基于人工智能的智慧建筑照明自動化控制系統

穆泉承

（中國建筑技術集團有限公司，北京 100013）

0 引 言

隨著經濟全球化的高速發展，能源短缺問題成為制約人類社會發展的首要因素，在發展與環境之間的矛盾日益加劇的前提下，我國提出了可持續發展政策，在發展社會經濟的同時，進行節能減排，降低污染，為后代的發展提供可持續的動力。在此理論的指導下，智慧建筑應運而生。智慧建筑是一種通過現代電腦技術、現代通信技術和現代控制技術，為住戶提供優質服務的建筑形式[1]。現階段，人工智能技術在建筑中應用的比例不斷增加，成為建筑功能的核心。在智能建筑中，如何實現照明自動化一直都是建筑領域研究的重點問題。

在以往的研究中，部分專家學者提出了智慧建筑照明自動化控制系統，此系統在一定程度上可對建筑中的照明系統進行控制，但部分條件下其控制效果并不滿足當前對照明系統的管理要求[2]。針對此問題，在本次研究中將人工智能技術中的部分方法引入到系統的軟件模塊中，對系統的使用性能展開提升，并對其應用效果加以分析，力求在當前系統的基礎上，得到管理能力更佳的控制系統。降低智慧建筑整體能耗，推動此類建筑控制技術的發展。

1 基于人工智能的智慧建筑照明自動化控制系統硬件設計

本次研究為保證人工智能技術可與軟件模塊有機融合且正常運行，對智慧建筑照明自動化控制系統的硬件部分展開優化設計，為軟件的升級優化提供平臺。在進行多輪分析后，將優化后的系統硬件框架設定為圖1所示內容。

對圖1進行分析可以看出，本次研究中在原有系統硬件框架的基礎上增設了無線通信網絡接口，并根據此接口對中央控制器進行了完善，從整體的角度提升了系統的基礎功能。為了對此系統硬件進行全面分析與設定，將優化內容具體顯示如下。

1.1 無線通信網絡接口優化設計

根據自動化控制要求，將此系統的無線通信網絡接口設定為3個部分，MCU模塊、RF射頻模塊以及開發板外圍。對于本次系統而言，在網絡的接口設計中還需考慮到下述因素：（1）由于此系統多為分布式系統，因此網絡接口需要體積較小，且能耗較低；（2）為便于系統的推廣應用，在選擇網絡接口控制芯片時，需要保證芯片的經濟性。

根據上述兩部分內容，此次研究中將無線通信網絡接口的控制芯片型號設定為DM9000AEP，此芯片為單芯片形式。為保證此芯片的應用性能，將此芯片作為內核，設定其外部電路，具體組成部分如下所示：（1）AES安全協處理器1個；（2）UART 4個；（3）通用定時器4個；（4）IEEE 802.15.4 MAC定時器2個；（5）8通道12位AD模數轉換器4個。

按照上述設定，對無線通信網絡接口展開設定，并將其與原有的網絡接口進行替換，應用到系統硬件結構中。

1.2 中央控制器優化設計

在本研究中，中央處理器除了需要滿足基礎功能外，需要解決信號處理速度與系統能耗消耗之間的問題。根據此設計要求，對大量的嵌入式單片機性能進行分析后，選擇STM32F103RBT6作為文中系統的核心控制器。為了能夠順利的對系統軟件程序進行編寫，對中央控制器開發板組成結構展開設計，具體組成部分如下所示：（1）信號傳感器2個；（2）能耗監測傳感器4個；（3）電源模塊1個；（4）數據存儲器1個；（5）時鐘模塊1個。

將上述設定內容應用到中央控制器的開發板中。與此同時，根據系統中其他硬件的供能要求，將電源電路劃分為兩路，其一是由電源管理芯片管理TNY254P的支路1，將直流電220 V轉化為5 V；其二是將5 V直流電通過穩壓處理，得到3.5 V直流電的支路2 。使用此兩部分支路，實現系統的供能。

2 基于人工智能的智慧建筑照明自動化控制系統軟件設計

完成系統硬件設計后，使用人工智能技術中的雙模糊控制器對智慧建筑照明功能展開控制。根據當前照明系統的控制要求，在此控制器使用前，根據照明控制要求，設定控制規則庫。

在控制器的使用過程中，為保證控制輸出量的可靠性通過模糊推理機將控制輸入量清晰化處理，根據各個輸入值隸屬函數曲線與X軸所構成的面積重心作為控制器的最終輸出值[3,4]。具體計算過程如下：

式中，b表示控制器輸入值；αn(·)表示輸出隸屬度函數；d表示輸入值隸屬函數曲線與X軸所構成的面積重心到Y軸的距離。使用此公式得到控制器的輸出量，使用此輸出量對建筑的照明系統展開控制。得到控制量后，通過無線通信技術將控制信號由中央控制器傳輸到各照明系統的控制節點，利用Modbus協議[5]進行數據解析，從而對建筑內每一個燈具進行控制。在控制過程中設定激活函數，以此控制照明系統的開關，解決照明控制效果不佳的問題。對上文中設定系統硬件與系統軟件進行整合，將其有序架設到當期系統中。至此，基于人工智能的智慧建筑照明自動化控制系統設計完成。

3 系統測試分析

在本次研究中提出了一種基于人工智能的智慧建筑照明自動化控制系統，為證實此系統可對當前系統應用問題進行完善與優化，構建系統測試環節對此系統的基礎性能進行分析。

3.1 系統測試方案

本次系統測試默認系統硬件連接良好且系統整體功能運行平穩，僅對系統基礎性能展開測試分析。選擇城市中某15層建筑作為測試對象，此建筑每層有3個走廊燈，每個走廊燈采用樓層－燈序號形式進行排序，假設需要控制8層的第2個走廊燈，則可表示為D8-2。在系統測試前，設定智慧建筑的照明控制要求，并將其整合為測試案例的方式，將其導入系統中，使用文中系統完成照明控制，分析文中系統的控制效果。具體測試案例內容如表1所示。

將表1中指令作為文中系統的輸出指令，此指令驗證文中系統的照明控制效果。由于本次系統測試操作過程較為復雜，為降低系統測試操作難度，采用仿真測試的方式，完成整體研究過程。同時，使用當前系統與文中系統進行對比分析。在測試完成后，對系統輸出指令的誤差值進行統計，以便于后續分析過程的實現。

表1 系統性能測試案例

3.2 系統測試結果分析

按照上文中預設的系統測試方法，統計文中系統所輸出控制指令，并將其作為系統測試結果進行分析，具體結果如表2所示。

對表2中數據進行分析可以看出，文中系統輸出的控制指令與系統性能測試案例中輸入的控制指令大致相同，并沒有出現大幅度的變化。表3中數據證實了當前系統輸出控制指令可靠性較差的問題，大部分的測試組中均出現異常指令。為了更好地對其進行分析，計算了每個測試組實際輸出指令與輸入控制指令的誤差值，具體結果如下：KZZL-02為0.0%；KZZL-03為 0.0%；KZZL-04為 0.0%；KZZL-05為20.0%。對KZZL-04的誤差情況展開分析可以看出，雖然此兩組出現了控制誤差，但指令中的樓層信息并未出現問題，只是走廊燈的序號出現問題，說明文中系統輸出的控制指令可靠性較高。整合上述分析結果可以確定，本次研究中提出的系統使用控制性能得到提升。

表2 文中系統輸出控制指令

表3 當前系統輸出控制指令

4 結 論

針對當前建筑照明控制問題，提出一種基于人工智能的智慧建筑照明自動化控制系統。通過系統測試證實了此系統可有效提升系統的控制能力，降低錯誤指令的輸出比例。但由于時間限制，此次系統測試用例較少，在日后的研究中還需增加系統測試用例數量，確定文中系統可進行推廣應用，以此為智能建筑提供效果更好的照明控制系統。