基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)算法的智能照明控制應(yīng)用

程昌繼　王曉

摘 要：傳統(tǒng)控制系統(tǒng)通常具有固定的控制模式，而無法根據(jù)實(shí)際環(huán)境進(jìn)行靈活調(diào)整?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，以英飛凌XC836芯片為平臺，設(shè)計(jì)了能夠自動根據(jù)環(huán)境信息調(diào)整光照亮度的照明控制系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)具有更高的靈活性與可調(diào)性，同時(shí)還通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的線性參數(shù)實(shí)現(xiàn)了光照強(qiáng)度的線性調(diào)節(jié)控制。

關(guān)鍵詞：LED照明；智能控制系統(tǒng)；PWM應(yīng)用；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

DOIDOI：10.11907/rjdk.151209

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2015）007-0079-03

0 引言

隨著LED照明技術(shù)的發(fā)展，由于其具有低功耗、高亮度、易控制等特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為照明系統(tǒng)的首選。但是傳統(tǒng)LED照明控制系統(tǒng)通常采用簡單的開關(guān)控制方案，不僅無法發(fā)揮出LED燈的照明潛能，還容易導(dǎo)致LED燈長期高負(fù)荷運(yùn)行，嚴(yán)重影響其使用壽命[1]。因此，為了延長LED燈的使用壽命，實(shí)現(xiàn)靈活的照明控制，需要采用智能LED照明控制方案。

羅靜華[2]設(shè)計(jì)了利用單片機(jī)與鍵盤輸入控制LED亮度的智能照明系統(tǒng)。其方案可有效降低LED的工作負(fù)荷，延長照明系統(tǒng)的使用壽命。但是由于LED僅能夠根據(jù)預(yù)設(shè)值進(jìn)行簡單的亮度調(diào)節(jié)，而不對調(diào)節(jié)結(jié)果進(jìn)行反饋處理，因此無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的智能控制；吳玉香[3]通過反饋通信解決了實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)問題，但是增加了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行成本。

照明控制系統(tǒng)通常需要獨(dú)立運(yùn)行，因此智能控制方案需要具有較高的自適應(yīng)性。此外，由于嵌入式系統(tǒng)對功耗有嚴(yán)格要求，因此控制方案還需要具有較低的運(yùn)算開銷?；谝陨霞s束條件，非常適合采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法作為控制方案。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能領(lǐng)域連接主義學(xué)派的主要研究方向，起源于人們對動物神經(jīng)元及神經(jīng)沖動傳播機(jī)制的研究。其通過閾值模擬動物神經(jīng)元的信息處理與傳遞過程，將待解問題的空間集合化[4]。問題的解空間越大，其適應(yīng)度就越高，擁有的潛能也越大。因此，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)通常具有良好的自適應(yīng)能力，并可以在較低運(yùn)算開銷下解決復(fù)雜的控制問題。此外，由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于線性參數(shù)構(gòu)成，因此可以實(shí)現(xiàn)線性的控制變化[5]。

本文基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了智能照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于英飛凌XC836平臺實(shí)現(xiàn)，采用當(dāng)前較為成熟的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即“輸入層-隱含層-輸出層”模型。其中，輸入層數(shù)據(jù)使用光照采集模塊的輸出值，輸出數(shù)據(jù)提供給LED控制系統(tǒng)作為控制值。為了提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)準(zhǔn)確程度，輸入層-隱含層權(quán)值、隱含層-輸出層權(quán)值以及節(jié)點(diǎn)閾值首先通過模擬計(jì)算，得到合理的區(qū)間值，然后再基于實(shí)際環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)由光強(qiáng)采集與處理模塊、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊、LED燈驅(qū)動與調(diào)節(jié)模塊組成，模塊間通過I2C總線進(jìn)行通信，以降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行成本。系統(tǒng)通過SPD調(diào)試端口與主機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)權(quán)值與閾值的模擬計(jì)算。其中，光強(qiáng)采集模塊與LED照明模塊通過生成光照強(qiáng)度構(gòu)成結(jié)果反饋。系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊如圖1所示。

（1） 光強(qiáng)信息采集與處理模塊：該模塊基于光照傳感器采集信息的基本原理，利用光敏器件的感光特性，通過易測的電流來定量得到不易測得的光強(qiáng)信息。在本文系統(tǒng)中，模塊采用光敏二極管，通過AD采樣二極管的反向漏電流數(shù)值獲取輸入信息。將AD采樣的值代入對應(yīng)的光強(qiáng)計(jì)算公式，即可獲取實(shí)際的光照強(qiáng)度。

（2） BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊：本模塊基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，通過“輸入-隱含-輸出”三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)智能控制模塊的構(gòu)建。在本文系統(tǒng)中，首先通過PC端模擬控制算法，獲取權(quán)值與閾值的合理區(qū)間，為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路徑分配初始權(quán)值。然后基于SPD接口將各權(quán)值同步至XC836中，基于實(shí)際環(huán)境調(diào)節(jié)光照輸出，使LED燈的輸出與預(yù)期匹配，完成權(quán)值的誤差修正和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自主學(xué)習(xí)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊

（3） LED燈驅(qū)動與調(diào)節(jié)模塊：本模塊基于傳統(tǒng)的LED亮度控制理論實(shí)現(xiàn)。通過控制LED燈點(diǎn)亮?xí)r間的占空比來調(diào)整LED燈的亮度。在本文系統(tǒng)中，由于需要進(jìn)行亮度調(diào)整與校正，恒流驅(qū)動電路向LED提供的電流大小被嚴(yán)格控制在額定電流以下，以避免LED在調(diào)節(jié)過程中被損壞。驅(qū)動電路被導(dǎo)入具有一定占空比的脈沖方波，通過驅(qū)動電路三極管的導(dǎo)通與夾斷，使流經(jīng)LED的電流高頻通斷，進(jìn)而控制LED燈的亮度。脈沖方波由XC836平臺提供，其空占比由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算得出。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 光照采集模塊設(shè)計(jì)

光照采集模塊的核心部分為光敏二極管。光敏二極管的管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，在工作時(shí)需加上反向電壓。無光照時(shí)，有很小的飽和反向漏電流，此時(shí)光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時(shí)，飽和反向漏電流增加，形成光電流，并隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。因此，在電路中增加AD模塊對流經(jīng)光敏二極管的反向漏電流進(jìn)行采樣，即可獲取采樣中間值，再通過計(jì)算獲得當(dāng)前的光照強(qiáng)度。

本文系統(tǒng)采用了將光敏二極管與AD集成在一起的TSL2561芯片。TSL2561可以通過I2C總線直接輸出光強(qiáng)的數(shù)字信號，其I2C總線地址前7位由其ADDR SEL管腳的電平?jīng)Q定。而在I2C總線地址識別過程中，最后一位表示傳輸方向，0表示主機(jī)寫，1表示主機(jī)讀。因此TSL2561的實(shí)際總線讀寫地址為：0x53與0x52（ADDR SEL接地），0x93與0x92（ADDR SEL接電源正），0x73與0x72（ADDR SEL懸空）。本文系統(tǒng)使用TSL2561的控制寄存器（地址為0 h）、時(shí)間寄存器（地址為1 h）、通道0低字節(jié)數(shù)據(jù)寄存器（地址為C h）、通道0高字節(jié)數(shù)據(jù)寄存器（地址為D h）、通道1低字節(jié)數(shù)據(jù)寄存器（地址為E h）、通道1高字節(jié)數(shù)據(jù)寄存器（地址為F h）。在I2 C總線子地址識別過程中，通過傳輸“0x80|寄存器地址”，表明選擇的寄存器，然后傳輸8位寄存器命令字，即可讀取運(yùn)算數(shù)值，并計(jì)算光照強(qiáng)度，計(jì)算方法為：

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法通常采用“輸入層-隱含層-輸出層”模型，其中隱含層可以基于實(shí)際需求采用不同數(shù)量的閾值單元。通常情況下，如果輸入層與輸出層間的對應(yīng)復(fù)雜度較低，可以采用數(shù)量為5～10的隱含層閾值單元，對于復(fù)雜度較高的應(yīng)用，需要采用15個(gè)以上的隱含層閾值單元[6]。在本文系統(tǒng)中，由于光照控制對象較為簡單，輸入層與輸出層間對應(yīng)復(fù)雜度較低，因此可以采用7層閾值模型以降低控制單元的復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)成本，同時(shí)又能夠維持較為線性的控制關(guān)系。本文模型如圖2所示。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法7層閾值模型

在執(zhí)行控制功能時(shí)，輸入層數(shù)據(jù)為環(huán)境光照信息，系統(tǒng)不進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。在本文系統(tǒng)中，輸入層采用光照采集模塊電流，根據(jù)2.1節(jié)所述，由于光照強(qiáng)度與電流強(qiáng)度具有固定的對應(yīng)關(guān)系，因此輸入層可以代表系統(tǒng)對光照強(qiáng)度的監(jiān)測。根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論，不同的輸入值會在隱含層產(chǎn)生不同的閾值反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生不同的輸出層結(jié)果，各個(gè)結(jié)果間具有較低的耦合關(guān)系。因此，本文系統(tǒng)可以對不同的光照強(qiáng)度產(chǎn)生對應(yīng)控制結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)靈活可調(diào)的控制方式。

在進(jìn)行智能學(xué)習(xí)時(shí)，輸入層數(shù)據(jù)包含環(huán)境光照系統(tǒng)與控制光照信息，系統(tǒng)需要對控制結(jié)果進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。由于本文系統(tǒng)采用了較低數(shù)量的隱含層閾值單元，因此BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的學(xué)習(xí)收斂能力，可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境光照強(qiáng)度的快速反饋調(diào)整。在智能學(xué)習(xí)過程中，由于輸出層數(shù)據(jù)改變了環(huán)境的光照強(qiáng)度，導(dǎo)致輸入層數(shù)據(jù)改變，因此產(chǎn)生了隱含層權(quán)值的反饋調(diào)節(jié)。本文系統(tǒng)利用XC836MT開發(fā)板上的4根擴(kuò)展引腳接收調(diào)節(jié)信息，并采用手動調(diào)節(jié)旋鈕和ADC數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)權(quán)值的改變。在學(xué)習(xí)過程中，用戶通過旋鈕校正輸出數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)實(shí)際光照強(qiáng)度，系統(tǒng)則對旋轉(zhuǎn)數(shù)值采樣，獲取用戶反饋信息，并計(jì)算出矯正數(shù)值，對BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。此外，為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)值調(diào)整，系統(tǒng)還使用Miniwiggle通信模塊與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，以了解權(quán)值變化情況。

2.3 LED燈驅(qū)動與調(diào)節(jié)模塊設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制（PWM）方式對LED電流的通斷進(jìn)行控制。PWM利用LED燈的熱殘留和人眼視覺暫留的特性，通過控制占空比模擬出不同的LED等效供電電壓，從而改變LED燈的亮度，實(shí)現(xiàn)對LED燈的控制。由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要參數(shù)修正過程，可能產(chǎn)生過大的校正電流。因此本文系統(tǒng)LED的電流被嚴(yán)格控制在額定電流之下，避免電流過大燒壞LED燈珠。

本文系統(tǒng)采用PT4115作為LED的調(diào)光驅(qū)動芯片。PT4115是基于連續(xù)電感電流導(dǎo)通工作的降壓恒流源芯片，可接收6V～30V 寬電壓范圍輸入，并實(shí)現(xiàn)1.2A的大電流輸出。本文通過在其DIM引腳中加入XC839生成的可變占空比方波脈沖信號，調(diào)節(jié)輸出電流，以實(shí)現(xiàn)調(diào)光。當(dāng)方波電壓幅值低于0.3V時(shí)關(guān)斷LED電流，高于2.5V（且低于5V）時(shí)完全開啟LED電流。該條件下電流輸出值IOUT計(jì)算公式為：

IOUT=（0.1×D）/Rs（D為方波信號占空比，Rs為限流電阻）

當(dāng)方波電壓低于0.2V時(shí)，驅(qū)動電路進(jìn)入睡眠狀態(tài)，LED熄滅；當(dāng)電壓高于5V時(shí)，LED電流始終保持最大值（0.1/Rs），避免電流過大燒毀LED燈珠。

本系統(tǒng)的LED光源采用3W的大功率白光LED燈珠，其額定電流約為700mA，正向壓降約為3.3V。在盡量考慮周邊器件自身功耗的前提下，基于PT4115 的恒流驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：①確定輸入電壓Vin值，當(dāng)Vin 與負(fù)載電壓差值在1.5V 左右時(shí)工作效率較高，由于LED 負(fù)載電壓約為3.3V，因此應(yīng)選用5V以上的電源適配器供電。而由于PT4115的供電電壓為8V～30V，所以最終選取12V/2A的電源適配器供電；②Rs作為限流電阻，其取值決定于LED的最大驅(qū)動電流?？紤]到LED燈珠的散熱要求，其工作電流不宜過大，驅(qū)動系統(tǒng)按LED最大工作電流IOUT=625mA設(shè)計(jì)，而Rs=0.1/IOUT，所以Rs應(yīng)當(dāng)選取0.16Ω的高精度電阻；③Cin具有續(xù)流和濾波功能，選用100uF的電容；④L1為鎮(zhèn)流電感，選取電感值為68μH，且飽和電流大于700mA的電感；⑤D1是續(xù)流二極管，當(dāng)芯片內(nèi)部MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，為儲存在電感L1中的電流提供放電回路。由于工作在高頻狀態(tài)，因此選用正向壓降小且恢復(fù)速度快的二極管，以有效降低系統(tǒng)功耗。本文系統(tǒng)的電路如圖3所示。

3 結(jié)語

本文基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以英飛凌XC836為平臺設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有自適應(yīng)能力的照明控制系統(tǒng)。通過7層模型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，本文系統(tǒng)能夠自動根據(jù)外界光照強(qiáng)度信息調(diào)整照明亮度，并基于用戶的反饋信息進(jìn)行控制學(xué)習(xí)，以實(shí)現(xiàn)靈活可調(diào)的照明控制。

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?