CN103747556B - 一种实现精确照度控制的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现精确照度控制的方法及装置，多个光电传感器采集光信号并进行光电转换，输出电信号至微控制器，微控制器对该电信号进行处理，将处理结果与预设照度值进行比较，根据比较结果进行相应的调整，解决了现有技术中由于难以测量得出准确的基准面照度导致调节精度低的问题，保证照明的舒适性，并达到精细化节能的效果。

Description

一种实现精确照度控制的方法及装置

技术领域

本发明涉及光电检测领域，具体涉及一种实现精确照度控制的方法及装置。

背景技术

通过环境光检测来自适应调节灯具照度是智能照明控制的一种常见策略。生活中最常见的例子就是在灯具上安装一个光电传感器感测环境光，晚上自动亮灯，早晨自动关灯，这种亮灭二级调光装置具有一定智能、节能的效果。

根据检测环境光自适应调节灯具照度，可以保证环境照度按需输出、均匀稳定，达到舒适、节能的效果。然而，目前的智能照度控制系统多采用单个光电传感器，其光谱灵敏度响应曲线与人眼视见函数曲线往往不吻合，而且其输出电流/电压值与照明标准中0.75m基准水平面的照度并不存在简单换算关系，因此难以获得准确的基准面照度，对照度的控制比较粗糙。目前绝大多数产品只能对灯具进行亮灭二值控制，个别做得好的也只有2-3级自动调节，但调节精度不理想。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种实现精确照度控制的方法及装置，解决了现有技术中由于难以测量得出准确的基准面照度导致调节精度低的问题，保证照明的舒适性，并达到精细化节能的效果。

本发明实施例提供一种实现精确照度控制的方法，包括：

多个光电传感器对光照进行感测，并将测量的电信号发送至微控制器，所述多个光电传感器的感测角度或方向不同；所述多个光电传感器带有前置的滤光模块；

所述微控制器对接收到的电信号进行模/数转换，获取转换后的数字信号；

所述微控制器对所述转换后的数字信号进行处理，计算出相应照度目标点的照度，所述照度目标点为灯具中心的法线与0.75m照度基准面的交点；

所述微控制器将所述计算得出的照度与预设照度进行比较，若所述计算得出的照度大于所述预设照度，则所述微控制器控制所述灯具进行减光操作，若所述计算得出的照度小于所述预设照度，则所述微控制器控制所述灯具进行补光操作。

本发明实施例还提供一种实现精确照度控制的装置，所述装置包括：

多个光电传感器，用于对光照进行感测，并将测量的电信号发送至微控制器，所述多个光电传感器的感测角度或方向不同；所述多个光电传感器带有前置的滤光模块；

所述微控制器，包括模/数转换模块，用于对接收到的电信号进行模/数转换；计算模块，用于获取转换后的数字信号，对所述转换后的数字信号进行处理，计算出相应照度目标点的照度，所述照度目标点为灯具中心的法线与0.75m照度基准面的交点，并将所述计算得出的照度与预设照度进行比较；控制模块，用于当所述计算得出的照度大于所述预设照度时，控制所述灯具进行减光操作，或当所述计算得出的照度小于所述预设照度时，控制所述灯具进行补光操作。

根据本发明提供的方法及装置，多个光电传感器采集光信号并进行光电转换，输出电信号至微控制器，微控制器对该电信号进行处理，将处理结果与预设照度值进行比较，根据比较结果进行相应的调整，解决了现有技术中由于难以测量得出准确的基准面照度导致调节精度低的问题，保证照明的舒适性，并达到精细化节能的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是自然光与灯具自身发光作用情况的对比图；

图2是本发明实施例一的方法流程图；

图3是本发明实施例一的应用示意图；

图4是本发明实施例二的装置组成图；

图5是本发明实施例二的光电传感器组成图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明从传感器自身特性和照明分布特性出发深入研究照度的精确感应，其核心创新内容主要体现在以下两个方面：

（1）模拟人眼响应技术。照度是以人眼的光谱响应作为评价标准的，人眼对不同波长光灵敏度的曲线称为视见函数曲线。人眼的明视觉视见函数曲线的峰值响应波长约为555nm，截止波长分别约为380nm和700nm。同理，光电传感器也有特定的光谱灵敏度响应曲线。若光电传感器的光谱响应曲线能够尽量贴合视见函数曲线，则其测量结果就能与人眼感受相符，即照度检测更为精确。目前智能照明中采用的光电传感器多为硅光电二极管、硅光电池或光敏电阻，这些器件的典型峰值响应波长为800nm，通带为200-1100nm，与人眼视觉感受相去甚远，这就是目前绝大多数智能光控照明误差大的原因之一。例如，太阳光中除了有可见光成分外，还包含红外光，由于人眼对红外光不可见，红外光对照度无贡献；但光电传感器对红外光是有响应的，这就会造成光电传感器的测量结果相对于照度偏大。为此，本发明提出用红外截止滤光片消除红外光影响，再通过颜色滤光片进一步修正，修正后的光电响应曲线与视见函数曲线的偏差小于10%。

（2）分布式光感技术。在国家建筑照明设计标准中，对照度的评价以距离地面0.75m的水平面为基准。而在智能照明控制系统中，光电传感器通常是和灯具同时进行吊顶安装的，这样传感器的测量值与照度目标值之间实际上是一个间接对应关系，那么随着使用场景的不同，这种对应关系的变化是十分复杂的。图1对比了自然光和灯具自身发光的作用情况，在自然光情形下，光电传感器除了接收地面的漫发射光，还可直接接收部分自然光；在灯具自身发光情况下，光电传感器只接收灯具经地面的漫反射光。在这两种情况下，光电传感器测量值与0.75m参考面照度之间的对应关系显然不同，而实际的环境往往是自然光和灯具自身发光同时存在，情况则会变得更复杂。在目前的环境光感测系统中，基本上是直接将光电传感器的输出值按一定比例换算成照度，这种测量与计算方法显然无法适应复杂的使用环境，即便在某个环境中经过标定效果不错，但变更使用环境后就出现很大的偏差。本项目采用了分布式光感技术，选取若干个光电传感器进行组合，各光电传感器的感测角度或方向不同。当自然光与灯具自身分光的配比情况变化时，各光电传感器测量值的相对关系也会相应变化，运用一定的算法就能够分析出造成这种变化的原因，从而计算出准确的0.75m基准面照度值。该技术可增强照度测量的环境适应性，在大多数非极端使用环境下都能够计算出精确的0.75m工作面照度值，从而为灯具的精确调光奠定了基础。

实施例一

图2是实施例一的方法流程图，如图2所示，精确照度控制的方法如下：

S101.多个光电传感器对光照进行感测，并将测量的电信号发送至微控制器，所述多个光电传感器的感测角度或方向不同；

本发明实施例中，光电传感器的数量不受限制，可以用两个，三个或者更多的光电传感器。并且，该多个传感器不仅可以在光收集角度上存在差异，在探测方向上也可以有所区别（目前方案都是竖直向下），只要两个光电传感器在探测区域上存在差异化均是可行的。

该多个光电传感器对光信号进行采集，光电传感器先通过红外截止滤光片滤除光信号中的红外光，获取可见光信号；然后将所述可见光信号通过颜色滤光片进行修正，并将修正后的可见光信号进行光电转换，获取转换后的电信号。

需要说明的是，本发明实施例中，微控制器为单片机或ARM微处理器，每一个光电传感器均包含红外截止滤光片及颜色滤光片组成的滤光模块。

S102.所述微控制器对接收到的电信号进行模/数转换，获取转换后的数字信号；

S103.所述微控制器对所述转换后的数字信号进行处理，计算出相应照度目标点的照度，所述照度目标点为灯具中心的法线与0.75m照度基准面的交点；

根据给定自然光和灯具光的照度值，以及转换后的数字信号，计算对应的标定系数，所述转换后的数字信号值为自然光与灯具光与所述对应的标定系数的乘积之和；

计算所述标定系数构成的矩阵的逆矩阵，并根据公式 $E=\mathrm{sum}\left(\left[\begin{array}{c}S\\ T\end{array}\right]\right)=\mathrm{sum}\left(X^{-1}P\right)$ 计算所述照度目标点的照度，sum()代表矩阵元素求和，X为所述标定系数构成的矩阵，X^-1为所述计算出的逆矩阵，P为所述数字信号值构成的矩阵。

以应用环境为两个光电传感器为例，如图3所示，装置随灯具吊顶安装，（21）光电传感器1与（22）光电传感器2竖直向下，两者对光线的收集角度不同。选取灯具照明中心法线与0.75m照度基准面的交汇点作为（33）照度目标点。设自然光和灯具光在（33）照度目标点上的照度分别为S和T，则（33）照度目标点的总照度为：

E=S+T

设（21）光电传感器1和（22）光电传感器2输出并经过模/数转换模块采集后的信号分别为P1和P2。光电传感器的信号包括自然光直射和经地面/墙面漫反射的信号，以及灯具光经地面/墙面漫反射的信号。因此P1和P2可以看成S和T的线性组合：

P1=x11S+x12T

P2=x21S+x22T

设标定系数组成的矩阵 $X=\left[\begin{array}{cc}{x}_{11}& x_{12}\\ x_{21}& x_{22}\end{array}\right],P=\left[\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\end{array}\right],$ 可将上述两式写成 $P=X\left[\begin{array}{c}S\\ T\end{array}\right],$ 求解该矩阵方程得到，

$E=\mathrm{sum}\left(\left[\begin{array}{c}S\\ T\end{array}\right]\right)=\mathrm{sum}\left(X^{-1}P\right),$ 其中sum()代表矩阵元素求和，X^-1为X的逆矩阵。该式意味着只要得到了双光电传感器的输出信号P1和P2，便可求得（33）照度目标点的照度，从而实现了照度的精确测量。

X称为传递矩阵，它反映了自然光与灯具光对（33）照度目标点以及对（21）光电传感器1、（22）光电传感器2之间的作用关系。对X的标定方法如下：按照图3所示的场景进行安装，给定照度 $\left[\begin{array}{c}S\\ T\end{array}\right],$ 测得此时的光电传感器输出 $\left[\begin{array}{c}{P}_1\\ P_2\end{array}\right],$ 可解出X；变换若干组照度重复上述步骤标定求出多组X，经过平均便可以得到最终的矩阵X值。

S104.所述微控制器将所述计算得出的照度与预设照度进行比较，若所述计算得出的照度大于所述预设照度，则所述微控制器控制所述灯具进行减光操作，若所述计算得出的照度小于所述预设照度，则所述微控制器控制所述灯具进行补光操作。

需要说明的是，所述微控制器通过脉宽调制模块或者数/模转换模块控制所述灯具进行减光操作，或所述微控制器通过脉宽调制模块或者数/模转换模块控制所述灯具进行补光操作。

实施例二

图4是精确照度控制的装置组成图，如图4所示，该装置包括：

多个光电传感器201，用于对光照进行感测，并将测量的电信号发送至微控制器，所述多个光电传感器的感测角度或方向不同；

所述光电传感器如图5所示，包括红外截止滤光片2011，颜色滤光片2012及光电转换模块2013。所述红外截止滤光片2011用于滤除光照信号中的红外光；颜色滤光片2012用于进一步修正光照信号的可见光光谱分布，使其符合人眼得视见函数相应曲线；所述光电转换模块2013为硅光电二极管或硅光电池，用于对经滤光之后的光信号进行光电转换，获取转换后的电信号。此外，多个光电传感器之间通过隔光块进行相互之间的隔离。

所述微控制器202，包括模/数转换模块2021，用于对接收到的电信号进行模/数转换；计算模块2022，用于获取转换后的数字信号，对所述转换后的数字信号进行处理，计算出相应照度目标点的照度，所述照度目标点为灯具中心的法线与0.75m照度基准面的交点，并将所述计算得出的照度与预设照度进行比较；控制模块2023，用于当所述计算得出的照度大于所述预设照度时，控制所述灯具进行减光操作，或当所述计算得出的照度小于所述预设照度时，控制所述灯具进行补光操作。

所述微控制器在本发明实施例中，为单片机或ARM微处理器。所述计算模块计算相应照度目标点的照度，其具体处理过程如S103所述，这里不再累述。

需要说明的是，所述控制单元包括脉宽调制模块及数/模转换模块，所述脉宽调制模块用于输出频率固定的方波，通过占空比来调节灯具照度，所述数/模转换模块用于输出0至10伏的直流电压，通过电压值调节灯具照度。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的单元或流程并不一定是实施本发明所必须的。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，简称ROM)、随机存取存储器(RandomAccessMemory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种实现精确照度控制的方法，其特征在于，包括：

多个光电传感器对光照进行感测，并将测量的电信号发送至微控制器，所述多个光电传感器的感测角度或方向不同；

所述微控制器对接收到的电信号进行模/数转换，获取转换后的数字信号；

所述微控制器对所述转换后的数字信号进行处理，计算出相应照度目标点的照度，所述照度目标点为灯具中心的法线与0.75m照度基准面的交点；

所述微控制器将所述计算得出的照度与预设照度进行比较，若所述计算得出的照度大于所述预设照度，则所述微控制器控制所述灯具进行减光操作，若所述计算得出的照度小于所述预设照度，则所述微控制器控制所述灯具进行补光操作；

其中，所述微控制器对所述转换后的数字信号进行处理，计算出相应照度目标点的照度，包括：

事先根据给定自然光和灯具光的照度值，以及转换后的数字信号，计算对应的标定系数，所述转换后的数字信号值为自然光与灯具光与所述对应的标定系数的乘积之和；

计算所述标定系数构成的矩阵的逆矩阵，并根据公式E＝sum(X^-1P)计算所述照度目标点的照度，sum()代表矩阵元素求和，X为所述标定系数构成的矩阵，X^-1为所述计算出的逆矩阵，P为所述数字信号值构成的矩阵；

其中，所述多个光电传感器对光照进行感测，包括：

所述多个光电传感器对光照信号进行采集，光电传感器带有前置滤光模块对光照信号进行修正，修正后的光照信号经光电转换模块后转化为电信号输出；所述滤光模块由红外截止滤光片和颜色滤光片组成，红外截止滤光片对所述光照信号中的红外光进行滤除，获取可见光信号，颜色滤光片对所述可见光信号的光谱分布曲线进行进一步修正。

2.根据权利要求1所述实现精确照度控制的方法，其特征在于，所述微控制器控制所述灯具进行减光操作，或所述微控制器控制所述灯具进行补光操作，包括：

所述微控制器通过脉宽调制模块或者数/模转换模块控制所述灯具进行减光操作，或所述微控制器通过脉宽调制模块或者数/模转换模块控制所述灯具进行补光操作。

3.根据权利要求2所述实现精确照度控制的方法，其特征在于，所述微控制器为单片机或ARM微处理器，所述光电传感器包含由红外截止滤光片和颜色滤光片组成的滤光模块。

4.一种实现精确照度控制的装置，其特征在于，所述装置包括：

多个光电传感器，用于对光照进行感测，并将测量的电信号发送至微控制器，所述多个光电传感器的感测角度或方向不同；

所述微控制器，包括模/数转换模块，用于对接收到的电信号进行模/数转换；计算模块，用于获取转换后的数字信号，对所述转换后的数字信号进行处理，计算出相应照度目标点的照度，所述照度目标点为灯具中心的法线与0.75m照度基准面的交点，并将所述计算得出的照度与预设照度进行比较；控制模块，用于当所述计算得出的照度大于所述预设照度时，控制所述灯具进行减光操作，或当所述计算得出的照度小于所述预设照度时，控制所述灯具进行补光操作；

其中，所述微控制器对所述转换后的数字信号进行处理，计算出相应照度目标点的照度，包括：

事先根据给定自然光和灯具光的照度值，以及转换后的数字信号，计算对应的标定系数，所述转换后的数字信号值为自然光与灯具光与所述对应的标定系数的乘积之和；

计算所述标定系数构成的矩阵的逆矩阵，并根据公式E＝sum(X^-1P)计算所述照度目标点的照度，sum()代表矩阵元素求和，X为所述标定系数构成的矩阵，X^-1为所述计算出的逆矩阵，P为所述数字信号值构成的矩阵；

其中，所述多个光电传感器对光照进行感测，包括：

所述多个光电传感器对光照信号进行采集，光电传感器带有前置滤光模块对光照信号进行修正，修正后的光照信号经光电转换模块后转化为电信号输出；

所述滤光模块由红外截止滤光片和颜色滤光片组成，红外截止滤光片对所述光照信号中的红外光进行滤除，获取可见光信号，颜色滤光片对所述可见光信号的光谱分布曲线进行进一步修正。

5.根据权利要求4所述实现精确照度控制的装置，其特征在于，所述光电传感器包括滤光模块和光电转换模块；所述滤光模块由红外截止滤光片和颜色滤光片组成，用于滤除光照信号中的红外光，并修正光信号的光谱分布曲线；所述光电转换模块为硅光电二极管或硅光电池。

6.根据权利要求4或5所述实现精确照度控制的装置，其特征在于，所述控制单元包括脉宽调制模块及数/模转换模块，所述脉宽调制模块用于输出频率固定的方波，通过占空比来调节灯具照度，所述数/模转换模块用于输出0至10伏的直流电压，通过电压值调节灯具照度。

7.根据权利要求4—5任一项所述实现精确照度控制的装置，其特征在于，所述微控制器为单片机或ARM微处理器。