fā)展，智能照明控制系統(tǒng)得到逐步完善，方便、舒適、靈活的高質量照明和節(jié)能、降耗、高效的綠色照明得以實現(xiàn)。

1 圖書館的照明現(xiàn)狀

國內外很多公共場所已經(jīng)實現(xiàn)對燈光的智能控制，但由于技術、資金、建筑設計等多方面因素，我國圖書館的照明用電仍處于一種粗放型的管理狀態(tài)。主要為以下二種模式：一是無專人管理，由上班老師或學生自行控制開關；二是利用定時開關，根據(jù)作息時間開啟、關閉圖書館的照明電源。而圖書館的閱覽室、自習室以及書庫等出入人數(shù)較多的地方，館員、讀者難以控制開關燈數(shù)量和時間。因此，這些地方不管是否有人，不管有多少人，不管日照是否達到閱讀要求，燈光照明長期開啟，造成了電能的巨大浪費。然而對于少數(shù)采光效果較好的圖書館，為節(jié)約能源開光常閉，在自然光照度不能滿足人們閱讀需求時，往往沒有及時打開燈光，給人的視力健康帶來影響。這樣的照明方式既不能達到節(jié)能，又不能實現(xiàn)“以人為本”的照明要求。實現(xiàn)有人活動的地方必須有足夠的照度(不論是日光照明還是人工照明)，保護人的視覺健康，沒有人的區(qū)域，應該熄滅燈光，以節(jié)約能源的“綠色”、智能照明方式已成為時代發(fā)展的必然要求。

2 圖書館模糊控制論

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數(shù)字控制，它是智能控制的重要組成部分之一，其核心是將輸入變量模糊化和輸出變量的去模糊化過程。目前，在照明設計中考慮最多的是自然光和傳感器的利用，圖書館智能照明控制技術是在保證照明質量的前提下，節(jié)約電能的消耗.，因此，在模糊推理中，需要考慮推理的輸入條件主要有天氣和時段不同引起室內光線強弱的變化和是否有人，而輸出結果為燈的開關、燈光強弱。

2.1 光線強弱變量X的模糊化

根據(jù)圖書館的照度要求，一般情況下，適合于閱讀、書寫環(huán)境的以300lx—500lx較為舒適。我們取變量“圖書館室內環(huán)境光線的強弱”的論域取為{10lx，50lx，100lx，200lx，300lx}，將它們分為四個模糊子集；“黑暗”、“陰暗”、“較陰暗”、“較明亮”、“明亮”，其隸屬度函數(shù)如圖1所示。

2.2 圖書館中某個區(qū)域是否有人Y的檢測

測試圖書館某個區(qū)域內是否有人可以采用紅外傳感器，如果有人進入該區(qū)域，輸出高電平信號，經(jīng)單片機處理信號，點亮照明燈。如果人沒有離開就繼續(xù)輸出，人離開后就變成低電平，照明燈熄滅。

圖1 光線的強弱X的隸屬度函數(shù)

圖2 燈光強弱Z的隸屬度函數(shù)

2.3 輸出及其模糊化

該系統(tǒng)只有一個輸出量，即照明燈的開關與強弱Z。將其論域取為 {0w，10w，25w，60w，80w}，分為5個模糊子集：熄滅、弱光、適中光、較強光、強光。相應的隸屬度函數(shù)如圖2所示。

2.4 模糊規(guī)則設計

照明燈有兩個輸入量和一個輸出量，其模糊規(guī)則的結果為：

IF X and Y then Z

其中X、Y是前提，Z是結論。

我們設橫坐標為圖書館室內光線的強弱，縱坐標為是否有人，得出的條件和結論見表1。

表1 模糊規(guī)則推理表

3 圖書館智能照明控制系統(tǒng)的設計

圖書館智能照明的核心是照明燈模糊控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用AT98S51單片機作為模糊控制器，利用紅外傳感器和光敏電阻采集室內是否有人和光照強度的信息，經(jīng)轉換轉換處理后，送至單片機進行模糊化處理，然后，單片機按照模糊推理合成規(guī)則計算得到控制變量，并進行非模糊化處理，轉變?yōu)榫_量，控制燈光的具體功率大小，實現(xiàn)照明燈亮度及開關的自動控制。該系統(tǒng)主要由五部分組成：電源模塊、人體信號感應與處理模塊、光信號采集與處理模塊、中心處理控制模塊、輸出模塊。

3.1 系統(tǒng)硬件電路設計

針對圖書館智能照明要求，我們以AT98S51單片機為核心，設計了集采集、處理、控制、輸出為一體的自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電源模塊、人體信號感應與處理模塊、光信號采集與處理模塊、中心處理控制模塊、輸出模塊等五個部分組成。

3.1.1 人體信號感應與處理模塊

圖3為人體信號感應與處理模塊。人體紅外信號利用紅外傳感器PIR采集，在其傳感器的前端配有一個半球形的菲涅爾透鏡，能將收集到的紅外線最大限度地聚焦于管子頂部的方形濾光片上，使接受距離大幅度提高。當人進入感應范圍，人體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個適當?shù)慕咕啵嗽谕哥R前運動時，順次從某一單元透鏡視場進入又退出，投射信號會出現(xiàn)一個接一個的斷續(xù)信號，但是熱源信號始終都是集中在透鏡中部的，將連續(xù)的熱源信號變成斷續(xù)的輻射信號，紅外光正好被探頭接收，探頭將光信號變成電信號傳遞給CS9803 GP。CS9803GP對PIR感測信號經(jīng)二級放大，再經(jīng)窗口電壓比較判斷是否有觸發(fā)，有則輸出高電平，接通繼電器RELAY，將控制信號送至單片機AT89S51[3]。

圖3 CS9803GP工作原理圖

3.1.2 光信號采集與處理模塊

為了采集光信號，我們需要在室內設置光線強弱檢測器，它能夠方便的檢測閱讀書寫環(huán)境的光照度，從而決定燈光的強弱；由于在眾多的光電檢測器件中，光敏電阻較之光電二極管、光電三極管等的靈敏度要高，若受光強度較弱，則呈現(xiàn)的阻值較大，否則相反。然后用8位逐次逼近型A/D轉換器ADC0809對采集的光強信號進行轉換，在模擬通道IN0端接入光敏電阻和三極管控制信號輸入，當可見光大于一定程度（照度X＞300lx）時，光敏電阻呈現(xiàn)低阻態(tài)，三極管的基極電流升高，飽和導通，ADC0809轉換器的IN0腳無輸入信號。當自然光強度小于一定程度時，光敏電阻呈現(xiàn)高阻態(tài)，基極電流降低，三極管斷開，IN0腳有輸入信號，驅動ADC0809轉換器工作，A/D轉換后得到的數(shù)據(jù)，在OE信號有效時，就打開三態(tài)門輸出，及時將轉換的數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，傳送給單片機AT89S51進行處理。

3.1.3 單片機控制模塊

根據(jù)AT89S51各引腳功能，電路使用VCC腳輸入人體感應信號，P1.0-P1.7端口感知可見光的信號。當可探測范圍內有人移動時，PIR將感測到信號并經(jīng)CS9803GP進行轉換輸出，啟動繼電器接通，驅動AT89S51單片機工作。此時如果室內光線強時，光敏電阻R9阻值變小，A/D轉換器ADC0809輸入端電壓值降低，單片機P1端口輸入信號微弱，AT89S51輸出控制可控硅導通角幾乎為零，不能促使RL點亮。反之，當室內光線較弱時，光敏電阻R10阻值變大，A/D轉換器ADC0809將輸入信號轉換輸出，單片機P1端口輸入將變?yōu)楦唠娖剑@時單片機AT89S51輸出端P0將置為低電平，經(jīng)反相后變?yōu)楦唠娖剑瑥亩筂OC3021導通并觸發(fā)雙向可控硅導通角變大，實現(xiàn)調光功能。

3.1.4 輸出控制模塊

圖4為輸出控制模塊。其電路的工作原理是：單片機響應用戶的參數(shù)設置，在I/O 口輸出一個高電平，經(jīng)反向器反向后，送出一個低電平，使光電耦合器導通，同時觸發(fā)雙向可控硅，使工作電路導通工作。在給定時間內，負載得到的功率可用下式表示：

式中P─負載得到的功率n─給定時間內可控硅導通的正弦波個數(shù)N ─給定時間內交流正弦波的總個數(shù)U─可控硅在一個電源周期全導通時所對應的電壓有效值I─可控硅在一個電源周期全導通時所對應的電流有效值。由（1）式可知，U，I，N是定值，只要改變n 值的大小即可控制功率的輸出，從而達到調節(jié)RL的功率，改變LED燈的亮度[4]。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

本程序采用模塊化設計思想，各模塊功能在子程序中實現(xiàn)，簡化了主程序模塊、使程序設計思路清晰、結構簡潔。系統(tǒng)運行過程中通過主程序調用兩個信號輸入模塊子程序，使被動式熱釋電紅外探測器輸出的開關信號和可見光探測器輸出的室內亮度控制信號傳輸?shù)絾纹瑱C中，經(jīng)單片機對信號控制處理后，輸出編碼信號，在I/O口P0輸出一個高電平，經(jīng)反向器反向后，送出一個低電平，使光電耦合器導通，同時觸發(fā)雙向可控硅的導通角，實現(xiàn)調光功能，達到智能照明的目的。

圖4 可控硅過零調功原理圖

3.3 系統(tǒng)功能測試與分析

我們在不同光強下對智能照明電路進行了測試，結果如圖5所示。圖中輸出波形為控制腳P0.0經(jīng)反相器后的信號，圖5（a）是光信號弱時的輸出信號，由圖可知在一個周期里低電平輸出時間明顯比高電平時間長很多，因此光電耦合器導通時間長，雙向可控硅導通的正弦波個數(shù)就多，負載獲得的平均輸出功率大，燈具變亮而圖5（b）中輸出的高電平觸發(fā)時間較（a）長，所以光電耦合器導通時間變短，雙向可控硅導通的正弦波個數(shù)就變少，負載獲得的平均輸出功率降低，燈具變暗，進而完成了照明電路的智能控制，實現(xiàn)了設計目標。

圖5 輸出波形

4 結束語

針對圖書館照明特點和要求，本文設計了基于模糊控制理論的智能照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設計思想使系統(tǒng)設計科學、合理；選用器件以常見元件為主，使系統(tǒng)制作成本較低；在不同光強下進行控制電路波形測試表明該系統(tǒng)能滿足圖書館特殊照明要求，對改善圖書館環(huán)境，提高服務質量和節(jié)能減排工作等有一定促進作用。

[1]圖書館模糊照明燈的設計[EB/OL].http∶// c398e8c708a 1284ac850434a.html.

[2]趙玲, 伏安慶.智能LED節(jié)能照明系統(tǒng)的設計[J].器件制造與應用.2008 (2)∶ 137-140.

[3]邵明省, 李新軍.基于紅外熱釋電處理芯片CS9803GP 的人體感應開關設計[J].2008(3)∶ 25-26.

[4]樊月珍, 江發(fā)潮.基于AT89C51的交流電機調速控制系統(tǒng)設計[J].微計算機信息.2009 (8)∶ 1-5.