人工照明节能智能控制在地铁车站照明系统的应用

查干巴雅尔 江杰

内蒙古科技大学

人工照明节能智能控制在地铁车站照明系统的应用

查干巴雅尔 江杰

内蒙古科技大学

针对地铁车站的特殊地理环境以及影响车站内光环境的主要因素，笔者提出改善地铁车站光环境质量以及节能的地铁车站照明控制方法，并对地铁车站照明控制策略进行了研究及制定。

智能照明控制器 模糊控制 CAN总线

一、影响地铁车站照明的主要因素

（一）照度和亮度。照度水平作为照明的数量指标。在确定照度水平时要结合实际照明效果、舒适感、节能环保、经济等因素综合考虑。单纯的提高照度对照度水平有一定的改善效果，但并非照度越高越好。对于一般的照明应该提出照明均匀度的要求。

（二）色温。地铁车站的照明设计应分两部分，一部分是着重照明的功能性，而另一部分则着重于照明的艺术性，光源色温的设计则是两者的结合点。地铁车站内光源颜色直接影响乘客的心理变化，所以选择不同颜色的光源是地铁车站内部照明设计的重要部分。

（三）眩光。眩光包括 失能眩光和不舒适眩光两种。通常情况下，我们可以通过增加光源的背景亮度或者降低光源的表面亮度来消除不舒适眩光。另外可以调整光源的亮度、视野中光源的数量和位置、光源表面的尺寸和眼睛的适应亮度水平来消除眩光对视觉造成的干扰。

（四）光环境舒适度。舒适度是无法直接测量的物理量，而对光环境舒适度的描述方法则较少。就照度而言，人眼存在着照度的最佳值，眼睛改变入射光量和适应光量，调节视网膜感光度的能力称为视觉适应，它取决于环境的亮度、建筑空间内部的光反射特性等因素。其次，当环境中照度变化过快时，眼睛难以及时适应环境照度变化，从而易引起视觉疲劳，所以照度应到达一定范围，同时满足一定的均匀性。

二、智能照明控制系统总体设计

（一）系统设计目标。系统设计的目标是通过系统的前段控制器，对车站现场进行照度、乘客流量数据的实时采集，并通过CAN 总线将实时数据传送至上位机，并结合模糊神经网络智能控制算法，对地铁车站不同区域的照明灯具经行控制，在国家相关规范规定的范围内，改变车站的照度。整个系统无需人工进行操作，使得该照明控制系统达到真正的智能化。

（二）系统功能分析。根据地铁车站内部光环境的特点、乘客需求，以及传统照明系统的缺点和不足，本文所设计的智能照明控制系统应当具备以下的功能：巡检功能、信息采集功能、自动控制功能、通信功能。并利用 CAN 总线通信技术，能够进行前段控制器之间以及和控制中心之间的实时数据传输，并保证通信的可靠性。

（三）系统总体结构。地铁车站智能照明控制系统主要由上位机、交换机、网络控制器、前段控制器、传感器等底层设备组成。

三地铁车站人工光环境智能控制研究

（一）基于模糊推理的地铁车站人工光环境控制

1.模糊推理概述。模糊集合的概念，是20世纪60年代，由美国的加利福尼亚大学扎德教授第一次提出的。模糊控制器主要由规则库、推理机、模糊化接口、反模糊化接口四个部分所组成。其中，规则库主要是将专家知识和工作人员长期从事某领域所获得丰富的经验进行量化。模糊化接口用来接收控制器的输入并将其进行模糊处理，之后推理机根据规则做出控制决策,最终，反模糊化接口将控制决策转化为系统输出。

2.输入量的模糊化。本文将模糊逻辑应用于智能照明控制系统中。模糊化的实质是将对系统输入映射至相对应的论域。在一般的模糊系统中，输入都为精确值，之后进行数据的规范化和模糊化，将其对应至对应的论域。

3.模糊推理规则。模糊规则是根据我们的感知进行推理后的一种语言表达，是通过相关专家知识以及工作人员长期操作所获得的丰富经验来进行建立的。模糊规则通常由and、else、also、if-then等关联词所组成，常用于由多变量所构成的模糊控制系统。

在模糊控制系统中，我们将系统输入作为前提，将所获得的结论作为相应输出。多个输入出个输出和多个输入单个输出是常见的形式。

建立准确、合理的模糊规则是模糊控制系统的关键所在，建立模糊控制规则的方法依据主要有：根据相关专家和工作人员的丰富的长期经验、根据控制过程建立模糊控制模型等。

4.反模糊化。再将输入进行模糊化的处理，并利用模糊规则进行推理后，所得到的依旧是一个模糊量的输出，然而，系统的最终执行单元所要求的是精确值，因此，就需要进行反模糊化判决。常用的反模糊化方法主要有：最大隶属度法、中位数法、和加权平均法。本文选择加权平均法来进行解模糊。

（二）智能控制器硬件设计

1.SD卡存储设计。控制器主要利用SD卡进行数据存储，通信方式采用SD的SPI模式。控制器采集到现场信息自动存储到SD卡，同时可在上位机进行查看。SD卡引入了FatFs文件系统，这就使得工作人员可在PC机上对采集到的数据进行监测和分析。SD卡存储程序设计主要包括SD通信程序的设计和FatFs移植程序两部分。

2.液晶显示程序设计。本文选用LCD1 2864液晶显示屏作为人机交互模块，该模块自带中文字库，可构成全中文人机交互图形界面。

3.照度采集程序设计。控制器采用BH1 750照度传感器，来进行地铁车站内部实时照度的采集。STM32对BH1750进行控制都是通过I2C总线进行的。BH1750照度传感器始终处于微处理器STM32的控制下进行所采集数据的传输，STM32作为控制器主芯片，对BH1750发送始终信号，BH1750通过I2C总线读取指令。控制器采光过程分为控制器发送指令和读取数据两个部分。

四、智能控制系统软件设计

智能控制器的软件设计，是在硬件设计、搭建完成后，确定了各个器件、模块的功能后，对各个器件和模块进行软件方面的初始化、编程等。

1.软件开发环境及设计。本文采用Keil μVision4 IDE作为系统的软件开发环境。STM32的开发工具选用J-LINK。软件的总体设计主要针对控制器的硬件电路设计，对控制器进行软件程序设计。

2.智能控制器主控程序设计。智能照明控制系统在每次启动控制器的时候，都需要对控制器进行初始化工作。控制器接收其它节点以及上位机通过CAN总线发送来的数据后，人机交互界面进行显示，并且通过对当前运营时间的判断，调整当前车站内人工光环境情景模式的转变，并结合模糊神经网络算法，对车站实时照度经行进一步的调节。