人工照明節能智能控制在地鐵車站照明系統的應用

查干巴雅爾 江杰

內蒙古科技大學

人工照明節能智能控制在地鐵車站照明系統的應用

查干巴雅爾 江杰

內蒙古科技大學

針對地鐵車站的特殊地理環境以及影響車站內光環境的主要因素，筆者提出改善地鐵車站光環境質量以及節能的地鐵車站照明控制方法，并對地鐵車站照明控制策略進行了研究及制定。

智能照明控制器 模糊控制 CAN總線

一、影響地鐵車站照明的主要因素

（一）照度和亮度。照度水平作為照明的數量指標。在確定照度水平時要結合實際照明效果、舒適感、節能環保、經濟等因素綜合考慮。單純的提高照度對照度水平有一定的改善效果，但并非照度越高越好。對于一般的照明應該提出照明均勻度的要求。

（二）色溫。地鐵車站的照明設計應分兩部分，一部分是著重照明的功能性，而另一部分則著重于照明的藝術性，光源色溫的設計則是兩者的結合點。地鐵車站內光源顏色直接影響乘客的心理變化，所以選擇不同顏色的光源是地鐵車站內部照明設計的重要部分。

（三）眩光。眩光包括 失能眩光和不舒適眩光兩種。通常情況下，我們可以通過增加光源的背景亮度或者降低光源的表面亮度來消除不舒適眩光。另外可以調整光源的亮度、視野中光源的數量和位置、光源表面的尺寸和眼睛的適應亮度水平來消除眩光對視覺造成的干擾。

（四）光環境舒適度。舒適度是無法直接測量的物理量，而對光環境舒適度的描述方法則較少。就照度而言，人眼存在著照度的最佳值，眼睛改變入射光量和適應光量，調節視網膜感光度的能力稱為視覺適應，它取決于環境的亮度、建筑空間內部的光反射特性等因素。其次，當環境中照度變化過快時，眼睛難以及時適應環境照度變化，從而易引起視覺疲勞，所以照度應到達一定范圍，同時滿足一定的均勻性。

二、智能照明控制系統總體設計

（一）系統設計目標。系統設計的目標是通過系統的前段控制器，對車站現場進行照度、乘客流量數據的實時采集，并通過CAN 總線將實時數據傳送至上位機，并結合模糊神經網絡智能控制算法，對地鐵車站不同區域的照明燈具經行控制，在國家相關規范規定的范圍內，改變車站的照度。整個系統無需人工進行操作，使得該照明控制系統達到真正的智能化。

（二）系統功能分析。根據地鐵車站內部光環境的特點、乘客需求，以及傳統照明系統的缺點和不足，本文所設計的智能照明控制系統應當具備以下的功能：巡檢功能、信息采集功能、自動控制功能、通信功能。并利用 CAN 總線通信技術，能夠進行前段控制器之間以及和控制中心之間的實時數據傳輸，并保證通信的可靠性。

（三）系統總體結構。地鐵車站智能照明控制系統主要由上位機、交換機、網絡控制器、前段控制器、傳感器等底層設備組成。

三地鐵車站人工光環境智能控制研究

（一）基于模糊推理的地鐵車站人工光環境控制

1.模糊推理概述。模糊集合的概念，是20世紀60年代，由美國的加利福尼亞大學扎德教授第一次提出的。模糊控制器主要由規則庫、推理機、模糊化接口、反模糊化接口四個部分所組成。其中，規則庫主要是將專家知識和工作人員長期從事某領域所獲得豐富的經驗進行量化。模糊化接口用來接收控制器的輸入并將其進行模糊處理，之后推理機根據規則做出控制決策,最終，反模糊化接口將控制決策轉化為系統輸出。

2.輸入量的模糊化。本文將模糊邏輯應用于智能照明控制系統中。模糊化的實質是將對系統輸入映射至相對應的論域。在一般的模糊系統中，輸入都為精確值，之后進行數據的規范化和模糊化，將其對應至對應的論域。

3.模糊推理規則。模糊規則是根據我們的感知進行推理后的一種語言表達，是通過相關專家知識以及工作人員長期操作所獲得的豐富經驗來進行建立的。模糊規則通常由and、else、also、if-then等關聯詞所組成，常用于由多變量所構成的模糊控制系統。

在模糊控制系統中，我們將系統輸入作為前提，將所獲得的結論作為相應輸出。多個輸入出個輸出和多個輸入單個輸出是常見的形式。

建立準確、合理的模糊規則是模糊控制系統的關鍵所在，建立模糊控制規則的方法依據主要有：根據相關專家和工作人員的豐富的長期經驗、根據控制過程建立模糊控制模型等。

4.反模糊化。再將輸入進行模糊化的處理，并利用模糊規則進行推理后，所得到的依舊是一個模糊量的輸出，然而，系統的最終執行單元所要求的是精確值，因此，就需要進行反模糊化判決。常用的反模糊化方法主要有：最大隸屬度法、中位數法、和加權平均法。本文選擇加權平均法來進行解模糊。

（二）智能控制器硬件設計

1.SD卡存儲設計。控制器主要利用SD卡進行數據存儲，通信方式采用SD的SPI模式。控制器采集到現場信息自動存儲到SD卡，同時可在上位機進行查看。SD卡引入了FatFs文件系統，這就使得工作人員可在PC機上對采集到的數據進行監測和分析。SD卡存儲程序設計主要包括SD通信程序的設計和FatFs移植程序兩部分。

2.液晶顯示程序設計。本文選用LCD1 2864液晶顯示屏作為人機交互模塊，該模塊自帶中文字庫，可構成全中文人機交互圖形界面。

3.照度采集程序設計。控制器采用BH1 750照度傳感器，來進行地鐵車站內部實時照度的采集。STM32對BH1750進行控制都是通過I2C總線進行的。BH1750照度傳感器始終處于微處理器STM32的控制下進行所采集數據的傳輸，STM32作為控制器主芯片，對BH1750發送始終信號，BH1750通過I2C總線讀取指令。控制器采光過程分為控制器發送指令和讀取數據兩個部分。

四、智能控制系統軟件設計

智能控制器的軟件設計，是在硬件設計、搭建完成后，確定了各個器件、模塊的功能后，對各個器件和模塊進行軟件方面的初始化、編程等。

1.軟件開發環境及設計。本文采用Keil μVision4 IDE作為系統的軟件開發環境。STM32的開發工具選用J-LINK。軟件的總體設計主要針對控制器的硬件電路設計，對控制器進行軟件程序設計。

2.智能控制器主控程序設計。智能照明控制系統在每次啟動控制器的時候，都需要對控制器進行初始化工作。控制器接收其它節點以及上位機通過CAN總線發送來的數據后，人機交互界面進行顯示，并且通過對當前運營時間的判斷，調整當前車站內人工光環境情景模式的轉變，并結合模糊神經網絡算法，對車站實時照度經行進一步的調節。