CN103796374B - 一种led照明控制系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED照明控制系统，包括LED灯具和大功率LED驱动单元，还包括用于检测照明区域的照度传感单元和处理单元。照度传感单元包括有线照度传感单元和无线照度传感单元；处理单元，连接了所述大功率LED驱动单元、有线照度传感单元，以及通过射频收发单元连接了无线照度传感单元；处理单元接收有线照度传感单元和无线照度传感单元的检测数据，根据检测数据与照度阈值的差值通过PID控制算法获得所述大功率LED驱动单元的调节输入量并发送照度调节指令，实现所述LED灯具照度的调节，使工作面处的照度保持稳定。本发明照明控制系统，能够保证照明区域，尤其工作面位置光强度的稳定。同时，考虑操作方便具有遥控、自感应等功能。

Description

一种LED照明控制系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及自动控制、无线通信及嵌入式技术领域，更具体地说，涉及面向家居与办公照明的智能控制系统。

背景技术

目前在家居照明中普遍采用开关式的照明控制方法，当室内照度低于临界值，影响了人的认知行为后走到开关前按下开关开灯，或旋转旋钮调节光源的强度。后来出现的能以遥控方式开关灯的无线照明控制系统，大都只具有人工调整光源的强度的功能。这两种控制方式都没有引入照度反馈环节，仅以人眼主观感受为依据，由于没有考虑到日光对室内照明的贡献，缺少相应的光源控制策略，无法做到在傍晚或阴天时根据室内的日照情况调节光源亮度使得室内照度保持恒定，进而优化能量使用。

传统的闭环控制策略要求系统的响应速度快，能够及时对外界变化做出响应。室内照明中传感器的响应极有可能受到人员移动和外来光线的影响。如当有人靠近照度传感器时由于阻挡了部分入射光线而使得传感器的响应变低，人员离开后照度传感器复原。这对于照度控制系统而言相当于阶跃输入，采用经典的控制算法势必引起光源的闪烁。这种闪烁虽然能够使得照度传感器附近的室内局部照度不变，但会从整体上降低照明的舒适性。再者传统光源相对于LED而言存在光效低、能耗高、调光性能不好等缺点。

发明内容

本发明旨在提供一种LED照明控制系统，能够保证照明区域，尤其工作面位置光强度的稳定。同时，考虑操作方便具有遥控、自感应等功能。

为了达到上述目的，本发明一种LED照明控制系统，包括安置于顶棚处的LED灯具，以及用于驱动LED光源实现调光的大功率LED驱动单元。还包括如下单元：

(1)照度传感单元，用于检测照明区域的照度；具体包括设置于所述LED灯具处的有线照度传感单元，以及设置于工作面处的无线照度传感单元；所述工作面为桌面等本系统用于调节照明强度的位置。

(2)处理单元，连接了所述大功率LED驱动单元、所述有线照度传感单元，以及通过射频收发单元连接了所述无线照度传感单元；所述处理单元接收所述有线照度传感单元和所述无线照度传感单元的检测数据，根据所述检测数据与照度阈值的差值通过PID控制算法获得所述大功率LED驱动单元的调节输入量并发送照度调节指令，实现所述LED灯具照度的调节，使工作面处的照度保持稳定。

优选方式下，本系统还包括：红外遥控器，通过红外接收单元连接所述处理单元，用于人工设置、开关或调节所述LED灯具。最优方式下，所述有线照度传感单元的接收面向下。

本发明LED照明控制系统的工作方法，系统的工作方法为：

照度传感单元的照度采样周期为5～10ms；在每个采样周期内处理单元分别计算有线照度传感单元和无线照度传感单元在本采样周期所测量的照度值与上一个采样周期所测量的照度值之差的绝对值|ΔL|；

如果有线照度传感单元所测量的|ΔL|小于5Lux，而无线照度传感单元测量的|ΔL|大于5Lux，则将无线照度传感单元在上一采样周期测量的照度值赋给用于存储本采样周期照度值的变量（如L1），再以所述变量（如L1）的值为依据对大功率LED光源亮度进行PID控制。

若有线照度传感单元测量的|ΔL|大于5Lux，而无线照度传感单元测量的|ΔL|小于5Lux，则可认为有线照度传感单元受到干扰而工作面上的无线照度传感单元未受干扰，直接采用无线照度传感单元在当前采样周期测量的照度值为依据对大功率LED光源亮度进行PID控制。

若有线照度传感单元与无线照度传感单元测量|ΔL|皆小于5Lux，则可认为两传感单元都未受到干扰，以工作面上无线照度传感单元在当前采样周期所测量的照度值为依据对大功率LED光源的亮度进行PID控制。

如果有线照度传感单元与无线照度传感单元测量的|ΔL|都大于5Lux，则可认为室内受到了强光干扰，为了迅速抵消这种干扰采用无线照度传感单元在当前采用周期测量的照度值为依据对大功率LED光源的亮度PID控制；

此后，所述处理单元用照度阈值与无线照度传感单元的照度值的差作为PID控制算法的输入量对灯光进行控制。

本发明具有自主工作模式与预置工作模式，可根据需要以遥控的方式进行切换。在自主工作模式下，系统能够依据室内日光的强弱变化动态调整LED光源的亮度，使得室内照度始终保持在临界值上。预置模式下，用户可以根据喜 好，通过遥控器调整白光LED光源的亮度，使室内照明达到舒适的程度。通过传感器融合或滤波的方法解决了对工作面照度的精确控制。本发明能够用于家居和办公照明，替代传统的开关控制照明方式，由于本发明考虑了日光对室内照明的贡献，进行室内照明控制时即能保证照明的功能性，又能节省能量，经研究其节能率达到40%以上。

本发明具有以下的有益效果：

（1）本发明能够根据室内日光的强弱动态调整LED照明光源的亮度，使日光与LED光源发出的光叠加后使室内照度保持在临界值上。该照明控制系统在黎明与傍晚时分，或是阴天等日光不足的情况下进行使用，由于考虑了日光对室内照明的贡献，相对于传统的开关控制方式节省了能量。

（2）由于在执行PID控制算法调整光源亮度之前采用均值滤波算法滤波处理，将突变的照度值滤去，或是通过将多个照度传感器的数据进行融合，判断是否是干扰导致的照度变化，进而解决干扰导致的光源闪烁问题。

（3）目前在家居照明中普遍采用开关式的照明控制方法，当室内照度低于照度阈值（照明标准规定的室内照度应达到的最低值，或称临界值），影响了人的认知行为后走到开关前按下开关开灯，或旋转旋钮调节光源的强度。后来出现的能以遥控方式开关灯的无线照明控制系统，大都只具有人工调整光源的强度的功能。这两种控制方式都没有引入照度反馈环节，仅以人眼主观感受为依据，由于没有考虑到日光对室内照明的贡献，缺少相应的光源控制策略，无法做到在傍晚或阴天时根据室内的日照情况逐渐自动调节光源亮度使得室内照度在日光与电光源叠加时保持恒定，进而优化能量使用。

（4）传统的闭环控制系统要求系统的响应速度快，能够及时对外界变化做出响应。室内照明中工作面上照度传感单元的测量结果极有可能受到人员移动和外来光线的影响。如当有人突然靠近照度传感单元时，阻挡了部分入射光线而使得照度传感单元测量的数值减小，人员离开后照度传感单元测量的数值升高。这对于照度控制系统而言相当于阶跃输入，势必引起光源的闪烁。这种闪烁虽然能够使得照度传感器附近的室内局部照度不变，但会从整体上降低照明的舒适性。本发明通过融合有线照度传感单元与无线照度传感单元所测量的照度数据，解决了这一问题，保证了系统进行照明的舒适性。再者传统光源相对于LED而言存在光效低、能耗高、调光性能不好等缺点。

附图说明

图1是LED照明控制系统组成单元图。

图2系统的应用模型。

图3系统的硬件构成。

图4系统的灯光控制过程。

具体实施方式

如图1，本发明系统包括墙面开关、供电单元、白光LED光源、调光单元、有线照度传感单元、无线照度传感单元和遥控单元构成。上述各单元除墙面开关、有线照度传感单元、无线照度传感单元与遥控单元外，皆位于灯具内部。

如图2所示，一个房间照明系统模型，考虑了日光对室内照明的贡献，系统包括：照度传感单元、供电单元、控制单元、白光LED光源、遥控单元及墙面开关，系统各单元的供电及信号传送关系如图1所示，其中实线代表供电关系，虚线代表控制信号。

供电单元将交流市电分别转换为恒流源与恒压源输出，其中恒流源用于驱动白光LED光源，恒压源给控制单元及传感单元供电。墙面开关控制交流市电的关断，当系统长时间不使用时切断交流市电，避免系统待机的功耗。用户通过红外遥控器可对调光单元进行各种设置。

具体如图3所示本发明系统的硬件功能模块包括四个单元，分别是红外遥控器、调光单元、照度传感单元与大功率白光LED光源。调光单元包括处理单元（单片机）、执行单元（可调光的大功率LED驱动单元）、射频收发单元和红外接收单元，其中红外接收单元用于接收遥控器指令，之后将其传给处理单元。传感单元包括有线照度传感单元与无线照度传感单元，其中有线照度传感单元所测量的照度通过线缆输入给调光单元的处理单元，无线照度传感单元所测量的照度通过射频传给射频收发单元，再由射频收发单元传给处理单元。

照度传感单元与调光单元组成闭环的照度控制系统，由于工作面位置相对较低，人员的靠近会遮挡部分入射到照度传感单元的光线，使测量的工作面照度值降低，人移开后测量的工作面照度值又升高，因此仅根据一个照度传感单元测量的桌面照度对光源进行工作面的等照度控制可能引起光源的闪烁。由于无线设备布置方便，本发明采用无线照度传感器测量工作面照度，有线照度传感器测量的照度值作为辅助，通过融合两个照度传感单元所测量的照度值对桌面进行等照度控制。方法如下：

安装位置上，将有线照度传感单元置于屋内棚顶上灯具的中心，其传感器接收面向下，这样可减小棚顶灯具亮度变化对其产生的影响，又由于其位置较高，可避免人员移动对其所测量照度值的影响。无线照度传感单元根据需要放置于工作面的任何位置（被调光点），开机后对该位置的照度采样，并以射频的方式将照度值传给调光单元。照度采样周期为5～10ms，在每个采样周期内处理单元分别计算有线照度传感单元和无线照度传感单元在本采样周期所测量的照度值与上一个采样周期所测量的照度值之差。

如果有线照度传感单元所测量的照度之差绝对值小于5Lux，而无线照度传感单元测量的照度之差绝对值大于5Lux，则可以认为在某采样周期无线照度传感单元的测量受到了突发干扰，此时将上一个采样周期测量的照度值赋给本采样周期测量的照度值，再以本采样周期照度值对大功率LED光源进行控制。若某采样周期内，有线照度传感单元测量的照度之差绝对值大于5Lux，而无线照度传感器的照度之差小于5Lux，此时可认为棚顶的有线照度传感器受到干扰，则采用工作面的无线照度传感单元测量的照度值进行灯光控制。若某采样周期内照度测量值之差的绝对值都小于5Lux，可认为情况正常，以无线照度传感单元当前采样周期所测量的照度值控制大功率LED光源的亮度。若某个采样周期内所测量的照度值都大于5Lux，可认为室受到强光干扰，此时，采用工作面上无线照度传感单元测量的照度值进行灯光控制。总之，系统采用两照度检测单元所测量的照度差值用来判断干扰发生的原因，在判明发生原因后，用照度阈值与无线照度传感单元的照度值的差作为PID控制算法的输入量对灯光进行控制（如图4）。此处，照度阈值是指照明标准规定的室内照度应达到的最低值，本发明是指工作面所要求的照明强度。

PID控制算法是自动控制领域中经典算法，应用领域广泛，要应用PID控制算法，必须是闭环系统，即系统有反馈机制，将被控量（本发明中被控制量是工作面照度值）返回给控制系统的输入端，之后由给定量（本发明中为照度阈值）与被控量的差作为控制算法的输入量转换为实际的控制信号去控制执行机构，达到控制效果。《计算机与数字工程》期刊，发表了一篇名为《基于PID的照度控制系统》的论文，论文作者：邢思锐 庄严 梁国泓，该论文采用PID算法控制LED的亮度，取得很好的效果，但没有考虑实际应用中工作面上的照度受到干扰后导致的光源闪烁问题。本发明则通过两照度传感单元的融合解决了干扰导致的闪烁问题，并且采用无线照度传感器使系统方便对任意工作面进行等照度控制。

本发明系统一个优选实施例的设置方式：

供电单元把交流市电转为恒压与恒流输出，其中恒压输出为有线照度传感单元和控制单元供电，恒流输出为大功率白光LED光源供电（如XB-D）。具体做法是先把市电经降压、整流、平滑至直流12V，再通过降压型DC/DC（如BL8501）将直流12V转为直流3.3V为控制单元、有线照度传感单元供电；直流12V经升压型LED驱动芯片（如XL6004），转为恒流350mA输出，驱动大功率白光LED光源。实际中，供电单元与控制单元在同一块PCB上，驱动芯片的EN引脚与控制单元的单片机I/O口连接。

系统的调光单元的功能是接收遥控器的控制指令，根据照度传感器的数据，运行PID控制算法，调节LED光源的亮度。核心是单片机，采用体积小、功耗低、廉价的44引脚贴片封装的STC12LE5A60S2，红外接收电路采用SC2272对红外信号解码，射频收发电路采用射频芯片CC2420，它们的引脚与单片机的相应引脚相连。由于STC系列单片机没有I2C接口，因此还需要单片机分配2个I/O口分别与照度传感器BH1750的SDA引脚与SCL引脚相连，采用模拟I2C的方式对BH1750进行访问；分配1个I/O口连接照度传感器BH1750的复位引脚（也可以通过阻容复位的方式对BH1750复位）。红外接收电路的功能是接收遥控器的各种指令，射频收发电路的功能是接收无线照度传感器传送来的工作面照度值。选择单片机的PWM引脚与供电单元恒流芯片EN引脚相连，EN脚为LED驱动芯片的输出使能引脚，当其为高电平芯片输出电流，当其为低电平芯片不输出电流。驱动芯片EN引脚在PWM信号的控制下，其输出电流的占空比与PWM控制信号相同，这样驱动白光LED实现调光功能。XL6004的EN脚为第2脚。

有线照度传感单元的传感器采用BH1750，该传感器具有标准I2C接口，控制单元通过I2C接口对其进行设置与照度读取。照度传感单元位于灯具外壳的中心处，传感器的受光面向下，使之不容易被LED的光照射到。有线照度传感器单元以BH1750为核心，连同外围电路做在一块PCB上，通过插针引出BH1750的电源引脚、接地引脚、复位引脚、SDA引脚与SCL引脚，这些引脚通过导线与控制单元对应的引脚相连，复位引脚与单片机的普通I/O连接，SDA引脚与SCL引脚单片机的I2C引脚相连或与普通I/O相连来模拟I2C接口。

无线照度传感单元由电池供电，包括升压型DC/DC（如MAX756）、处理器、射频收发器及照度传感器（如BH1750）。无线照度传感单元的功能是采集所在位置的照度值，并将照度值以无线方式传给控制单元，便于进行精确的照度控制。处理器与射频收发器的选择可采用单片机与射频芯片的方式（如 STC12C5LE60S2与CC2420）。或采用内部集成处理器与射频收发器的单芯片系统（如CC2430），这样可简化电路，缩小电路板尺寸。

本发明系统提供了一种照明控制方法，它包括两种工作模式，分别是自主工作模式与预置工作模式：

（1）在黎明、傍晚或阴天时分，仅靠窗户入射的日光（如图2所示）无法使室内照度达到临界值，此时系统在自主工作模式下根据室内照度，以闭环控制技术调整LED光源的亮度，与室内日光叠加后使得室内照度保持在临界值上。其中，照度临界值可根据个人舒适程度进行设定。

（2）为达到对室内任何工作面进行自动照度控制的目的，（如图2所示）引入无线照度传感器，它将照度值以无线通信方式传给控制单元。结合另一个有线照度传感器，通过综合比较两个传感器的照度值，解决人员移动等原因引起的突发干扰导致光源闪烁问题。具体如下，在某个采样时刻，若无线照度传感器的照度值有突变，而有线照度传感器的值没有突变，则可认为此刻系统受到了干扰，系统不用当前照度值而用前一个采样时刻的照度值来调整光源亮度。仅当两个照度传感器的值都发生较大突变，才根据无线照度传感器的照度值调整光亮度。这样使可以极大减少光源发生闪烁的可能性。

（3）预置模式下，用户可通过遥控器直接对光源进行控制，如开灯、关灯和调光操作等，其中开关灯以符合人眼明适应与暗适应特性的方式渐近的打开或关闭LED光源，减少对人眼的刺激，提高照明的舒适性。

本发明LED智能照明控制系统，包括供电单元、照度传感单元、控制单元、白光LED光源、遥控单元及墙面开关等。供电单元将交流市电分别转换为恒流源与恒压源输出，其中恒流源用于驱动白光LED光源，恒压源给控制单元及传感单元供电。墙面开关控制交流市电的关断。

传感单元、控制单元、处理单元与室内光环境构成闭环控制系统，处理单元通过PID控制算法，根据照度传感单元的反馈结果与照度阈值的差值控制白光LED光源的发光强度，使室内照度保持定值。系统具有PID参数自整定功能，可随时根据需要使用遥控器启动自整定功能确定系统的最佳PID调节参数，实现理想的照度调节控制。系统的照度传感单元拥有无线与有线两种通信模式，有线通信模式下通过数据线将照度值发送给处理单元。无线通信模式下，通过射频将室内照度值传送给处理单元，照度传感单元的放置更灵活。当室内照度低于阈值时，系统能够自动打开LED光源，当室内照度高于阈值时，系统能够自动关闭LED光源。系统在自主模式下关闭LED光源后，控制单元进入掉电状态，当 照度传感单元检测到室内照度低于阈值后发送唤醒信号将控制单元唤醒。若室内长期无人居住，不需要系统在自主模式下工作，可通过墙面开关，断开交流电源，消除系统待机状态的功耗。若需要系统处于值守状态，则墙面开关始终闭合。系统采用PWM调光方式控制白光LED的亮度。用于驱动白光LED光源的恒流源，其输出电流受占空比可控的PWM信号的控制，该PWM信号采用单片机的PWM模块产生或由I/O口模拟产生。系统具有自主模式和预置模式，在自主模式下无需人工干预，结合日光自动使室内照度保持稳定。预置模式下，用户可根据喜好通过遥控器调整白光LED光源的亮度。两种模式可通过遥控器进行切换。自主工作模式所需的照度阈值，可通过遥控器输入给处理单元，方便用户根据喜好对照度阈值进行修改。用于控制系统的遥控器，具有液晶显示、数据修改和确认功能，显示模块把用户输入的信息显示出来，能够使用户及时发现输入错误并进行改正，确认之后再将数据发送出去。系统可通过遥控器进行开/关灯操作。黑暗条件下开灯，使得白光LED光源的亮度逐渐增强；黑暗条件下关灯，使得白光LED光源亮度逐渐减弱。使人眼渐渐适应光亮变化，提高舒适性。照明控制系统在执行PID控制算法调整光源亮度之前，进行滤波处理，将突变的照度数据滤掉，避免突发干扰使光源的亮度突变，发生闪烁。系统至少采用2个照度传感器，照度传感器的安装位置应该尽量远离，以便避免被同一干扰影响，如图2所示的安装方法，通过综合比较照度传感器的响应值来判断引起照度变化的原因，进而决定是否根据当前采样值调整光源亮度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种LED照明控制系统，包括安置于顶棚处的LED灯具，以及用于驱动LED光源实现调光的大功率LED驱动单元，其特征在于，还包括：

照度传感单元，用于检测照明区域的照度；具体包括设置于所述LED灯具处的有线照度传感单元，以及设置于工作面处的无线照度传感单元；

处理单元，连接了所述大功率LED驱动单元、所述有线照度传感单元，以及通过射频收发单元连接了所述无线照度传感单元；所述处理单元接收所述有线照度传感单元和所述无线照度传感单元的检测数据，根据所述检测数据与照度阈值的差值通过PID控制算法获得所述大功率LED驱动单元的调节输入量并发送照度调节指令，实现所述LED灯具照度的调节，使工作面处的照度保持稳定；

照明控制系统包括两种工作模式，分别是自主工作模式与预置工作模式：

(1)在黎明、傍晚或阴天时分，仅靠窗户入射的日光无法使室内照度达到临界值，此时系统在自主工作模式下根据室内照度，以闭环控制技术调整LED光源的亮度，与室内日光叠加后使得室内照度保持在临界值上；其中，照度临界值根据个人舒适程度进行设定；

(2)在某个采样时刻，若无线照度传感器的照度值有突变，而有线照度传感器的值没有突变，则认为此刻系统受到了干扰，系统不用当前照度值而用前一个采样时刻无线照度传感单元的照度值来调整光源亮度；仅当两个照度传感器的值都发生突变，才根据无线照度传感器的照度值调整光亮度；

(3)预置模式下，用户通过遥控器直接对光源进行控制，其中开关灯以符合人眼明适应与暗适应特性的方式渐近的打开或关闭LED光源。

2.根据权利要求1所述LED照明控制系统，其特征在于，还包括：红外遥控器，通过红外接收单元连接所述处理单元，用于人工设置、开关或调节所述LED灯具。

3.根据权利要求2所述LED照明控制系统，其特征在于，所述有线照度传感单元的接收面向下。

4.一种根据权利要求1-3任一所述LED照明控制系统的工作方法，其特征在于，系统的工作方法为：

照度传感单元的照度采样周期为5～10ms；在每个采样周期内处理单元分别计算有线照度传感单元和无线照度传感单元在本采样周期所测量的照度值与上一个采样周期所测量的照度值之差的绝对值|ΔL|；

如果有线照度传感单元所测量的|ΔL|小于5Lux，而无线照度传感单元测量的ΔL|大于5Lux，则将无线照度传感单元在上一采样周期测量的照度值赋给用于存储本采样周期照度值的变量，再以所述变量的值为依据对大功率LED光源亮度进行PID控制；

若有线照度传感单元测量的|ΔL|大于5Lux，而无线照度传感单元测量的|ΔL小于5Lux，则直接采用无线照度传感单元在当前采样周期测量的照度值为依据对大功率LED光源亮度进行PID控制；

若有线照度传感单元与无线照度传感单元测量|ΔL|皆小于5Lux，则以工作面上无线照度传感单元在当前采样周期所测量的照度值为依据对大功率LED光源的亮度进行PID控制；

如果有线照度传感单元与无线照度传感单元测量的|ΔL|都大于5Lux，则采用无线照度传感单元在当前采用周期测量的照度值为依据对大功率LED光源的亮度PID控制；

此后，所述处理单元用照度阈值与无线照度传感单元的照度值的差作为PID控制算法的输入量对灯光进行控制；

照明控制系统的控制方法，包括两种工作模式，分别是自主工作模式与预置工作模式：

(1)在黎明、傍晚或阴天时分，仅靠窗户入射的日光无法使室内照度达到临界值，此时系统在自主工作模式下根据室内照度，以闭环控制技术调整LED光源的亮度，与室内日光叠加后使得室内照度保持在临界值上；其中，照度临界值根据个人舒适程度进行设定；

(2)在某个采样时刻，若无线照度传感器的照度值有突变，而有线照度传感器的值没有突变，则认为此刻系统受到了干扰，系统不用当前照度值而用前一个采样时刻无线照度传感单元的照度值来调整光源亮度；仅当两个照度传感器的值都发生突变，才根据无线照度传感器的照度值调整光亮度；

(3)预置模式下，用户通过遥控器直接对光源进行控制，其中开关灯以符合人眼明适应与暗适应特性的方式渐近的打开或关闭LED光源。