图书馆照明灯的设计.docx
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图书馆照明灯的设计
图书馆模糊照明灯的设计
摘要基于图书馆等大型建筑物电能浪费的问题，本文提出了采用照明灯的模糊控制即仿人的控制策略来解决。
文中论述了模糊照明灯的模糊推理过程，对输入量和输出量进行了模糊化，给出了模糊规则的设计，并且提供了对输入量进行测量的方法，从而实现了在不同的外界因素影响下，比如天气的变化、不同的时间段，照明灯会分别启动不同强度的灯光或者在无人时自动关闭，从而达到节能的目的。
关键词照明灯模糊控制
1引言
图书馆作为交大最重要的学习场所，室内照明是必不可少的用电设备。
可是图书馆的照明灯一直沿用着传统的开关控制模式，不能实现灯光跟随末端负荷的变化而动态调节，比如在少数人、天气阳光明媚的情况下仍然开启所有的灯，造成能源的浪费很大，事实上，许多大型建筑物中都存在着这种电能浪费的现象，使得照明的节能称为建筑节能中的一个重要课题。
2关于模糊控制
在诸如图书馆这样的大型建筑物中，照明灯是保证人们正常学习和工作的关键。
当前，大多数室内照明的设计都采用简单的开关控制模式，无法达到节能降耗的效果。
所以，我们可以寄期望于模糊控制来解决这个问题，来达到灯光的最佳控制。
所谓模糊控制，即以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术，是人工智能控制的一个重要分支，是20实际80年代以后才发展起来的新型控制技术，适合于结构复杂且难以用传统理论建模的问题。
其基本思想是利用计算机来实现人的控制要求，利用模糊规则推理对系统进行类似人脑的只是处理，并把它当成模糊规则或关系，通过推理、利用知识库，把某些知识与过程状态结合起来，以实现系统各受控参量的优化控制。
模糊控制系统的原理图：
图1模糊控制系统原理图
3室内照明灯的控制要求
照明灯的模糊控制就是一个仿人的控制策略。
照明灯的模糊推理中，需要考虑推理的输入条件和输出结果。
输入条件主要有天气状况、不同时段、是否有人等，而输出结果为灯的开关、灯光强弱等。
模糊照明灯的推理如图：
图2照明灯的模糊推理框图
首先调查人工控制照明灯的控制决策过程：
若当前的天气晴朗，室内的采光很好，则照明灯无需开启；若是天气阴沉的白天，开启弱光灯；若到傍晚和晚上便开启较强和强的灯光以达到适合学习的明亮的效果。
此外，还应考虑到不通时段的人流量不同，可以将图书馆的照明分开若干个区域，当该区域有人时，灯点亮，否则灯不亮。
在此过程中，人们对天气的阴晴日夜的观测并不是精确计量的，而是在头脑中形成“晴朗”、“较晴朗”、“较阴沉”、“阴沉”、“白天”、“黄昏”、“晚上”这些语言形式的度量，是模糊的某一类，以及对这种分类的可信程度的度量，并在此模糊度量的基础做出决断。
因此人工控制决策过程实际上是模糊逻辑决策过程。
上述照明灯控制过程若以模糊控制技术来实现，必须解决下述问题。
⑴对当前天气状况和时间早晚，以及是否有人的检测。
⑵输入量的模糊化：
确定每一个输入量的论域、模糊子集和隶属度函数。
⑶输出量及其模糊化：
输出量论域、模糊子集和隶属度函数。
⑷设计将输入映射到输出的模糊规则。
⑸决定被激活的模糊规则的组合方式和解模糊处理，生成精确的控制信号。
4输入量的检测及其模糊化
系统采集两个输入量：
⑴图书馆室内环境光线的强弱X。
⑵图书馆中某个区域内是否有人就坐Y。
4.1光线强弱的检测及该变量X的模糊化
这些物理量都需要用一定的方法检测出来，并转换成电信号。
为了采集上述数据，我们需要在室内设置光线强弱检测器，它能够方便的检测阅读书写环境的光照度，从而决定灯光的强弱。
由于在众多的光电检测器件中，光敏电阻较之光电二极管、光电三极管等的灵敏度要高，所以光线强度检测器的核心元件采用光敏电阻，其阻值随光照强度的变化而变化，若受光强度较弱，则呈现的阻值较大，否则相反。
一般情况下，适合于阅读、书写环境的以500lx～1000lx（勒克斯）较为舒适。
我们取变量“图书馆室内环境光线的强弱”的论域取为｛10lx，50lx，100lx，300lx，｝，将它分为四个模糊子集：
“黑暗”、“阴暗”、“较阴暗”、“较明亮”、“明亮”，其隶属度设计如表。
表1模糊变量X的隶属度
语言值
室内照明度（lx）
10
50
100
300
500
黑暗
1
0.6
阴暗
0.2
1
0.7
较阴暗
0.5
1
0.5
较明亮
0.4
1
0.7
明亮
0.5
1
由隶属度可以得到相应的隶属度函数：
图3室内环境光线的强弱X的隶属度函数
将该图表和数据存放在计算机的存贮器里，称为数据库。
4.2室内某个区域是否有人入座的检测
测试图书馆某个区域内是否有人入座可以采用红外光电传感器，如果有人进入该区域，输出高电平信号，经单片机处理信号，点亮照明灯。
如果人没有离开就继续输出，人离开后就变成低电平，照明灯熄灭。
事实上现在已经有人体红外感应开关的商品，可以起到“人来灯亮，人去灯灭”的作用，其原理为：
由于人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。
红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能触发开关动作。
当有人进入开关感应范围时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，开关自动接通负载，人不离开感应范围，开关将持续接通；人离开后或在感应区域内无动作，开关延时（时间可调5-120秒）自动关闭负载，真正实现节能和方便。
5输出及其模糊化
该系统只有一个输出量，即照明灯的开关与强弱Z。
将其论域取为｛0w，10w，25w，60w，80w｝，分为5个模糊子集：
熄灭、弱光、适中光、较强光、强光。
表2模糊变量Z的隶属度
语言值
灯光的亮度（w）
0
20
40
60
80
熄灭
1
0.5
弱光
0.5
1
0.5
适中光
0.5
1
0.5
较强光
0.5
1
0.5
强光
0.5
1
由隶属度得到相应的隶属度函数：
图4灯光强弱Z的隶属度函数
6模糊规则设计
照明灯有两个输入量和一个输出量，其模糊规则的结构为：
IFXandYthenZ
其中X、Y是前提，Z是结论。
现在，设横坐标为图书馆室内环境光线的强弱，纵坐标为是否有人入座，可能出现的前提条件为6种，在图3所示的矩阵中填相应的6个结论，即输出模糊量。
模糊规则设计的最简单方法是采用矩阵方式，根据人工控制的经验推断结论。
为了得到合理的科学的推论，可根据人工控制经验与直觉判断。
表3模糊规则推理表
归纳为6条模糊规则：
规则Ⅰ：
IFX=黑暗andY＝有人，
Then，Z=强光
规则Ⅱ：
IFX=阴暗andY＝有人，
Then，Z=较强光
规则Ⅲ：
IFX=较阴暗andY＝有人，
Then，Z=光适中
规则Ⅳ：
IFX=较明亮andY＝有人，
Then，Z=较弱光
规则Ⅴ：
IFX=明亮andY＝有人，
Then，Z=关
规则Ⅵ：
IFX=任意andY＝无人，
Then，Z=关
7模糊控制器
模糊控制器是照明灯模糊控制系统的核心。
系统的最后输出，即照明灯光的强弱应该是一个确定量，并通过硬件控制执行。
在这里，我们采用单片机模糊控制器，这是一个双输入单输出的模糊控制器，其工作过程为：
根据检测到的，经过AD转换芯片转换为数字量的输入值，进行模糊化处理，即归属到若干等级中的某一级，得到模糊量。
然后，模糊控制器根据输入变量（模糊量），按照模糊推理合成规则计算得到控制变量（模糊量）。
最后，再把模糊控制变量经非模糊化处理转变为精确量，通过DA转换，最终控制灯光的具体功率大小。
8结束语
本文设计完成了一个模糊控制的自动照明灯系统的设计，它具有拟人的智能判断能力，是节能降耗的有效方法。
文章确定了感应量和控制量，并以模糊逻辑为基础进行了模糊推理。
该系统对输入量的检测采用了灵敏度高且价格便宜的光敏电阻和红外光电传感器，具有低成本、强适应性的特点，具有一定的可行性，所以我相信，模糊照明灯的设计会成为将来大型建筑物室内照明的主要趋势。
参考文献
[1]韩启纲.计算机模糊控制技术与仪表装置.中国计量出版社
[2]吴凌云基于PLC的十字路口交通灯模糊控制器的设计与实现.城市建设行业与应用.2005.10
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