基于雷達定位區(qū)域識別的智能照明節(jié)能方法

歐海燕，范禎桂，潘鑫

(1.福建工程學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350118；2.福建工程學(xué)院 電子信息與電氣技術(shù)國家級實驗教學(xué)示范中心，福建 福州 350118)

截至2019年，我國城市居民用電量占14.2%[1-2]，其中照明用電量占全國用電量12%[3]。室內(nèi)照明燈打開的數(shù)量和使用時長主要由人工控制，如果管理不當(dāng)，極易造成用電量的浪費。所以，研究智能LED照明控制系統(tǒng)實現(xiàn)綠色節(jié)能具有重要社會效益。

劉云飛等[4]提出利用熱釋電紅外傳感器有效識別人員情況，實現(xiàn)對室內(nèi)各組燈光的智能控制，然而熱釋電紅外傳感器容易受溫度影響，導(dǎo)致出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。鄒優(yōu)敏等[5]結(jié)合RSSI測距技術(shù)、Wi-Fi通信技術(shù)和自動化控制系統(tǒng)，設(shè)計人員位置的室內(nèi)智慧照明系統(tǒng)，但控制方式復(fù)雜。孫彥民[6]提出雷達微波感應(yīng)模塊在 T8 LED 燈管中的應(yīng)用證實雷達感應(yīng)優(yōu)于其他智能感應(yīng)系統(tǒng)，而公文禮[7]研制雷達微波感應(yīng)式隔爆兼本安型 LED巷道燈，根據(jù)行人和移動設(shè)備進行自動智能切換，但是未應(yīng)用到室內(nèi)環(huán)境。

本研究在上述文獻基礎(chǔ)上提出一種區(qū)域控制的智能照明系統(tǒng)方法，對人員在不同運動狀態(tài)軌跡下實時智能控制，能夠提高室內(nèi)照明能效，降低誤判率，有效控制時長，更好地達到了節(jié)能綠化效果。

1 構(gòu)建單個照明區(qū)域劃分模型

單個LED照明區(qū)域受照明參數(shù)影響，為了實現(xiàn)智能照明，需要構(gòu)建單個照明區(qū)域劃分模型，如圖1所示。先將區(qū)域劃分為開啟區(qū)和關(guān)閉區(qū)，由于考慮到人的移動及系統(tǒng)反應(yīng)延遲，當(dāng)人從開啟區(qū)進入關(guān)閉區(qū)或關(guān)閉區(qū)進入開啟區(qū)時，因延遲可能出現(xiàn)延時關(guān)閉或延時開啟現(xiàn)象。在開啟區(qū)和關(guān)閉區(qū)中設(shè)置兩緩沖區(qū)，分別為開啟緩沖區(qū)和關(guān)閉緩沖區(qū)。當(dāng)人體由關(guān)閉區(qū)進入開啟區(qū)時，到達開啟緩沖區(qū)啟動照明系統(tǒng)；由開啟區(qū)進入關(guān)閉區(qū)時，到達關(guān)閉緩沖區(qū)就關(guān)閉照明系統(tǒng)。

圖1 單個照明區(qū)域劃分模型圖

(1)計算半徑r

本系統(tǒng)以教室、實驗室作為測試環(huán)境，長8 m，寬8 m，照明標(biāo)準(zhǔn)300 lx，照明燈離地面h=3 m，工作面高0.75 m，常見40 W 雙LED燈管(光效為100 lm/W)作為照明裝置。

根據(jù)平均照度公式算出燈具數(shù)量，Eav為工作面上的平均照度，單位lx；φ為光源光通量，單位lm；N為光源數(shù)量，U為利用系數(shù)，A為工作面面積，單位為m2；K為燈具的維護系統(tǒng)，一般取0.8，公式如下：

(1)

φ=η*E

(2)

式中，η為光效，單位為lm/W，E為光源的功率，單位為W。

室形指數(shù)RI表示2倍的房間或場所面積與該房間或場所水平面周長與燈具安裝高度與工作面高度的差之商，公式如下：

(3)

式中，l為長度，w為寬度，hr為照明燈到工作面的高度，3個參數(shù)單位都為m。

將已知條件代入，得到RI=1.78。

根據(jù)利用系數(shù)表插入法求出U=0.67。

依次帶入上述公式得出N值為

N=8.96

(4)

按照9盞雙管燈均勻分布，已知雙管日光燈長1.20 m,寬0.25 m,日光燈相鄰中心點作為半徑約為2.67 m,雙管日光燈長邊緣到中心距離小于寬邊緣到中心距離，為了不使兩盞照明燈在同一個范圍內(nèi)，半徑最大取2.07 m。

根據(jù)9盞燈均勻排布以及人員與某區(qū)域圓心最小距離來智能開啟該區(qū)域?qū)?yīng)的照明燈，除去重疊部分，照明面積為內(nèi)接正方形，根據(jù)光通量和面積公式計算可得照度值約為467 lx，大于300 lx，所以半徑最大取2.07 m，分區(qū)劃分滿足照明要求。

(2)緩沖區(qū)寬度d

由于系統(tǒng)具有延遲，為避免延遲引起的誤差，對單個區(qū)域再劃分緩沖區(qū)。

設(shè)人的行走速度為v=1.5 m/s，系統(tǒng)延遲時間為t(s)，則環(huán)形緩沖區(qū)的寬度為：

d=vt

(5)

對系統(tǒng)延遲時間進行1 000次重復(fù)測量，得到如圖2(a)所示數(shù)據(jù)圖，利用直方圖對其進行統(tǒng)計處理，得到結(jié)果如圖2(b)所示。

圖2 延遲時間測量圖

從圖2看出，系統(tǒng)延遲時間服從高斯分布：

(6)

其中：

(7)

(8)

可得：

Ρ(ti≤μ+σ)=F(μ+σ)=0.84

(9)

其中，

(10)

根據(jù)上述結(jié)果可知，系統(tǒng)延遲時間小于(μ+σ)為高概率事件，覆蓋大多數(shù)情況，此時t≈0.17 s。

所以緩沖區(qū)的寬度為：

d≈0.25 m

2 雷達定位技術(shù)

于測試室垂直兩面墻正中位置分別放置2個YDLIDAR X4型雷達，它采用紅外線785 nm光源，具有頻率3 KHz，功率1.5 W，測距10 m，精度小于1%，掃描時間0.33 ms，滿足Class I安全級別的特性，電機帶動雷達測量測試室的數(shù)據(jù)信息。將采集到的數(shù)據(jù)送至處理器，經(jīng)處理器分析計算，確定具體位置雷達1在縱軸中間，高1.3 m處，雷達2在橫軸中間，高1.3 m處。

2.1 采樣原理

雷達使用了三角測距來完成掃描。先發(fā)送激光信號，當(dāng)激光遇到一個物體時會反彈，并被雷達上的傳感器探測到，內(nèi)置處理器用于計算物體與雷達之間的距離以及當(dāng)前角度。通過一個電機轉(zhuǎn)動，帶動測距模塊旋轉(zhuǎn)掃描，實現(xiàn)360°的環(huán)境掃描與測距。

YDLIDAR X4的發(fā)射器功率較低，使用PWM方式驅(qū)動，可以迅速進行發(fā)射功能。該雷達掃描時功率為Class I 級別，確保對生物和物品的安全。

2.2 數(shù)據(jù)處理

通過掃描雷達返回數(shù)據(jù)進行處理后得到以雷達為原點的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)，設(shè)兩雷達采樣點的數(shù)據(jù)分別為：

(11)

通過極坐標(biāo)與直角坐標(biāo)系的關(guān)系進行換算后得到：

(12)

(13)

根據(jù)雷達對應(yīng)位置，設(shè)兩雷達距離為r，則雷達2所得到的采樣點換算至雷達1坐標(biāo)系內(nèi)為：

(14)

最終得到所有采樣點的綜合數(shù)據(jù)(xiyi)。

3 實驗論證

3.1 定位測試

一般桌面高0.75 m，電腦高度0.4 m，將雷達放置于1.3 m處可以有效避免物體遮擋造成誤判的問題。

(1)人員測試

基于坐標(biāo)做了2組實驗，第1組是無人時采樣點如圖3(a)，第2組是有人時采樣點如圖3(b)，此時房間內(nèi)進入10人，將兩圖數(shù)據(jù)比較處理后，可得出a-j所對應(yīng)坐標(biāo)分別為(723，7515)、(2112，6823)、(4401，5310)、(6530，5968)、(1231，4760)、(3524，3180)、(5893，3914)、(1287，1089)、(2560，711)、(4893，836)，單位為mm。

(2)精度測試

雷達定位測試結(jié)果如表1所示，從1表中可以看出定位誤差在±3 cm以內(nèi)，結(jié)果表明該系統(tǒng)有較高定位精度。

表1 定位結(jié)果及誤差分析

3.2 區(qū)域劃分

對房間內(nèi)區(qū)域進行3種劃分，如圖4所示。模型一半徑約為1.33 m，模型二半徑約為1.89 m，模型三半徑約為2.07 m。對于模型一劃分區(qū)域簡單，容易判斷哪盞燈開。而模型二和模型三存在重疊部分，當(dāng)人停留在區(qū)域重疊部分時，分2種情況：(1)當(dāng)人員與某區(qū)域圓心距離最短，智能開啟該區(qū)域?qū)?yīng)的照明燈；(2)當(dāng)人員與重疊區(qū)域圓心距離相等時，同時開啟對應(yīng)幾盞照明燈，光照強度取平均值。模型二相對模型三更容易判斷哪盞燈開。

圖 3 采樣點示意圖

圖4 實驗區(qū)域劃分示意圖

現(xiàn)對這3種情況進行系統(tǒng)誤判率測試，每種情況進行1 000次測試。測試情況如圖5。

圖5 測試結(jié)果

從誤判率和劃分區(qū)域復(fù)雜程度綜合判斷，采用模型二較為合適，該模型測試誤判率為0.9‰，且容易判斷哪盞燈開或關(guān)。

3.3 節(jié)能分析

系統(tǒng)燈亮?xí)r間為ts，開啟區(qū)時間為t1，軟件設(shè)置延時系統(tǒng)時間為t2，人員滯留時間為t3，誤差引起時間為t4，公式如下：

ts=t1+t2+t3+t4

(15)

(16)

由于誤差引起時間很小，不予考慮，而人員滯留時間存在不確定性，也不予考慮，軟件設(shè)置延時時間為20 s，人員按照1.5 m/s平均速度經(jīng)過劃分區(qū)域燈亮的平均時間約為22.86 s，常用聲控?zé)糸_啟時間一般為30 s，節(jié)省照明電量為23.8%。

采用雷達工作功率為1.5 W，相對比照明燈40 W相差25.7倍，即使工作24 h也不會達到照明燈工作1 h浪費電能，且對于照明燈數(shù)越多的環(huán)境效果就更為顯著。

4 結(jié)論

提出一種區(qū)域控制的智能照明系統(tǒng)方法的研究，該方法通過2個雷達全方位掃描，經(jīng)過定位、區(qū)域比較方式，實現(xiàn)燈光的智能控制，不僅能減少反應(yīng)時間、誤判率高的現(xiàn)象，還能達到節(jié)能綠化效果。對于那些管理方式不當(dāng)、不方便行動或深夜無燈的人員來說，該系統(tǒng)就很實用。經(jīng)過試驗對比，能減少23.8%的電量。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于教室、實驗室、科研、獨居、樓道、走廊等場所。