LED路灯光照强度自适应控制方法

郑海群

摘要：作为新一代光源的LED具有着节能环保、寿命长、响应快速的优点，在交通信号、应急照明、大型屏幕显示等领域应用越来越广泛。本文主要探讨了一种LED路灯光照强度自适应控制方法，可为在道路照明中推行LED路灯提供一定参考。

关键词：LED路灯；光照强度；自适应

一、LED路灯在道路照明中的特点分析

首先，LED路灯发射的灯光能够定向，不会出现光慢反应现象，可以很好的达到节能减耗的效果.其次，LED灯具使用寿命比较长，并且显现出的色性能较好，在夜间能够清晰真实的显示事物。其次，LED灯具的安全性较高，符合低碳环保理念，还能够进行数字化控制，可以更好的实现节能资源和成本，以免出现电能浪费的现象。最后，LED灯具在城市道路照明中尚有较大的发展空间，尤其是在节能环保方面还可以进行进一步的提升。但从实际应用情况来看，LED路灯在道路照明中也存在明显的不足。第一，LED路灯在路面照明方面的均匀性不够，尤其是设计不够精准时就会出现所谓的“斑马线”。第二，LED路灯的散热性能不是很好，在比较炎热的夏季，LED路灯产生的热量不容易散去，使用过程中存在潜在的风险。第三，LED路灯不适合在大雾天气使用，因为在大雾天气中产生的高眩光容易影响车辆的正常行驶，为安全带来了隐患。

二、LED路灯光照强度自适应控制方法

目前，LED路灯在道路照明、城市亮化工程等领域中获得了广泛应用，然而其控制方式多为人工控制或定时控制。这两种控制方式简单，但存在明显缺陷：不能根据天气情况或外界自然光情况自动调节LED路灯的光照强度，从而造成电能浪费。为解决这个问题，许多学者和工程师进行了大量的研究工作，试图降低LED路灯的能耗。这些方法LED路灯光照强度自适应方法，能在一定程度上降低LED能耗，但是控制方式过于简单，节能效果有待进一步提高。本文在文献研究基础上，提出了一种LED路灯光照强度自适应控制方法，具体分析如下。

（一）LED路灯光照强度自适应控制原理

黄昏时分的自然光照强度缓慢变弱，若能根据自然光的这种特征，自适应地调节LED路灯光照逐渐变强，从而保持整体光照程度（LED路灯光照与自然光照之和）不变，即充分利用自然光照补偿LED路灯，可以有效减少LED的能耗。在这种自适应控制方法中，首先需要完成光照强度检测、构建光照强度与LED驱动电压的模型，从而实现LED路灯控制。LED路灯光照强度调节模型见图1所示。

图1中，设整体光照强度（即补偿后的输出）为，当前自然光光照强度，LED路灯需要提供的光照强度（即目标光照强度）为，则有：

（1）

式中，为时间变量。图1中，为LED路灯的光照强度，其受驱动电压的控制，即是的函数；理想情况下，=。因此，只要获得时刻的目标光照强度，然后通过光照测量逆模型，求得相应的控制电压，配合硬件驱动电路，即可得到光照强度。所以，光照测量逆模型是光照強度控制的关键。

（二）LED光照强度控制的神经网络模型

实验发现，是的非线性函数，因此也是或的非线性函数，其模型不易确定。利用神经网络强大的逼近非线性函数的功能，可以实现函数的逼近，从而完成光照测量逆模型的构建。由于为单输入单输出的非线性函数，因此用于逆模型构建的神经网络是一个单输入单输出的3层网络，其网络模型如图2所示。

（三）CCNN算法

实验发现，LED路灯光照测量输出电压随光照强度增强而增加，即是的单调递增函数。因此，函数也满足单调递增性，即其导数>0。这种特性可以作为神经网络训练的约束条件。设神经网络训练的目标函数为，采用批量训练法（N个训练样本），则有：

由于，因此，约束条件是（3）可简化为：

（四）LED路灯光照强度自适应控制实现

光敏传感器（光敏电阻）采集的自然光照信号经调理电路处理、送微处理器STM32F103，经其内部A/D转换，获得自然光照强度信息；调用保存在微处理器中的自适应控制模型（神经网络参数、和控制参数等保存在微处理器中），获得控制量；同时利用微处理器的PWM功能，获得LED路灯光照强度调节量（即PWM控制量），控制LED路灯驱动芯片，完成LED路灯亮度调节。

基于CCNN的LED路灯光照自适应控制模型训练完成后，将神经网络各参数保存在数据采集电路中的CPU中，然后进行在线测试。结果显示，黄昏时分，LED路灯功耗随外界自然光照强度变弱而增加，节能效果明显。

三、结语

综上所述，本文建立了一种基于神经网络的LED路灯光照强度自动调节方法，通过构建光照强度测量逆模型， 并利用LED路灯光照测量系统的先验知识（一阶导数大于0）构造约束条件，完成逆模型的优化，实现了LED路灯光照强度随自然光照强度自适应调节。仿真实验与现场测试表明，利用这种先验知识构造CCNN方法，其性能远优于DINN方法（训练时只利用数据样本，不利用先验知识）；采用这种CCNN方法的LED路灯黄昏时分（17：10～18：00）最大节能超过20%。

参考文献：

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[2]刘春玲，王道乾，崔文冲，白锐.LED路灯自适应调光无线控制器[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2015，34（01）：97-101.