采用可见光通信技术的智能照明控制系统的外文翻译

采用可见光通信技术的智能照明控制系统
Mitsunori Miki
日本东京同志社大学知识工程处
Emi Asayama
日本东京同志社大学工学研究处
Tomoyuki Hiroyasu
日本东京同志社大学知识工程处
摘要---近些年来，各种各样的设备变得更加智能化。

在此研究中，为了实现灯具和照度传感器质检的的直接通信，我们提出了一个使用可见光通信技术的智能照明系统，以便对到所需位置提供必要的照度。

实际上，我们构造了一个模拟实验，并在此概念的基础上验证了新开发的控制方法的有效性。

验证测试采用了专门用于照明的优化控制算法，结果表明，不同照度传感器在很短的时间内就能达到到预设的目标照度。

我们还证实，该系统能适应地回应照度传感器的运动。

关键词---智能，照明系统，自主分配控制，节能，可见光通信，荧光灯，系数关联一简介
近年来，电器，汽车，飞机和各种其他系统变得越来越智能化，系统通过自主控制来适应用户和环境，这样减轻了对人的负荷。

虽然在现实世界，系统通过这种方式变得更加智能，但是还没有被应用到照明系统，这是人类生活的必要和不可缺少的一部分。

在许多非住宅楼建筑项目中人工照明是主要的电力消费之一，占总电负荷的20-30％左右。

例如，它是不可能实现的照明模式比其他强加于电拧在设计时，是不可能实现自动调节当地的照明度。

最近，技术已经发展为通过连接网络单独控制各种灯光的亮度，并配有先进的的人机界面系统。

还有，有很多新的利用日光节约能源的技术，并且这几技术理论归功于对日光的深入研究。

例如，时间，光电开关控制已经发展到改进和提高利用日光的效率，这样就会哟哟更好的节能效果。

然而，许多问题仍然存在。

例如，它不可能自动在适当的位置提供适当的照度，或允许其他照明，以补偿在应对照度照明设备故障上的不足。

其他问题包括：当光线照度传感器被添加或在房间分区被更改无法迅速地响应。

另一方面，我们已解决了这类问题，并提出了新的节约能源的智能照明系统，控制照度在适当的地点提供适当的照明度。

作为一个智能照明系统的控制算法提出“利用相关系数的自适应邻域算法”。

通过理解通过相关的照明装置及照度传感器的位置信息，这有助于控制算法在一个目标照度和节能状况的两个因素短期内收敛其实我们构建了基本
实验系统也是基于这一理念去验证这种控制算法的有效性。

然而，在ANA/ CC 上依然有两个问题。

一个问题是，相关性可能不会正确采纳归因于照度传感器分布位置。

这个问题成为一个比较大的环境中不可避免的事实。

第二个问题是当照明感应器被移动时瞬间反应不可能属于协同与相关稀疏的计算。

在此研究中，我们解决了这些问题，并提出了一种新的智能照明系统，引入了可见光通信技术，加强了照明装置和照度传感器之间的直接信息传递确保应该允许的位置信息可以立即被识别。

我们将检验在引入智能照明系统后可见光通讯时的有效性。

此外，我们将开发新的算法来控制系统。

二什么是智能照明系统
2.1 智能照明系统概述：
所谓“智能照明系统“是指在多个灯具连接到一个网络系统时，能满足各种照明灯具的照明的需求。

下面介绍智能照明系统的功能。

（1）自主分散控制在智能照明系统，没有对整个系统的控制元件。

照度在每个位置为一个控制单元，使系统具有对故障的高鲁棒性，和高可靠性，所以系统有很显著的特征：它很容易添加照明装置及照度传感器，也没有必要在安装时设置身份证号之类的东西。

并为每个照明灯具或照度传感器布局信息。

（2）实现自主照明控制现在的照明系统，唯一可实现的是开关模式通过拧方式实现的。

然而，随着智能照明系统的提出，是有可能实现不依赖开关任意切换模式。

此外，还可以切换使用任何所需的照明亮度的设备。

因此，该系统是以不使用开关来实现节能的。

2.2 智能照明系统的结构
该智能照明系统是通过连接多个智能照明装置及照度传感器和多个移动功率表到网络。

所谓“智能照明灯具“是指有一个控制器称为学习设备的照明设备。

这使得每个照明灯具可以独立工作。

通过网络得到光照度的信息实现最佳照明模
式。

目前正在使用的照明控制算法被称为 利用相关系数自适应的邻域算法。

‘它 包含在相关的照明与通用优化方法控制系数的基础上的机制被称为 随机爬坡。

‘ 事实上，相关系数表明，存在两个或更多的现象，改变成为一个集在一起。

该算 法计算出从量改变发光强度”量照度传感器是有效的相关性迅速收敛履行目标 照度和节约能源的良好条件。

图1展示了照明装置之间的距离及照度传感器相关系数的原始距离和现在
距离的关系例子。

横轴是步骤数。

一灯和传感器之间的相关性很高，但 2灯和3 灯的很低。

此信息用于下一时刻亮度的产生。

并且照明装置在近距离照度传感器 应适当改变亮度和发光强度，以满足亮度要求
ro
0.5 0-0
-0.5 0 500 1000 1500 2000 Number of steps
图1亮度和照度传感器的关系
三 智能照明系统检验采用可见光光通信技术
3.1可见光通信技术
近来，随着新的通信技术，可见光通讯技术，利用可见光进行通信已受到重 视。

与已经存在的红外通信的技术相比，可见光通信技术的特点如下所述：
（1） 因为照明用电可直接用于通信，可以构建简单的设备无线通信环境。

（2） 由于光不受任何无线电法例规管，它甚至可用在电波的禁区。

（3） 因为通信是通过可见光，传输和接收可以通过目视检查进行确认，做好安 全问题等。

元素发出可见光是发光二极管的可见光，可见光激光器，有机
EL ，可见光通信
安装技术会研究荧光灯。

Light 1
Light 2
Light 3
3.2提出系统纲要
我们提出了一个采用可见光通信技术的智能照明系统， 以加速达到预设目标 照度。

一种转换成光的照明设备，在接收终端的照度传感器的电信号被添加到传 统系统。

该系统的配置图显示如图 2。

在这个系统中，ID 是给每个照明灯具进行可见光调制。

光照度传感器可以获取 每个灯具的ID 并且照度传感器可以通过灯光的ID 信息是否被获得。

与传统系 统相比，由于掌握位置信息不需要时间，对目标照度的衔接变得更早。

3.3可见光通信技术简介 三种类型对照明灯具和照度传感器的位置信息的理解方法，可考虑引入到可 见光系统。

第1类是其中唯一的可见光通信使用方法，第二是专门用于可见光通 信和ANA/ CC 的在不同的情况下而定的方法。

而第三种方法是，结合可见光和 ANA/ CC 的。

在本研究中，我们使用第三种方法，因为粗略的照度传感器可通 过和可见光的信息传递，通过对 ANA/ CC 对它们的详细位置信息进行掌握。

3.4控制算法
这个系统的控制算法是ANA/ CC 的作为基于可见光通信技术进行的。

这将 Power Meter Control
device
Lighting
Sensor ID \ IlJuminanca mformaljon
Lighting ID
Constrained
electnc power_丿
Sanur ID
、
lllumilnanDa Information Lighting
Supply capSbiirt/
图2采用VLC 的智能照明控制系统配置图
被称为ANA/ CC 与可见光光通信（ANA/ CC 的+ VLC ）的结合。

可视光通信用 于理解的照明位置信息装置及照度传感器。

该算法的流程如图
3,解释如下。

图3该算法采用自适应与相关系数可见光通信
1） 初始参数如：初始亮度，目标设定照明度和每个灯具的初始亮度。

2） 照明用的ID 采用可见光通信技术进行传播。

3） 对个人购买个人照明灯具需要传感器信息（照度传感器 ID ，电流照度，目标 照度，并转交照明ID ）和用电量，从功率计计算电量，并且计算照明度和发光 性之间的关系。

4） 计算目标函数值。

5） 根据信息传感器来决定用电器临近的用户。

6） 下一个亮度是根据相邻的随机生成的，照明灯具适用于那个亮度。

7） 获取个人照明灯具传感器的信息和用电量， 并计算相关的新的照度和亮度。

8） 由新的照度计算目标函数和用电量。

9） 如果目标函数值进行了改进，即亮度设置。

返回到步骤 2。

10） 如果从第6步的目标函数值退化亮度的变化是取消。

返回到步骤 2。

通过执 行上述操作，可以收敛到目标照度和电源节能状态。

究其原因重返从步骤7步骤 2和8是回应在环境变化如内外光等。

通过执行上述操作，可以收敛到目标照度和电源节能状态。

究其原因重返步骤
7
步骤2和8是反映外界环境变化等。

3.5该算法在目标函数中使用
把智能的自主照明控制系统是把照度接近每个目标照度照度传感器的目的
I Vi^ibl^-Light CofTnwnicatnn I
是尽量减少电力使用量。

目标函数中所使用该算法主要体现在 (1)。

这个目标函数是给每一个控制装置。

对整个系统的优化促进了最大限度地减少每个照明灯具功能的目标。

n
f=p+ 八gj
j=4
m
P八Cdi
i 4
论卩勺一Ltj) (Lcj - Lty) >50 0 0 < (Lcj - Ltj) < 50
一(Lcj —f/tj) < 0
Vj4- r j Vj > threshold
0 rj < thre^^iold
0.5 the lighting ID is acquired 0 the lighting ID is not
acquired
n:照度传感器的数量；
m：照明装置的数量；
w:质量；v: ID采集状态；
r：相关系数；p：用电量；
Lc:当前照度；Lt:目标照度；Cd：亮度；
该计算法则设置的设计变量作为照明度亮度，旨在为/在最小化(1)。

/是
从g(i)获得克，它体现了目前照明度Lc，目标照明度Lt和用电量总和P之间的差异，如果照明度之间的差异为负数或者是50[lx]或者更多。

这可以说，如果目
前的照度低于或高于目标照度，光就会立即增加。

每个照明灯具的照明度总和Cd作为用电数额。

这是由于电源电压特性之间的线性关系荧光灯亮度和电力使用量决定的。

重量W乘以与功率P.照度的优先目标优化或选项电力使用最小化的基础上确定价值瓦特v表示光亮ID的出现和获得，r表示相关系数。

这促进了VLC和ANA/CC之间的相互利用。

3.6相关的测定方法
在ANA/CC+VLC里面，每个灯的亮度变化都是在一个给定的范围内随意变化，在ANA/CC+VLC里这范围叫做相关范围。

正如你在图4看到的，有三种类型的相关范围是用来产生下一个亮度。

图4里测试值显示了每个邻近尺寸之间的亮度的相对速度。

上下测量值的相关关系是通过实验测量出来的，相关范围A 主要把照明度从目前的照明度降低到到目标的照明度。

相关范围B产生等同于上下之间的下一个照明度，并且用来调节照明度。

相关范围C主要增强照明度强度，到目前为止只有相关范围B被用作传统控制法则。

I代表照明感应器的数字。

图4三个相邻范围
选择一个其中一个适应性的邻里范围，不管获得的照明ID是否被利用到，然后
下一个照明度就会随着邻里范围相应的产生。

A Ri ＜初始值
B Ri ＞初始值并且Lti ＜ Lei
C Ri ＞初始值并且Lti ＞ Lci
I代表照明感应器的数字，Lt代表目标照明度，Lc代表现在的照明度。

最优解决方案是通过提议中的优化算法以达到偶然获得一个局部的优化解
决方案而不是一个全局的，因为这种运算法则是基于SHC.然而，邻里范围在这个运算法则运用的如此广泛以至于远离局部优化方案的可能性非常高。

因此，最终结果基本不会运用局部优化方案。

即使能运用局部优化方案达到结果，目标函
数值的局部最优的解决方案不是很不同的全局最佳的解决方案之一。

四运用ANA/CC+VL C的确认试验
4.1试验大纲
我们可以在实验室里运用传统运算法则ANA/CC进行智能光系统测试。

然而，至今为止，可视光通信科技还没有真正被引进到实验室里。

然而在这个研究中，真正的空间将被复制到计算机里。

另外，模拟出来的结果和真正实验室里的结果相差不大。

被推荐的运算法则将被运用，运用ANA/CC+VLC的数值试验将被实施到以下两个试验里。

我们证实了自主分配试验系统能满足目标照明度并且通过运用
ANA/CC+VLC降低用电量。

并且，为了证实推荐的原算法则的有效性，和传统的运算法则ANA/CC进行了比较。

可以通过试验5来证明，ANA/CC+VLC和ANA/CC中运用的参数在表1中，此外，这每个照明度传感器,用于发现的目标函数值的计算采用点方法对直线的光源。

试验一：外界条件不变
把已安装好的照度传感器1目标照度设置为750 ［勒克斯］,传感器2设置为
650［勒克斯］传感器3设置为550［勒克斯］。

实验2:移动照度传感器
照度传感器3在实验1已从平稳状态至照明灯具1下方。

4.2可见光范围内光通信范围
可见光范围的通信范围可能在亮度的基础上发生急剧变化，因为可见光通信只能传递信息范围内的光照。

因此，2模式设置为如图6所示，荧光灯泡亮度信息和可视光通信到达范围要进行验证。

LL——<i iFg的cent Iwnp Q Sensoir
图5实验环境
EXFhKIMEM' PARAMETERS
Kind of ±
11 uminant Fluorescent lamp
Number of Huorcscen( lamps15 '
Number ol illuminance sensors''' 3
i argei illutninaiiceflx]750.650,550
Maxiniuni lujninance(cd(%)]1700(100)
Minimum luminancc[cd(%)]510(30)
Initial luminancclcd(%)J1700(100) !
bOV of Q receiver LcniuTialldcgJ70.0 :
Weight : w" 10-0 i
Maximum threshold value for ANA/CC0.5
Minimum threshold value for ANA/CC03 ,
Numbei of dam50
(uiwrinanc&'iqOTj)怔斷祗二{Lumlnancfl
i.OOmZSti
(a) PaUero-large
图6可见光通信可到达的范围
在模式［大］，可见光通信范围范围很大，当最低亮度为30%这种方式方便获取这六个照明灯具的ID。

相反，在模式［小］当最大亮度为100%可见光通信范围范围设置在距离允许接收了4个照明灯具附近的ID，并假设在当最低亮度为30%一定距离内允许附近接收照明灯具的2的ID。

此外，如图6所示数值是通过计算荧光灯的发射角，发射角和亮度呈比例关系。

实验一采用了对于实现了最佳的照明模式2可见光范围内的通信范围每种模式算法，很显然，如果每个照度传感器收敛于目标照度，该算法能够适应无论可见光通讯范围的范围。

4.3实验结果使用ANA/ CC+ VLC
1) 实验一可见光范围内采用通信模式［大］:照度和用电量的历史记录在可见光范围设置通讯范围模式［大］会显示在图7。

此外，为比较实验结果使用ANA/ CC如
(b) Piiltern-smal]
图7实验结果（模式［大］）
从图7 （a 很明显可以看出实验开始后，照度传感器的 1, 2和3在大约是 每100步771, 652和568［lx ］光照度与目标照度相符合此外，图 7（ b ）表明通过 进一步的研究，最低用电量正在改变。

此外，有关目标算法和 ANA/ CC 之间的 比较，很显然，该算法基本达到了结果。

2）实验1 -可见光范围内的通信模式［小］:照度和电力使用量历史记录在可见光 范围设置通讯范围模式［小］会显示在图9,在相同的环境如图5。

使用的参数是 相同的，如表一很显然，采用改进的算法照度传感器1和3是融合，他们在近一 个状态实现目标的照度传感器通过后大约 120步，此外，在图9 （二），最小用
图8实验结果（ANA/ CC ）
图8所示
(a) IHuEiiinance history
(b) Electricity histoiy
(a) Wuminance history
(b) FJcctricity history
图9实验结果（模式［小］）
3）实验2:使用ANA/ CC+VLC ,实验2对在环境变化时的有效性和反应能力进 行了验证。

每个图。

10（a ）表明个人照度传感器的照度和电力使用量的历史。

同时，为了进行比较，实验结果使用 ANA/ CC 在图10 （b ）上标明。

⑻ ANA/CC/VLC （b ） ANA/CC
图10实验结果（照度传感器）
从图10（a ）很明显可以看出，当照度传感器 5被移动时（以1000步数）， 照度传感器3,的照度比目标低很多，但之后就直线上升，并在大约 15个步能 够达到目标照度。

另外，从图10（b ）可以看出通过ANA/ CC 照度传感器3达 到目标照度约为55步。

照度状态需要照度传感器3直接前后移动约2000步，从图11（a ）和图11
（b ）分别可以看出。

最后每人照度感测器照度值为 755，650和562［lx ］，接近 目标照度吻合。

比较图11（a ）和图11（b ），照明灯具1照度增加后照度传感器 3被移动到接近照明灯具1的位置，由于照明灯具13和14对有照度传感器不再 有影响，他们的
亮度减少。

这些实验结果的基础上很显然可以看出该系统能够反 映照度传感器运动。

(a) lllunwiance history (b) Electricity liislorj
■-
■亠=一 ■ —
z 仝% 严卢y ・（ ■
—Swscf? 置
…S#wjor3 :J
100 200 30C 掲庞 =-
EF-ui-aN
3 J
(1 100 300 300 NumOef of E C EQK
五.结论
智能照明系统，可有助于节约能源，而且基于可以运动的照度传感器上获得 的信息，能够提供理想的照度到理想的位置。

在本研究中，我们提出采用可见光 通信和新的控制方法的智能照明系统，称为 ANA/ CC+VLC 。

图11照度
该算法使收敛到预设目标照度的速度加快， 并对拟设系统的有效性进行了检 查，并通过数字的有效性验证实验中使用模拟器。

据证实照度传感器附近光照增 强，这算法能快速切换到节能模式，而且没有照明灯具照度传感器光泽弱。

此外, 相对于传统的算法，该该算法可以对环境变化在瞬间作出反应。

在此基础上，该 算法可认为是非常有效的智能照明系统的控制算法。

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