1、<p>　　采用可見光通信技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)</p><p>　　Mitsunori Miki</p><p>　　日本東京同志社大學(xué)知識工程處</p><p>　　Emi Asayama</p><p>　　日本東京同志社大學(xué)工學(xué)研究處</p><p>　　Tomoyuki Hiroyasu</p

2、><p>　　日本東京同志社大學(xué)知識工程處</p><p>　　摘要---近些年來，各種各樣的設(shè)備變得更加智能化。在此研究中，為了實現(xiàn)燈具和照度傳感器質(zhì)檢的的直接通信，我們提出了一個使用可見光通信技術(shù)的智能照明系統(tǒng)，以便對到所需位置提供必要的照度。實際上，我們構(gòu)造了一個模擬實驗，并在此概念的基礎(chǔ)上驗證了新開發(fā)的控制方法的有效性。驗證測試采用了專門用于照明的優(yōu)化控制算法，結(jié)果表明，不同照度傳感器

3、在很短的時間內(nèi)就能達到到預(yù)設(shè)的目標照度。我們還證實，該系統(tǒng)能適應(yīng)地回應(yīng)照度傳感器的運動。</p><p>　　關(guān)鍵詞---智能，照明系統(tǒng)，自主分配控制，節(jié)能，可見光通信，熒光燈，系數(shù)關(guān)聯(lián)</p><p><b>　　一 簡介</b></p><p>　　近年來，電器，汽車，飛機和各種其他系統(tǒng)變得越來越智能化，系統(tǒng)通過自主控制來適應(yīng)用戶和環(huán)境，這

4、樣減輕了對人的負荷。 雖然在現(xiàn)實世界，系統(tǒng)通過這種方式變得更加智能，但是還沒有被應(yīng)用到照明系統(tǒng)，這是人類生活的必要和不可缺少的一部分。在許多非住宅樓 建筑項目中人工照明是主要的電力消費之一，占總電負荷的20-30％左右。例如，它是不可能實現(xiàn)的照明模式比其他強加于電擰在設(shè)計時，是不可能實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)氐恼彰鞫?。最近，技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為通過連接網(wǎng)絡(luò)單獨控制各種燈光的亮度，并配有先進的的人機界面系統(tǒng)。還有，有很多新的利用日光節(jié)約

5、能源的技術(shù)，并且這幾技術(shù)理論歸功于對日光的深入研究。例如，時間，光電開關(guān)控制已經(jīng)發(fā)展到改進和提高利用日光的效率，這樣就會喲喲更好的節(jié)能效果。然而，許多問題仍然存在。例如，它不可能自動在適當(dāng)?shù)奈恢锰峁┻m當(dāng)?shù)恼斩?，或允許其他照明，以補償在應(yīng)對照度照明設(shè)備故障上的不足。其他問題包括：當(dāng)光線照度傳感器被添加或在房間分區(qū)被更改無法迅速地響應(yīng)。</p><p>　　另一方面，我們已解決了這類問題，并提出了新的節(jié)約能源的智能照

6、明系統(tǒng)，控制照度在適當(dāng)?shù)牡攸c提供適當(dāng)?shù)恼彰鞫?。作為一個智能照明系統(tǒng)的控制算法提出“利用相關(guān)系數(shù)的自適應(yīng)鄰域算法”。通過理解通過相關(guān)的照明裝置及照度傳感器的位置信息，這有助于控制算法在一個目標照度和節(jié)能狀況的兩個因素短期內(nèi)收斂其實我們構(gòu)建了基本實驗系統(tǒng)也是基于這一理念去驗證這種控制算法的有效性。</p><p>　　然而，在ANA/ CC上依然有兩個問題。一個問題是，相關(guān)性可能不會正確采納歸因于照度傳感器分布位置。

7、這個問題成為一個比較大的環(huán)境中不可避免的事實。第二個問題是當(dāng)照明感應(yīng)器被移動時瞬間反應(yīng)不可能屬于協(xié)同與相關(guān)稀疏的計算。</p><p>　　在此研究中，我們解決了這些問題，并提出了一種新的智能照明系統(tǒng)，引入了可見光通信技術(shù)，加強了照明裝置和照度傳感器之間的直接信息傳遞確保應(yīng)該允許的位置信息可以立即被識別。我們將檢驗在引入智能照明系統(tǒng)后可見光通訊時的有效性。此外，我們將開發(fā)新的算法來控制系統(tǒng)。</p>

8、<p>　　二 什么是智能照明系統(tǒng)</p><p>　　2.1 智能照明系統(tǒng)概述：</p><p>　　所謂“智能照明系統(tǒng)“是指在多個燈具連接到一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時，能滿足各種照明燈具的照明的需求。下面介紹智能照明系統(tǒng)的功能。</p><p><b>　?。?）自主分散控制</b></p><p>　　在智能照明系

9、統(tǒng)，沒有對整個系統(tǒng)的控制元件。照度在每個位置為一個控制單元，使系統(tǒng)具有對故障的高魯棒性，和高可靠性，所以系統(tǒng)有很顯著的特征：它很容易添加照明裝置及照度傳感器，也沒有必要在安裝時設(shè)置身份證號之類的東西。并為每個照明燈具或照度傳感器布局信息。</p><p>　?。?）實現(xiàn)自主照明控制</p><p>　　現(xiàn)在的照明系統(tǒng)，唯一可實現(xiàn)的是開關(guān)模式通過擰方式實現(xiàn)的。然而，隨著智能照明系統(tǒng)的提出，是

10、有可能實現(xiàn)不依賴開關(guān)任意切換模式。此外，還可以切換使用任何所需的照明亮度的設(shè)備。因此，該系統(tǒng)是以不使用開關(guān)來實現(xiàn)節(jié)能的。</p><p>　　2.2 智能照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　該智能照明系統(tǒng)是通過連接多個智能照明裝置及照度傳感器和多個移動功率表到網(wǎng)絡(luò)。所謂“智能照明燈具“是指有一個控制器稱為學(xué)習(xí)設(shè)備的照明設(shè)備。這使得每個照明燈具可以獨立工作。通過網(wǎng)絡(luò)得到光照度的信息實現(xiàn)最佳照

11、明模式。</p><p>　　目前正在使用的照明控制算法被稱為“利用相關(guān)系數(shù)自適應(yīng)的鄰域算法“。它包含在相關(guān)的照明與通用優(yōu)化方法控制系數(shù)的基礎(chǔ)上的機制被稱為“隨機爬坡“。事實上，相關(guān)系數(shù)表明，存在兩個或更多的現(xiàn)象，改變成為一個集在一起。該算法計算出從“量改變發(fā)光強度”量照度傳感器是有效的相關(guān)性迅速收斂履行目標照度和節(jié)約能源的良好條件。</p><p>　　圖1展示了照明裝置之間的距離及照度

12、傳感器相關(guān)系數(shù)的原始距離和現(xiàn)在距離的關(guān)系例子。橫軸是步驟數(shù)。一燈和傳感器之間的相關(guān)性很高，但2燈和3燈的很低。此信息用于下一時刻亮度的產(chǎn)生。并且照明裝置在近距離照度傳感器應(yīng)適當(dāng)改變亮度和發(fā)光強度，以滿足亮度要求。</p><p>　　圖1 亮度和照度傳感器的關(guān)系</p><p>　　三 智能照明系統(tǒng)檢驗采用可見光光通信技術(shù)</p><p>　　3.1 可見光通信技術(shù)

13、</p><p>　　近來，隨著新的通信技術(shù)，可見光通訊技術(shù)，利用可見光進行通信已受到重視。與已經(jīng)存在的紅外通信的技術(shù)相比，可見光通信技術(shù)的特點如下所述：</p><p>　?。?）因為照明用電可直接用于通信，可以構(gòu)建簡單的設(shè)備無線通信環(huán)境。</p><p>　?。?）由于光不受任何無線電法例規(guī)管，它甚至可用在電波的禁區(qū)。</p><p>　

14、?。?）因為通信是通過可見光，傳輸和接收可以通過目視檢查進行確認，做好安全問題等。</p><p>　　元素發(fā)出可見光是發(fā)光二極管的可見光，可見光激光器，有機EL，可見光通信安裝技術(shù)會研究熒光燈。</p><p>　　3.2 提出系統(tǒng)綱要</p><p>　　我們提出了一個采用可見光通信技術(shù)的智能照明系統(tǒng)，以加速達到預(yù)設(shè)目標照度。一種轉(zhuǎn)換成光的照明設(shè)備，在接收終端的

15、照度傳感器的電信號被添加到傳統(tǒng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的配置圖顯示如圖2。在這個系統(tǒng)中，ID是給每個照明燈具進行可見光調(diào)制。光照度傳感器可以獲取每個燈具的ID并且照度傳感器可以通過燈光的ID信息是否被獲得。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，由于掌握位置信息不需要時間，對目標照度的銜接變得更早。</p><p>　　圖2采用VLC的智能照明控制系統(tǒng)配置圖</p><p>　　3.3 可見光通信技術(shù)簡介</p>

16、;<p>　　三種類型對照明燈具和照度傳感器的位置信息的理解方法，可考慮引入到可見光系統(tǒng)。第1類是其中唯一的可見光通信使用方法，第二是專門用于可見光通信和ANA/ CC的在不同的情況下而定的方法。而第三種方法是，結(jié)合可見光和ANA/ CC的。在本研究中，我們使用第三種方法，因為粗略的照度傳感器可通過和可見光的信息傳遞，通過對ANA/ CC對它們的詳細位置信息進行掌握。</p><p><b&g

17、t;　　3.4 控制算法</b></p><p>　　這個系統(tǒng)的控制算法是ANA/ CC的作為基于可見光通信技術(shù)進行的。這將被稱為ANA/ CC與可見光光通信（ANA/ CC的+ VLC）的結(jié)合。可視光通信用于理解的照明位置信息裝置及照度傳感器。該算法的流程如圖 3，解釋如下。</p><p>　　圖3該算法采用自適應(yīng)與相關(guān)系數(shù)可見光通信</p>

18、<p>　　1）初始參數(shù)如：初始亮度，目標設(shè)定照明度和每個燈具的初始亮度。</p><p>　　2）照明用的ID采用可見光通信技術(shù)進行傳播。</p><p>　　3）對個人購買個人照明燈具需要傳感器信息（照度傳感器ID，電流照度，目標照度，并轉(zhuǎn)交照明ID）和用電量，從功率計計算電量，并且計算照明度和發(fā)光性之間的關(guān)系。</p><p>　　4）計算目標函

19、數(shù)值。</p><p>　　5）根據(jù)信息傳感器來決定用電器臨近的用戶。</p><p>　　6）下一個亮度是根據(jù)相鄰的隨機生成的，照明燈具適用于那個亮度。</p><p>　　7）獲取個人照明燈具傳感器的信息和用電量，并計算相關(guān)的新的照度和亮度。8）由新的照度計算目標函數(shù)和用電量。</p><p>　　9）如果目標函數(shù)值進行了改進，即亮度設(shè)置

20、。返回到步驟2。</p><p>　　10）如果從第6步的目標函數(shù)值退化亮度的變化是取消。返回到步驟2。通過執(zhí)行上述操作，可以收斂到目標照度和電源節(jié)能狀態(tài)。究其原因重返從步驟7步驟2和8是回應(yīng)在環(huán)境變化如內(nèi)外光等。</p><p>　　通過執(zhí)行上述操作，可以收斂到目標照度和電源節(jié)能狀態(tài)。究其原因重返步驟7步驟2和8是反映外界環(huán)境變化等。</p><p>　　3.5

21、該算法在目標函數(shù)中使用</p><p>　　把智能的自主照明控制系統(tǒng)是把照度接近每個目標照度照度傳感器的目的是盡量減少電力使用量。目標函數(shù)中所使用該算法主要體現(xiàn)在（1）。這個目標函數(shù)是給每一個控制裝置。對整個系統(tǒng)的優(yōu)化促進了最大限度地減少每個照明燈具功能的目標。</p><p><b>　　f=p+</b></p><p><b>　

22、　P=</b></p><p>　　n: 照度傳感器的數(shù)量；</p><p>　　m：照明裝置的數(shù)量；</p><p>　　w：質(zhì)量；v：ID 采集狀態(tài)；</p><p>　　r：相關(guān)系數(shù)；p：用電量；</p><p>　　Lc: 當(dāng)前照度；Lt: 目標照度；Cd： 亮度；</p><p

23、>　　該計算法則設(shè)置的設(shè)計變量作為照明度 亮度，旨在為/在最小化（1）。 /是從g(i) 獲得克，它體現(xiàn)了目前照明度Lc，目標照明度Lt和用電量總和P之間的差異，如果照明度之間的差異為負數(shù)或者是50[lx]或者更多。這可以說，如果目前的照度低于或高于目標 照度，光就會立即增加。每個照明燈具的照明度總和Cd 作為用電 數(shù)額。這是由于電源電壓特性之間的線性關(guān)系熒光燈亮度和電力使用量決定的。重量W乘以與功率P. 照度的優(yōu)先目標優(yōu)化或選項

24、電力使用最小化的基礎(chǔ)上確定 價值瓦特v表示光亮ID的出現(xiàn)和獲得， r表示相關(guān)系數(shù)。這 促進了VLC和 ANA/CC之間的相互利用。</p><p>　　3.6相關(guān)的測定方法</p><p>　　在 ANA/CC+VLC里面，每個燈的亮度變化都是在一個給定的范圍內(nèi)隨意變化，在ANA/CC+VLC里這范圍叫做相關(guān)范圍。正如你在圖4看到的，有三種類型的相關(guān)范圍是用來產(chǎn)生下一個亮度。圖4里測試值顯

25、示了每個鄰近尺寸之間的亮度的相對速度。上下測量值的相關(guān)關(guān)系是通過實驗測量出來的，相關(guān)范圍A主要把照明度從目前的照明度降低到到目標的照明度。相關(guān)范圍B產(chǎn)生等同于上下之間的下一個照明度，并且用來調(diào)節(jié)照明度。相關(guān)范圍C主要增強照明度強度，到目前為止只有相關(guān)范圍B被用作傳統(tǒng)控制法則。I 代表照明感應(yīng)器的數(shù)字。</p><p><b>　　圖4 三個相鄰范圍</b></p><p&

26、gt;　　選擇一個其中一個適應(yīng)性的鄰里范圍，不管獲得的照明ID是否被利用到，然后下一個照明度就會隨著鄰里范圍相應(yīng)的產(chǎn)生。</p><p>　　A Ri < 初始值 </p><p>　　B Ri > 初始值 并且 Lti < Lei </p><p>　　C Ri >初始值 并且 Lti > Lci</p><

27、p>　　I 代表照明感應(yīng)器的數(shù)字，Lt 代表目標照明度， Lc代表現(xiàn)在的照明度。</p><p>　　最優(yōu)解決方案是通過提議中的優(yōu)化算法以達到偶然獲得一個局部的優(yōu)化解決方案而不是一個全局的，因為這種運算法則是基于SHC.然而，鄰里范圍在這個運算法則運用的如此廣泛以至于遠離局部優(yōu)化方案的可能性非常高。因此，最終結(jié)果基本不會運用局部優(yōu)化方案。即使能運用局部優(yōu)化方案達到結(jié)果，目標函數(shù)值的局部最優(yōu)的解決方案不是很不

28、同的全局最佳的解決方案之一。</p><p>　　四 運用ANA/CC+VL C的確認試驗</p><p><b>　　4.1 試驗大綱</b></p><p>　　我們可以在實驗室里運用傳統(tǒng)運算法則ANA/CC進行智能光系統(tǒng)測試。然而，至今為止，可視光通信科技還沒有真正被引進到實驗室里。然而在這個研究中，真正的空間將被復(fù)制到計算機里。另外，模

29、擬出來的結(jié)果和真正實驗室里的結(jié)果相差不大。</p><p>　　被推薦的運算法則將被運用，運用ANA/CC+VLC的數(shù)值試驗將被實施到以下兩個試驗里。我們證實了自主分配試驗系統(tǒng)能滿足目標照明度并且通過運用ANA/CC+VLC降低用電量。并且，為了證實推薦的原算法則的有效性，和傳統(tǒng)的運算法則ANA/CC進行了比較?？梢酝ㄟ^試驗5來證明，ANA/CC+VLC和ANA/CC中運用的參數(shù)在表1中，此外，這每個照明度傳感器

30、,用于發(fā)現(xiàn)的目標函數(shù)值的計算采用點方法對直線的光源。</p><p>　　試驗一：外界條件不變</p><p>　　把已安裝好的照度傳感器1目標照度設(shè)置為750 [勒克斯]，傳感器2設(shè)置為650[勒克斯]傳感器3設(shè)置為550[勒克斯]。實驗2：移動照度傳感器 照度傳感器3在實驗1已從平穩(wěn)狀態(tài)至照明燈具1下方。</p><p>　　4.2 可見光范圍內(nèi)光通信

31、范圍</p><p>　　可見光范圍的通信范圍可能在亮度的基礎(chǔ)上發(fā)生急劇變化，因為可見光通信只能傳遞信息范圍內(nèi)的光照。因此，2模式設(shè)置為如圖 6所示，熒光燈泡亮度信息和可視光通信到達范圍要進行驗證。</p><p><b>　　圖5 實驗環(huán)境</b></p><p>　　圖6可見光通信可到達的范圍</p><p&g

32、t;　　在模式[大]，可見光通信范圍范圍很大，當(dāng)最低亮度為30％這種方式方便獲取這六個照明燈具的ID。相反，在模式[小] 當(dāng)最大亮度為100％可見光通信范圍范圍設(shè)置在距離允許接收了4個照明燈具附近的ID，并假設(shè)在當(dāng)最低亮度為30％一定距離內(nèi)允許附近接收照明燈具的2的ID。此外，如圖6所示數(shù)值是通過計算熒光燈的發(fā)射角，發(fā)射角和亮度呈比例關(guān)系。實驗一采用了對于實現(xiàn)了最佳的照明模式2可見光范圍內(nèi)的通信范圍每種模式算法，很顯然，如果每個照度傳感

33、器收斂于目標照度，該算法能夠適應(yīng)無論可見光通訊范圍的范圍。</p><p>　　4.3實驗結(jié)果使用ANA/ CC+ VLC</p><p>　　1) 實驗一可見光范圍內(nèi)采用通信模式[大]：照度和用電量的歷史記錄在可見光范圍設(shè)置通訊范圍模式[大]會顯示在圖 7。此外，為比較實驗結(jié)果使用ANA/ CC如圖8所示</p><p>　　圖7實驗結(jié)果(模式[大])&

34、lt;/p><p>　　從圖7（a）很明顯可以看出實驗開始后，照度傳感器的1，2和3在大約是每100步771，652和568[lx]光照度與目標照度相符合此外，圖 7（b）表明通過進一步的研究，最低用電量正在改變。此外，有關(guān)目標算法和ANA/ CC之間的比較，很顯然，該算法基本達到了結(jié)果。</p><p>　　2）實驗1 -可見光范圍內(nèi)的通信模式[小]：照度和電力使用量歷史記錄在可見

35、光范圍設(shè)置通訊范圍模式[小]會顯示在圖 9，在相同的環(huán)境如圖 5。使用的參數(shù)是相同的，如表一很顯然，采用改進的算法照度傳感器1和3是融合，他們在近一個狀態(tài)實現(xiàn)目標的照度傳感器通過后大約120步，此外，在圖 9（二），最小用電量與ANA/ CC幾乎發(fā)生在相同的狀態(tài)。</p><p>　　圖8實驗結(jié)果(ANA/ CC)</p><p>　　圖9實驗結(jié)果(模式[小]

36、)</p><p>　　3）實驗2：使用ANA/ CC+VLC，實驗2對在環(huán)境變化時的有效性和反應(yīng)能力進行了驗證。每個圖。 10（a）表明個人照度傳感器的照度和電力使用量的歷史。同時，為了進行比較，實驗結(jié)果使用ANA/ CC在圖10（b）上標明。</p><p>　　圖10實驗結(jié)果（照度傳感器）</p><p>　　從圖10（a）很明顯可以看出，當(dāng)照度傳感

37、器5被移動時（以1000步數(shù)），照度傳感器3，的照度比目標低很多，但之后就直線上升，并在大約15個步能夠達到目標照度。另外，從圖10（b）可以看出通過ANA/ CC照度傳感器3達到目標照度約為55步。</p><p>　　照度狀態(tài)需要照度傳感器3直接前后移動約2000步，從圖11（a）和圖11（b）分別可以看出。最后每人照度感測器照度值為755，650和562[lx]，接近目標照度吻合。比較圖11（a）和圖11（

38、b），照明燈具1照度增加后照度傳感器3被移動到接近照明燈具1的位置，由于照明燈具13和14對有照度傳感器不再有影響，他們的亮度減少。這些實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上很顯然可以看出該系統(tǒng)能夠反映照度傳感器運動。</p><p><b>　　五．結(jié)論</b></p><p>　　智能照明系統(tǒng)，可有助于節(jié)約能源，而且基于可以運動的照度傳感器上獲得的信息，能夠提供理想的照度到理想的位置。

39、在本研究中，我們提出采用可見光通信和新的控制方法的智能照明系統(tǒng)，稱為ANA/ CC+VLC。</p><p><b>　　圖11照度</b></p><p>　　該算法使收斂到預(yù)設(shè)目標照度的速度加快，并對擬設(shè)系統(tǒng)的有效性進行了檢查，并通過數(shù)字的有效性驗證實驗中使用模擬器。據(jù)證實照度傳感器附近光照增強，這算法能快速切換到節(jié)能模式，而且沒有照明燈具照度傳感器光澤弱。此外，

40、相對于傳統(tǒng)的算法，該該算法可以對環(huán)境變化在瞬間作出反應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，該算法可認為是非常有效的智能照明系統(tǒng)的控制算法。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] T.Kawaoka M .Miki. Design of intelligent artifacts: a fundamental aspects.Proc. JSME Inte

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