在智能照明領(lǐng)域，自然光的合理利用及以及自然光、遮陽系統(tǒng)與人工光的配合是個(gè)有趣的話題。本文是飛利浦（中國）投資有限公司張宇寧為描述我們的一些嘗試和方法。

　　1、平衡自然光與人造光

　　通過先進(jìn)技術(shù)平衡自然光與人造光，可以最大程度節(jié)省能源、提高室內(nèi)舒適度。

　　下圖是歐洲的一個(gè)安裝了智能照明控制系統(tǒng)和電動(dòng)遮陽系統(tǒng)的成功合作典范，使得該建筑在完工以及隨后的使用過程中降低了能耗。不僅如此，先進(jìn)照明解決方案的應(yīng)用也減少了該建筑的二氧化碳排放，這也符合項(xiàng)目業(yè)主的環(huán)境戰(zhàn)略及其保護(hù)環(huán)境的制度。

　　這個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單易懂、操作方便，在通過技術(shù)調(diào)節(jié)燈光以適應(yīng)用戶需求的同時(shí)，不僅能夠?yàn)閱T工的辦公空間提供舒適的照明效果，還幫助用戶節(jié)省了能源。

　　圖1 Apator公司的智能辦公樓

　　類似的產(chǎn)品和解決方案在國內(nèi)也并不鮮見，其基本原理是簡(jiǎn)單的，甚至是樸素的：盡可能多的利用自然光。在自然光過強(qiáng)或不足時(shí)，配合遮陽設(shè)備和人工光源進(jìn)行調(diào)節(jié)，已達(dá)到目標(biāo)區(qū)域的特定照度。

　　本文從技術(shù)角度探索一個(gè)具體問題：控制精度。即，采用何種方法可以盡可能高的提高照度控制的精準(zhǔn)度。

　　一般來講，作為照度控制的最主要依據(jù)，照度傳感器安裝在天花板上。而我們感興趣的區(qū)域是人的辦公區(qū)域，即辦公桌面。按照一般的設(shè)計(jì)要求，辦公環(huán)境下桌面照度應(yīng)達(dá)到500lux。

　　本文即以此作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)：動(dòng)態(tài)調(diào)整自然光、遮陽設(shè)備(窗簾)和人工光源，使得特定的桌面照度保持500lux。

　　下圖是我們實(shí)驗(yàn)搭建的環(huán)境。

　　其中，兩個(gè)照度傳感器分別用于采集室外照度的目標(biāo)區(qū)域的照度，用做閉環(huán)控制的輸入?yún)?shù)。放置于桌面的照度計(jì)作為校準(zhǔn)設(shè)備，用于評(píng)估系統(tǒng)的精度，并不是系統(tǒng)中的設(shè)備。此外還有照明設(shè)備和遮陽設(shè)備的控制系統(tǒng)以及測(cè)試用的計(jì)算機(jī)。

　　圖2 實(shí)驗(yàn)搭建

　　控制算法如圖3所示：判斷的輸入條件為太陽光照度、桌面照度、燈光的亮度等級(jí)、窗簾的位置。輸出為新的燈光亮度等級(jí)和窗簾位置。算法的目標(biāo)是保持桌面照度恒定(500 lux)。

　　圖3 恒定照度控制算法

　　2、桌面照度的校準(zhǔn)

　　在實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題：位于天花板的照度傳感器的數(shù)值與位于桌面的照度計(jì)測(cè)量的實(shí)際數(shù)值是有偏差的，且此偏差無規(guī)律，取決于室外太陽光的照射角度、強(qiáng)度、以及室內(nèi)環(huán)境對(duì)自然光的反射。

　　比如，當(dāng)太陽光以較低的角度、較高的強(qiáng)度直射地面時(shí)(對(duì)應(yīng)北方地區(qū)冬日的晴天)，地面的反射光會(huì)強(qiáng)烈影響天花板的照度傳感器，但對(duì)桌面上的照度影響較小。這導(dǎo)致了測(cè)試誤差，進(jìn)而閉環(huán)控制的精度無從保證。

　　圖4 給出了一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

　　可以看到，隨著自然環(huán)境的變化(一天中的不同時(shí)間)，桌面的實(shí)際照度與天花板的照度傳感器的讀書無明顯規(guī)律。因此，如何在不同的環(huán)境、不同的地理位置，根據(jù)天花板的照度傳感器擬合出桌面照度，是必須解決的問題。

　　圖4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

　　3、照度的校準(zhǔn)方法

　　首先，應(yīng)當(dāng)分析進(jìn)入照度傳感器的光的成分和來源。圖5畫出了光的分解。

　　圖5 光的分解

　　從圖中可以看到，兩種光源：即自然光與人工光分別對(duì)照度傳感器(屋頂)和照度計(jì)(桌面)的影響是不同的。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，人工光因?yàn)槠湮恢煤驼丈浣嵌裙潭?，其?duì)照度傳感器(屋頂)和照度計(jì)(桌面)的照度貢獻(xiàn)是線性的，既可以找到一個(gè)系數(shù)表述兩者的關(guān)系。

　　實(shí)測(cè)驗(yàn)證了這個(gè)規(guī)律：在不同的人工光亮度下，照度計(jì)和照度傳感器的讀數(shù)顯示極好的線性。

　　圖6 不同亮度下照度計(jì)與照度傳感器的讀數(shù)

　　與人工光相反，太陽光在不同的時(shí)間和強(qiáng)度下對(duì)照度計(jì)和照度傳感器的讀數(shù)貢獻(xiàn)無明顯規(guī)律。

　　為了解決這一問題，我們采用了創(chuàng)新的“多點(diǎn)校準(zhǔn)”技術(shù)：即對(duì)太陽光劃分典型照射模式，并針對(duì)每種模式通過實(shí)測(cè)記錄對(duì)應(yīng)的照度關(guān)系；擬合出公式的參數(shù)進(jìn)而用于控制閉環(huán)。限于篇幅本文不詳細(xì)描述。圖7大致給出可以考慮的典型模式。

　　圖7 典型的太陽光照射模型

　　針對(duì)每種模式，仍然需要大量的實(shí)測(cè)得到f1， f2， f3 的擬合曲線。模型的合理準(zhǔn)確和大量原始數(shù)據(jù)可以保證足夠的精度。感興趣的讀者可以聯(lián)系作者進(jìn)一步探討。

　　4、驗(yàn)證

　　我們做了大量的實(shí)測(cè)以驗(yàn)證精度。

　　實(shí)踐表明，基于“多點(diǎn)校準(zhǔn)”方法和大量數(shù)據(jù)擬合的函數(shù)，可以用于照度的閉環(huán)控制，并且達(dá)到精度+/- 10%的設(shè)計(jì)目標(biāo)。即：桌面設(shè)定恒定照度為500 lux時(shí)，實(shí)測(cè)照度范圍在[450， 550]lux區(qū)間。本文給出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

　　圖8 部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

　　5、總結(jié)

　　自然光與人工光的平衡利用帶來的好處不言而喻。在實(shí)踐中，自然光的復(fù)雜性使得閉環(huán)控制的精度難以保證。根據(jù)實(shí)際的安裝環(huán)境研究合適的校準(zhǔn)算法，對(duì)恒照度控制的實(shí)現(xiàn)極其關(guān)鍵。