基于用戶行為分析的光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏 莎

（湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421000）

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，日常生活中出現(xiàn)越來(lái)越多的智能家居。這導(dǎo)致人們對(duì)家居的舒適性和個(gè)性化要求不斷提高。尤其是家庭照明系統(tǒng)，智能調(diào)節(jié)燈光光照強(qiáng)度成了研究的熱門(mén)話題。目前，通過(guò)技術(shù)手段提升產(chǎn)品和服務(wù)的品質(zhì)是企業(yè)贏得競(jìng)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)的重要手段。一方面，傳統(tǒng)的智能光照控制設(shè)備的使用和安裝成本相對(duì)較高；另一方面，現(xiàn)有的家庭智能光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)在智能控制方面只能控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)，不能根據(jù)用戶需求進(jìn)行個(gè)性化定制。

云端控制技術(shù)為智能光照控制系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)了新的思路。為了解決智能家居存在光照控制效果精確度較低的情況，該文提出了基于用戶行為分析的光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 基于用戶行為分析的光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人的行為需要特定的光照條件作為背景環(huán)境，因此在智能家居設(shè)計(jì)中需要識(shí)別用戶的行為，以適時(shí)調(diào)節(jié)光照條件，為用戶提供舒適的光照環(huán)境。在這個(gè)過(guò)程中，對(duì)用戶的行為判別是前端輸入，光照調(diào)節(jié)是系統(tǒng)輸出。

1.1 基于用戶行為分析的光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能分解

通過(guò)探測(cè)人行走、坐和臥等姿態(tài)來(lái)識(shí)別室內(nèi)人員的典型動(dòng)作特征，同時(shí)搭配自適應(yīng)的光照調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明與人員活動(dòng)規(guī)律相匹配的目標(biāo)。采用智能色溫亮度控制，可以根據(jù)背景光照信息自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光的色彩和強(qiáng)度，為用戶提供不同的感受。該文設(shè)計(jì)的智能照明系統(tǒng)，分為本地端、云端和移動(dòng)端3個(gè)部分。本地端實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的燈具開(kāi)關(guān)控制功能，同時(shí)作為信息采集終端采集燈具、用戶和環(huán)境的信息。云端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)匯總以及分析，利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)概括用戶形象，是用戶行為分析的“大腦”。移動(dòng)端設(shè)計(jì)為專用App，安裝在用戶的手機(jī)中，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和遙控功能，為用戶提供遙控操作功能。

根據(jù)客戶使用燈具的數(shù)據(jù)信息并結(jié)合燈具的具體位置信息，通過(guò)云端計(jì)算總結(jié)該用戶的照明習(xí)慣，將其作為光照調(diào)節(jié)的基本依據(jù)。再通過(guò)分析云端客戶照明用電情況的大數(shù)據(jù)構(gòu)建典型的燈具使用情況輪廓模型，并將其作為用戶群體照明習(xí)慣的外在表現(xiàn)特征。

客戶生活習(xí)慣決定了房間不同功能區(qū)的照明時(shí)長(zhǎng)，因此在光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將這些不常使用區(qū)域的燈具照度大約調(diào)制為240 lx，僅提供基本的照明；而其他用戶頻繁活動(dòng)區(qū)域的燈具照度至少為300 lx，既可以照顧用戶的使用習(xí)慣，又可以實(shí)現(xiàn)智能的控制能源消耗。云端分析根據(jù)不斷產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)迭代計(jì)算用戶照明使用規(guī)律，完善光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)的適用規(guī)則，形成動(dòng)態(tài)化的自我更新，達(dá)到智能化完善燈具使用場(chǎng)景的目的。基于以上功能設(shè)計(jì)和技術(shù)原理，用戶行為分析的光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

在圖1中，由硬件設(shè)施采集用戶行為，采集的信息包括心跳信息、體動(dòng)信息、姿態(tài)信息、位置信息、用電習(xí)慣信息以及照度偏愛(ài)信息等。信息采集的方式主要有2種：1）通過(guò)穿戴式設(shè)備進(jìn)行信息采集。2） 根據(jù)燈具使用情況的后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

圖1 基于用戶行為分析的光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)概略圖

由HYM32F103ATBU微控制器作為控制CPU，選用BH1750光照度傳感器作為傳感器終端，以分布式方式采集房間內(nèi)不同區(qū)域的照度值。將光照度傳感器采集的數(shù)據(jù)、房間位置編碼信息匯總在微控制器中，由微控制器結(jié)合行為判斷結(jié)果所選定的照度方案來(lái)設(shè)定與行為活動(dòng)相匹配的照明亮度數(shù)值，通過(guò)BP1360驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)PWM輸出，從而控制LED燈單元的亮度。

分析用戶行為需要建立模型，在綜合研判后臺(tái)數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析房間內(nèi)用戶的體征數(shù)據(jù)來(lái)判斷用戶的行為和行為趨勢(shì)，并將其作為光照調(diào)節(jié)的基本依據(jù)。環(huán)境信息則是室內(nèi)的已有照度，其是自動(dòng)調(diào)節(jié)的基準(zhǔn)參數(shù)。

用戶的行為屬于離散型數(shù)據(jù)，具有單一個(gè)體特點(diǎn)明確、共性特征不明顯的特征，需要抽取其中的典型行為構(gòu)建基礎(chǔ)行為詞條，將其作為判斷行為的條件。因此采用矩陣濾波的方式提取、分析用戶的共性行為（建立二維矩陣（，），該矩陣表示用戶的日常行為。其中，為用戶的行為，為行為對(duì)應(yīng)的燈光照度）。其次，采用 K-mediods 算法對(duì)矩陣進(jìn)行濾波，建立用戶興趣聚類(lèi)。最后，對(duì)聚類(lèi)中相似元素進(jìn)行提取，并對(duì)提取結(jié)果采用降序排序的方式構(gòu)建最近鄰集合S。根據(jù)最近鄰集合的評(píng)分矩陣和用戶行為元素間的相似度計(jì)算目標(biāo)用戶u對(duì)特定調(diào)控對(duì)象的預(yù)測(cè)照度，將其作為用戶特定行為可能對(duì)應(yīng)的光照度喜好值。按降序排列光照度喜好值的結(jié)果，則前幾項(xiàng)即為用戶對(duì)光照強(qiáng)度喜好的最優(yōu)解。照度數(shù)值調(diào)控如公式（1）所示。

式中：S為目標(biāo)用戶對(duì)未調(diào)控對(duì)象的預(yù)調(diào)控?cái)?shù)值；R為目標(biāo)用戶對(duì)所有對(duì)象的平均調(diào)控?cái)?shù)值；sim（，u）為目標(biāo)用戶與u之間的相似性；R為客戶對(duì)特定位置光照強(qiáng)度的當(dāng)前值；R為客戶對(duì)特定位置光照強(qiáng)度的期望值。

通過(guò)分析后臺(tái)數(shù)據(jù)來(lái)研判特定用戶的照明喜好特征，將其設(shè)定為最優(yōu)環(huán)境的參數(shù)值，根據(jù)其當(dāng)前的行為以及下階段的行為趨勢(shì)來(lái)調(diào)節(jié)各個(gè)燈具的照度，形成用戶所在區(qū)域的理想光照條件，從而為用戶提供最舒適的光照體驗(yàn)。調(diào)節(jié)燈光照度是實(shí)施環(huán)節(jié)，根據(jù)分析計(jì)算得到的每個(gè)燈具的設(shè)定參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)燈具的電流，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)的目標(biāo)。

1.2 采集用戶行為

系統(tǒng)主要由采集端和調(diào)節(jié)端組成，分別完成采集用戶真實(shí)行為、采集環(huán)境數(shù)據(jù)以及調(diào)節(jié)管理燈具單元的工作。其中，采集端組成較為復(fù)雜，須采集用戶體征數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)端主要完成照度調(diào)節(jié)和色溫調(diào)節(jié)工作，它是光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行終端。環(huán)境數(shù)據(jù)采集部分主要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)包括聲音、光照強(qiáng)度和溫濕度。

在生理數(shù)據(jù)采集部分，以光電容積脈搏波的方式提取心率，以加速度傳感器ADXL362芯片檢測(cè)體動(dòng)信號(hào)，通過(guò)藍(lán)牙的方式將檢測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)。在環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)部分，所采用的控制方式為“一主多從”，主機(jī)和從機(jī)通過(guò)無(wú)線模塊HC-12進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

系統(tǒng)采用駐極體話筒傳感器采集聲音，光強(qiáng)度傳感器采集每個(gè)房間等間隔點(diǎn)位的光照強(qiáng)度，采用HYM590溫濕度傳感器采集溫、濕度，通過(guò)信息采集、匯總和編碼等程序，將離散的分布信息傳輸?shù)叫盘?hào)處理端。信號(hào)處理部分是以HYM32F103ZGT芯片為核心ARM處理器的模塊化信息處理單元，以其豐富的對(duì)外接口和強(qiáng)大的擴(kuò)展功能與房間中分布式的傳感器、控制器相連，并將采集的各點(diǎn)位狀態(tài)信息、設(shè)定數(shù)值以及工作參數(shù)匯總在控制表中，從而形成控制矩陣，進(jìn)而完成信息的上行傳輸和下行管理工作。同時(shí)，控制器通過(guò)載波通信方式接入網(wǎng)絡(luò)，與云服務(wù)器及手機(jī)App互聯(lián)，交互信息并接收遙控指令。

PWM信號(hào)是實(shí)現(xiàn)燈光照明調(diào)節(jié)的核心功能，由HYM32F103ZGT作為核心單元的信息處理器控制，通過(guò)輸出端口的編碼設(shè)置發(fā)送給譯碼器電路，將其轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)。為了提高信息處理器的帶負(fù)載能力，保證燈具驅(qū)動(dòng)的可靠性，筆者在譯碼器輸出端增加HYM211運(yùn)放電路作為驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)2.25 V～18.00 V的寬范圍電壓輸出，以控制燈具亮度 。

1.3 光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能軟件開(kāi)發(fā)

用戶行為拾取和特征分析是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是軟件實(shí)現(xiàn)的主要內(nèi)容。

用戶行為是時(shí)間連續(xù)特征數(shù)據(jù)，因此采用固定采樣頻率的樣值抽取方式提取特征數(shù)據(jù)，以判斷用戶行為。并根據(jù)采樣時(shí)刻點(diǎn)的用戶行為特征值（經(jīng)歸類(lèi)判定后）確定行為類(lèi)屬，再選取照明方案。判定算法如公式（2）所示。

式中：（）為控制變量的輸出；（）和（-1）分別為時(shí)刻和上一個(gè)時(shí)刻的偏差值；為系統(tǒng)的采樣周期；K為比例系數(shù)；T為積分時(shí)間常數(shù)；T為微分時(shí)間常數(shù)；（）為1-時(shí)間段內(nèi)的采樣值。

用戶行為數(shù)據(jù)是由用戶身上的穿戴式設(shè)備、房間中的紅外探測(cè)器以及位置傳感器獲取的。其中，穿戴式設(shè)備利用智能手機(jī)、智能手表以及健康手環(huán)等設(shè)備接收（藍(lán)牙方式）用戶的心跳速度、體動(dòng)等信息。數(shù)據(jù)接收頻率設(shè)定為1次/ min。紅外探測(cè)器采集到的數(shù)據(jù)包括2個(gè)方面：1）用戶的數(shù)量、位置信息；2）用戶的體溫信息。以紅外輻射強(qiáng)度的強(qiáng)、弱定性來(lái)區(qū)分用戶的活動(dòng)狀態(tài)，在睡眠或靜思狀態(tài)，由于身體活動(dòng)進(jìn)入平靜期，體表溫度低于平常水平，因此需要調(diào)暗燈光，營(yíng)造休息環(huán)境；如果用戶體表紅外輻射特征強(qiáng)度高，代表身體處于活動(dòng)狀態(tài)，則需要調(diào)亮燈光，營(yíng)造積極的亮環(huán)境。體表輻射的強(qiáng)度在一定程度上可以標(biāo)定客戶的活躍狀態(tài)，可作為房間氛圍燈的點(diǎn)亮條件，營(yíng)造“活躍、運(yùn)動(dòng)、興奮和狂歡”等燈光氣氛環(huán)境，以適應(yīng)用戶的心情變化。位置傳感器的工作原理是通過(guò)房間內(nèi)3個(gè)傳感器采集的人員位置信息，并利用“三角定位法”解算人員的真實(shí)位置。位置傳感器的作用是定位人員位置，以該位置作為光照調(diào)節(jié)的中心，通過(guò)各個(gè)燈具的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使人員所在位置為最舒適的照度環(huán)境。以上3種傳感器獲取的用戶行為數(shù)據(jù)是軟件處理的基礎(chǔ)，通過(guò)藍(lán)牙接口導(dǎo)入處理器，并采用卡爾曼濾波，以穿戴設(shè)備的數(shù)據(jù)為主、溫度信息和位置信息為輔，剔除干擾信號(hào)，保留下來(lái)的信息作為下一步行為分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

建立用戶行為模型，以用戶的穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)為判斷基礎(chǔ)，以溫度信息和位置信息作為附屬條件。在心跳信息、體動(dòng)信息以及姿態(tài)信息3個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)中建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成3種狀態(tài)的組合數(shù)據(jù)庫(kù)。為降低運(yùn)算量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。其中，心跳信息對(duì)比平時(shí)該用戶的心跳記錄，劃分為快、正常和慢3個(gè)層級(jí)，體動(dòng)信息劃分為運(yùn)動(dòng)、行動(dòng)和靜止3個(gè)層級(jí)，姿態(tài)信息劃分為行、坐和臥3個(gè)層級(jí)。經(jīng)歸一化處理后，數(shù)據(jù)規(guī)模大幅下降，僅剩27種組合。

同樣，筆者也對(duì)溫度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理，將其劃分為3種狀態(tài)。需要根據(jù)房間使用性質(zhì)的不同單獨(dú)定義位置信息，例如座椅位置可定義為坐區(qū)，床位置可定義為臥區(qū)，運(yùn)動(dòng)器材位置可定義為運(yùn)動(dòng)區(qū)。

歸一化公式如公式（3）所示。

式中：為用戶行為習(xí)慣因子的數(shù)目；sim（u，u）為用戶行為習(xí)慣的相似度；sim（u，u）為用戶行為習(xí)慣因子之間的相似度。

在軟件算法中，先對(duì)初步取得的27種組合進(jìn)行融合分類(lèi)，再將其與溫度數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)結(jié)合，作為用戶具體行為的評(píng)判依據(jù)。經(jīng)過(guò)遍歷條件分支判斷，確定用戶所處的狀態(tài)，完成用戶行為判斷工作。

2 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

該文基于用戶行為分析設(shè)計(jì)了光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)是否能夠?qū)Σ煌褂铆h(huán)境下的燈光進(jìn)行精準(zhǔn)控制，該文進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。10組系統(tǒng)測(cè)試后所得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)3種典型照明使用環(huán)境分別進(jìn)行測(cè)試，即用戶靜態(tài)動(dòng)作下的升亮度調(diào)節(jié)（1組～3組）、用戶平緩動(dòng)作下的穩(wěn)亮度調(diào)節(jié)（4組～7組）以及用戶大幅動(dòng)作下的穩(wěn)亮度調(diào)節(jié)（8組～10組）。為統(tǒng)一測(cè)試環(huán)境，背景光照強(qiáng)度控制為100 lx的暗環(huán)境，照明燈具為L(zhǎng)ED三色光源。用戶的行為由同一試驗(yàn)人員完成，保證測(cè)試的基礎(chǔ)條件一致。

經(jīng)過(guò)測(cè)試可知，在不同激勵(lì)條件下，光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)都可以在較短時(shí)間內(nèi)（最長(zhǎng)為17 ms）穩(wěn)定照明效果，為用戶帶來(lái)與行為配套的舒適照明體驗(yàn)。結(jié)果表明該文所設(shè)計(jì)的基于用戶行為分析的光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠在各種環(huán)境中下精準(zhǔn)地控制燈光效果。

3 結(jié)語(yǔ)

該文利用用戶行為分析設(shè)計(jì)了智能光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以收集用戶的使用習(xí)慣和在不同環(huán)境下的光照使用需求并對(duì)其進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境下對(duì)燈光進(jìn)行精準(zhǔn)控制的功能。該文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠根據(jù)使用者的需求對(duì)環(huán)境燈光進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)保證燈光的穩(wěn)定性，減少外界的干擾。由于時(shí)間原因，該文沒(méi)有進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)試，因此還需要在今后的研究中不斷完善該系統(tǒng)。