CN108135046B - 一种色温实时调节照明系统及其色温实时调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种色温实时调节照明系统，包括LED光源模块、单片机模块、人体感应模块、照度采集模块及色温输出模块，单片机模块包括处理器模块、存储模块及计时模块。存储模块用于存储色温控制曲线及日光色温曲线，人体感应模块用于检测用户是否位于照明系统的照明区域中，计时模块用于获取用户在照明系统下的实际工作时长，照度采集模块采集外界环境的照度值，色温输出模块在处理器模块控制下调节LED光源模块的输出色温。本发明还公开了一种色温实时调节方法，通过选取较为稳定且能够反映人脑力负荷的参数，获得使得脑力负荷程度保持最低状态的适宜色温控制曲线，继而根据用户使用时长及外界日光色温值确定照明系统的色温实际输出值。

Description

一种色温实时调节照明系统及其色温实时调节方法

技术领域

本发明涉及照明领域，具体涉及一种色温实时调节照明系统及其色温调节方法。

背景技术

室内照明质量不仅影响着室内美观，还影响着人们工作与学习效率，乃至身体健康状况。不良的照明环境会损害人们的视觉功能甚至身体节律。在照明产品的诸多特性参数中，色温能够明显地影响人们的心理状态，较大程度地改变人们的脑力负荷。适宜的照明色温，会极大地提高人们的工作效率，改善人们的生活质量。

根据照明色温与人脑负荷程度的对应关系，通过设置照明产品的色温参数，使其产生合适的照明环境，有望降低人脑的负荷程度，提高人们的工作效率。然而，目前照明产品色温的研发存在一些缺陷：

1、关于人脑负荷程度的评价，主要基于使用者的主观感受，而非标准化的客观定量评价体系。主观感受会随着使用者的不同而发生较大的变化，其稳定性与准确性都令人质疑。这使得目前照明产品在健康方面的发展不具有方向性。

2、除了不良的色温环境对人脑负荷的引发外，人脑本身在工作过程中也会积累负荷。随着工作时间的推移，人脑所需的适合的色温环境也会不断地变化。单纯地设置固定的色温参数无法保持人脑的最适宜状态。

3、对于不同年龄段的使用者，他们所需要的最适宜的色温环境是不同的。仅仅使用固定的色温参数无法满足不同群体对适宜色温环境的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种色温实时调节照明系统及其色温调节方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种色温实时调节照明系统，包括LED光源模块、单片机模块、照度采集模块及色温输出模块，所述单片机模块包括处理器模块及存储模块；所述存储模块用于存储色温控制曲线及日光色温曲线；所述照度采集模块与所述处理器模块相连，其采集外界日光的照度值并传输给所述处理器模块；所述色温输出模块分别与所述处理器模块及LED光源模块相连，所述处理器模块以色温控制曲线及日光色温曲线为参照，根据采集的外界日光照度值确定所要输出的色温值。

进一步地，还包括人体感应模块，所述人体感应模块与所述处理器模块相连，用于检测用户是否位于照明系统的照明区域中。

进一步地，所述单片机模块还包括计时模块，所述计时模块根据人体感应模块的检测结果获取用户对照明系统的实际使用时长。

进一步地，还包括分别与所述处理器模块相连的按键模块、指示灯及蓝牙模块，所述存储模块中存储的色温控制曲线为多组，所述按键模块用于选择所需的色温控制曲线对应的档位，所述指示灯用于指示当前所选择的色温控制曲线对应的档位，所述蓝牙模块与通讯终端的APP相连接，将处理器模块接收到的数据传送到通讯终端中的APP进行显示，并将APP中的设置传送给处理器模块。

本发明还公开了一种色温实时调节方法，包括以下步骤：

S1、获得照明系统内置的色温控制曲线：所述色温控制曲线根据用户对照明系统的不同使用时长而输出不同的色温值，降低用户长时间使用照明系统的脑力负荷程度；

S2、确定用户对照明系统的实际使用时长：采用人体感应模块检测用户是否位于照明系统的照明区域中，若用户位于照明系统的照明区域中，则照明系统计时；若用户不在照明系统的照明区域中，则照明系统停止计时；

S3、根据用户对照明系统的实际使用时长，对应所述色温控制曲线以确定照明系统所欲输出的理想色温值。

进一步地，步骤S1中获得的色温控制曲线为多组，多组色温控制曲线分别对应不同年龄段中的人群；步骤S1与步骤S2之间还包括用户根据自身年龄段选择对应色温控制曲线的步骤。

进一步地，还包括步骤S4：

S4、确定对应时刻外界日光的色温值，根据某一时刻照明系统产生的照度值、日光在该时刻的照度值、日光在该时刻的色温值及截至该时刻的计时时长所对应的色温值，确定实际所要输出的色温值，外界日光色温值与照明系统输出的实际色温值的叠加照明效果等同于照明系统所欲输出的理想色温值的照明效果。

进一步地，步骤S1中色温控制曲线的获得方法具体为，

S11、脑力负荷程度表达式的确定:

S111、根据闪烁临界频率CFF及应激反应时RT分别对应于脑力负荷几率η的相关性确定脑力负荷几率η的表达式；

则有式中，μ1与μ2为常数,i为复变函数中的虚数单位；

S112、根据脑力负荷几率与脑力负荷程度的关系确定脑力负荷程度L的表达式，

S12、确定脑力负荷程度L随时间变化的表达式：

S121、分别确定闪烁临界频率CFF及应激反应时RT随时间变化的关系式；

则有

式中，RT0、CFF0及CT0分别为t＝0时RT、CFF及色温的值，CT为色温随时间的变化值，λ1、λ2、λ01、λ02为常数；

S122、根据脑力负荷程度L的表达式确定其随时间变化的表达式；

S13、确定使脑力负荷程度L最小的CT值的表达式；

S131、始终保持L最小，则需则有，

S132、组织若干名观察者，测试各观察者在相同色温环境下的闪烁临界频率CFF、应激反应时RT及脑力负荷程度L的值，拟合出常数λ1、λ2、λ 01、λ02、μ1及μ2的值；

S14、根据CT的表达式构建随时间变化的色温控制曲线。

进一步地，步骤S4具体为：

某一刻系统输出的色温值与日光的色温值叠加的照明效果应等同于该时刻的色温控制曲线所对应的色温值的照明效果，则有，

式中，t>0，E1为日光照度值，E2为系统输出照度值，s(T)为内置的日光色温在不同时间段色温变化情况，则实际输出的色温值CT的表达式变为，

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：

1、充分考虑输出色温与时间的关系，有别于传统的固定色温，本发明以人体感应模块确认用户是否使用照明系统，并根据不同的使用时长输出不同的色温值，使得人脑负荷程度总是保持一个最低水平；

2、充分考虑日光的影响因素，使得实际输出的色温值与外界色温值的叠加照明效果与理想色温值的照明效果等同，使得人脑负荷程度总是保持一个最低水平；

3、充分考虑不同群体对适宜色温环境的需求，内置多组分别对应不同年龄段人群的适宜色温控制曲线，使用户根据自身情况，选择适宜的色温控制曲线。

4、本发明所采用的色温值的确定方法选取了较为稳定且能够反映人脑力负荷的参数，并且根据这些参数的意义，建立了脑力负荷程度的表达式。根据此表达式，将脑力负荷参数与适宜的色温建立起对应关系，其中RT0与CFF0 的取值是基于每个年龄段下大量人群而得出，既适用于群体，又适用于个体，具有广泛的覆盖性。

附图说明

图1为本发明照明系统结构框图；

图2为本发明色温实时调节方法流程框图；

图3为本发明系统中内置的某一条适宜色温控制曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1所示，一种色温实时调节照明系统，包括LED光源模块、单片机模块、人体感应模块及色温输出模块,所述单片机模块又包括包括处理器模块、存储模块及计时模块。所述人体感应模块、照度采集模块及色温输出模块分别与所述处理器模块相连，所述色温输出模块与LED光源模块相连。

所述存储模块中存储有色温控制曲线，以作为系统色温输出值的参考曲线，确定各时刻中应输出的理想色温值。在实际使用中，当时间为白天时，还需要考虑日光的影响因素，应使得实际输出的色温值与外界色温值的叠加照明效果等同于色温控制曲线中对应的理想色温值的照明效果。日光在不同时间段具有不同的典型色温值，故而日光的色温曲线满足已知函数S(T)，T 表示时钟时间，与该系统自带的时钟相吻合。

由于两个光源的色温不相同，则其叠加后，混合光的色温值并不是简单地等于两个光源各自色温之和。其在数值上等于两个光源照度与各自原有色温之比的和比上两个光源原有色温的倒数之和，即CT＝(E1/CT1+E2/CT2)/ (1/CT1+1/CT2)，CT代表叠加后的色温值，E1代表日光照度值，CT1代表日光色温值(其由函数S(T)及时钟时间T可以获得)，E2代表照明系统输出的照度值(为已知的固定值)，CT2代表照明系统输出的色温值。因此叠加后的色温值与两光源原有色温和各自照度都有关，故而本发明还需要设置与处理器模块模块相连的照度采集模块，所述照度采集模块采集外界照度并传递给所述处理器模块。

由于LED光源模块输出的光源对采集到的外界的日光照度会有一定影响，为尽可能提高照度采集模块采集到的外界照度值的准确程度，所述照度采集模块的采集区域应避开LED光源模块的照明区域，其安装位置可设置于灯罩的背部，或与照明系统分体设计，单独设置在能准确采集日光照度的位置。

由于使用过程中，用户可能离开照明区域，因此单纯地以系统开机时间计算用户的实际使用时间是不准确的，故而还需人体感应模块与计时模块用于检测用户对照明系统的实际使用时长。所述人体感应模块用于检测用户是否位于照明系统的照明区域中，当用户位于照明系统的照明区域中时，所述计时模块计时；当用户不在照明系统的照明区域中时，所述计时模块停止计时。所述处理器模块根据存储在存储模块中的色温控制曲线确定某一时刻的用户实际使用时长所对应的理想色温值，并通过色温输出模块控制LED光源模块输出。

为了在准确计时的同时实现节能，当人体感应模块检测不到人体信息的时长超过设定时间时(本实施例为1分钟)，LED光源模块停止发光，计时模块里的计时时间清零；当用户重新位于LED光源模块的照明区域中时，LED光源模块发光，计时模块开始计时。

由于不同年龄的人群对色温的需求不同，故而还设置了按键模块及指示灯。所述存储模块中存储的色温控制曲线为多组，如图2所示的是适用于20 岁-30岁的人群的一组色温控制曲线。所述按键模块用于选择所需的色温控制曲线对应的档位，所述指示灯用于指示当前所选择的色温控制曲线对应的档位。

为便于照明系统的人机交互，照明系统还包括蓝牙模块，所述蓝牙模块与通讯终端的APP相连接，将微控模块接收到的数据传送到APP端显示，并将APP端的设置传送给微控模块以实现控制。

本发明以色温控制曲线为参照，辅以各系统组件，可以实现色温输出的闭环控制，使得色温的实际输出值总是保持理想状态。所述色温控制曲线既可以选用现有技术中已有的利于人眼健康的色温控制曲线，也可以选用本发明中所揭示的方法所获得的色温控制曲线(即使人在长时间处于照明系统中仍然保持最低的脑力负荷程度的按时间变化的色温控制曲线)。如图3所示的是以某特定人群(年龄为20-30岁)的测试数据(测试人数为40名)拟合出的色温控制曲线。

本发明还提供一种色温实时调节方法，具体为：

S1、获得照明系统内置的色温控制曲线：所述色温控制曲线根据用户对照明系统的不同使用时长而输出不同的色温值，降低用户长时间使用照明系统的脑力负荷程度；

S2、确定用户对照明系统的实际使用时长：采用人体感应模块检测用户是否位于照明系统的照明区域中，若用户位于照明系统的照明区域中，则照明系统计时；若用户不在照明系统的照明区域中，则照明系统停止计时；

S3、根据用户对照明系统的实际使用时长，对应所述色温控制曲线以确定照明系统所欲输出的理想色温值；

S4、确定对应时刻外界日光的色温值，根据外界日光的色温值计算照明系统所要输出的实际色温值，外界日光色温值与照明系统输出的实际色温值的叠加照明效果等同于照明系统所欲输出的理想色温值的照明效果。

其中，步骤S1中获得的色温控制曲线为多组，多组色温控制曲线分别对应不同年龄段中的人群；步骤S1与步骤S2之间还包括用户根据自身年龄段选择对应色温控制曲线的步骤。

步骤S1中色温控制曲线的获得方法具体为：

S11、脑力负荷程度表达式的确定:

某个年龄段人群的脑力负荷程度，与他们脑力负荷的几率直接相关。在相同程度的色温环境下，人的应激反应时(RT)越长，其脑力负荷的几率越大，因此本发明定义脑力负荷的几率与RT成近似正比关系；闪烁临界频率(CFF) 越大，说明人的反应越灵敏，因此本发明定义脑力负荷的几率与CFF成近似反比关系。RT与CFF在数值上有显著相关性，并且这两个参数呈负相关性，本发明用L表示脑力负荷程度，用η表示脑力负荷几率，则有：

S111、根据闪烁临界频率CFF及应激反应时RT分别对应于脑力负荷几率η的相关性确定脑力负荷几率η的表达式：式中，μ1 与μ2为常数，i是复变函数中的虚数单位，在后续计算中，因与复共轭量相乘，使得i被消去；

S112、脑力负荷程度L的表达式的确定：

S12、所选参数RT与CFF是随时间变化较为明显的量，则可据此确定脑力负荷程度L随时间变化的表达式。

S121、分别确定闪烁临界频率CFF及应激反应时RT随时间变化的关系式；

则有，

式中，RT0、CFF0及CT0分别为t＝0时RT、CFF及色温的值，CT为色温随时间的变化值，λ1、λ2、λ01、λ02为常数。

S122、根据脑力负荷程度L的表达式确定其随时间变化的表达式；

S13、确定使脑力负荷程度L最小的CT值的表达式。

S131、始终保持L最小，则需则有，

S132、组织若干名观察者，测试各观察者在相同色温环境下的闪烁临界频率CFF、应激反应时RT及脑力负荷程度L的值，拟合出常数λ1、λ2、λ 01、λ02、μ1及μ2的值。为提高数据的准确性，观察者的基数越大，数据越准确。

其中，CFF通过闪光融合频率计测量而得到；RT通过反应时测量仪测量而得到，脑力负荷程度L为脑力工作能力指数的倒数。脑力工作能力指数通过安基莫夫表测试而得到计算式，即：阅字速度(个/min)＝阅字数/2；错误率(％)＝[(错字数+漏字数)/阅字数]×100％；脑力工作能力指数＝(阅字数 /2)×[应删数-错删数]/应删数]。

由于CFF值、RT值以及脑力工作能力指数的测试方法是本领域的常见测试方法，具体测试细节在此不做赘述。

S14、根据CT的表达式构建随时间变化的色温控制曲线。

考虑不同年龄段的使用者，他们所需要的最适宜的色温环境是不同的，将步骤S132中所述的观察者分为不同年龄段中的人群，拟合出多组常数值，即获得对应于不同年龄段中的人群的多组色温控制曲线。

步骤S4中考虑日光的影响，某一刻系统输出的色温值与日光的色温值叠加的照明效果应等同于该时刻的色温控制曲线所对应的色温值的照明效果。若两个光源的色温不相同，则其叠加后，混合光的色温值并不是简单地等于两个光源各自色温之和。其在数值上等于两个光源照度与各自原有色温之比的和比上两个光源原有色温的倒数之和，即CT＝(E1/CT1+E2/CT2)/

(1/CT1+1/CT2)，因此叠加后的色温值与两光源原有色温和各自照度都有关。

日光在不同时间段色温变化情况满足函数S(T)(即日光在一天之内具有不同时刻的典型色温值)，T表示时钟时间，与该系统自带的时钟相吻合。日光照度E1可由系统自带的传感器采集，系统输出照度E2为常数。因此最终叠加后的色温为

应使日光色温与系统输出色温叠加后的色温满足最适宜色温的关系，则有，

最终可得，

其中t>0，RT0、CFF0、λ1、λ2、λ01、λ02、μ1、μ2和E2为已知常数， E1为传感器采集照度，s(T)为内置的日光色温日光在不同时间段色温变化情况。

步骤S32中的测试实验：

实验1：对某年龄段处于20-30岁的被试个体(n＝40)，测量其2个脑力负荷参数，代入上述公式，绘制出其最适宜色温控制曲线，将此曲线内置于本发明的照明系统内。使被试分别在该照明系统照明环境及普通照明系统照明环境下作业90min，分别测量其相应相应的应激反应时，在该照明系统下作业的平均应激反应时低于在普通照明系统下的平均应激反应时19％。

实验2：对某年龄段处于15-25岁的被试个体(n＝40)，测量其2个脑力负荷参数，代入上述公式，绘制出其最适宜色温控制曲线，将此曲线内置于本发明的照明系统内。使被试分别在该照明系统照明环境及普通照明系统照明环境下作业90min，分别测量其相应相应的应激反应时，在该照明系统下作业的平均应激反应时低于在普通照明系统下的平均应激反应时17％。

实施例3：对某年龄段处于19-29岁的被试群体(n＝20)，测量其2个脑力负荷参数，将每个参数的平均值代入上述公式，绘制出最适宜色温控制曲线，将此曲线内置于本发明的照明系统内。使被试分别在该照明系统照明环境及普通照明系统照明环境下作业90min，分别测量其相应相应的应激反应时，在该照明系统下作业的平均应激反应时低于在普通照明系统下的平均应激反应时21％。

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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种色温实时调节照明系统，其特征在于：包括LED光源模块、单片机模块、照度采集模块及色温输出模块，所述单片机模块包括处理器模块及存储模块；所述存储模块用于存储色温控制曲线及日光色温曲线；所述照度采集模块与所述处理器模块相连，其采集外界日光的照度值并传输给所述处理器模块；所述色温输出模块分别与所述处理器模块及LED光源模块相连，所述处理器模块以色温控制曲线及日光色温曲线为参照，根据采集的外界日光照度值确定所要输出的色温值；

色温控制曲线的获得方法具体为，

S11、脑力负荷程度表达式的确定：

S111、根据闪烁临界频率CFF及应激反应时RT分别对应于脑力负荷几率η的相关性确定脑力负荷几率η的表达式；

则有式中，μ1与μ2为常数，i为复变函数中的虚数单位；

S112、根据脑力负荷几率与脑力负荷程度的关系确定脑力负荷程度L的表达式，

S12、确定脑力负荷程度L随时间变化的表达式：

S121、分别确定闪烁临界频率CFF及应激反应时RT随时间变化的关系式；

则有

式中，RT0、CFF0及CT0分别为t＝0时RT、CFF及色温的值，CT为色温随时间的变化值，λ1、λ2、λ01、λ02为常数；

S122、根据脑力负荷程度L的表达式确定其随时间变化的表达式；

S13、确定使脑力负荷程度L最小的CT值的表达式；

S131、始终保持L最小，则需则有，

S132、组织若干名观察者，测试各观察者在相同色温环境下的闪烁临界频率CFF、应激反应时RT及脑力负荷程度L的值，拟合出常数λ1、λ2、λ01、λ02、μ1及μ2的值；

S14、根据CT的表达式构建随时间变化的色温控制曲线；

某一刻系统输出的色温值与日光的色温值叠加的照明效果应等同于该时刻的色温控制曲线所对应的色温值的照明效果，则有，

式中，t＞0，E1为日光照度值，E2为系统输出照度值，s(T)为内置的日光色温在不同时间段色温变化情况，则实际输出的色温值CT的表达式变为，

2.如权利要求1所述的一种色温实时调节照明系统，其特征在于：还包括人体感应模块，所述人体感应模块与所述处理器模块相连，用于检测用户是否位于照明系统的照明区域中。

3.如权利要求2所述的一种色温实时调节照明系统，其特征在于：所述单片机模块还包括计时模块，所述计时模块根据人体感应模块的检测结果获取用户对照明系统的实际使用时长。

4.如权利要求1所述的一种色温实时调节照明系统，其特征在于：还包括分别与所述处理器模块相连的按键模块、指示灯及蓝牙模块，所述存储模块中存储的色温控制曲线为多组，所述按键模块用于选择所需的色温控制曲线对应的档位，所述指示灯用于指示当前所选择的色温控制曲线对应的档位，所述蓝牙模块与通讯终端的APP相连接，将处理器模块接收到的数据传送到通讯终端中的APP进行显示，并将APP中的设置传送给处理器模块。

5.一种色温实时调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获得照明系统内置的色温控制曲线；

S2、确定用户对照明系统的实际使用时长：采用人体感应模块检测用户是否位于照明系统的照明区域中，若用户位于照明系统的照明区域中，则照明系统计时；若用户不在照明系统的照明区域中，则照明系统停止计时；

S3、根据用户对照明系统的实际使用时长，对应所述色温控制曲线以确定照明系统所欲输出的理想色温值；

色温控制曲线的获得方法具体为，

S11、脑力负荷程度表达式的确定：

S111、根据闪烁临界频率CFF及应激反应时RT分别对应于脑力负荷几率η的相关性确定脑力负荷几率η的表达式；

则有式中，μ1与μ2为常数，i为复变函数中的虚数单位；

S112、根据脑力负荷几率与脑力负荷程度的关系确定脑力负荷程度L的表达式，

S12、确定脑力负荷程度L随时间变化的表达式：

S121、分别确定闪烁临界频率CFF及应激反应时RT随时间变化的关系式；

则有

式中，RT0、CFF0及CT0分别为t＝0时RT、CFF及色温的值，CT为色温随时间的变化值，λ1、λ2、λ01、λ02为常数；

S122、根据脑力负荷程度L的表达式确定其随时间变化的表达式；

S13、确定使脑力负荷程度L最小的CT值的表达式；

S131、始终保持L最小，则需则有，

S132、组织若干名观察者，测试各观察者在相同色温环境下的闪烁临界频率CFF、应激反应时RT及脑力负荷程度L的值，拟合出常数λ1、λ2、λ01、λ02、μ1及μ2的值；

S14、根据CT的表达式构建随时间变化的色温控制曲线；

某一刻系统输出的色温值与日光的色温值叠加的照明效果应等同于该时刻的色温控制曲线所对应的色温值的照明效果，则有，

式中，t＞0，E1为日光照度值，E2为系统输出照度值，s(T)为内置的日光色温在不同时间段色温变化情况，则实际输出的色温值CT的表达式变为，

6.如权利要求5所述的一种色温实时调节方法，其特征在于：步骤S1中获得的色温控制曲线为多组，多组色温控制曲线分别对应不同年龄段中的人群；步骤S1与步骤S2之间还包括用户根据自身年龄段选择对应色温控制曲线的步骤。

7.如权利要求5所述的一种色温实时调节方法，其特征在于，还包括步骤S4：

S4、确定对应时刻外界日光的色温值，根据某一时刻照明系统产生的照度值、日光在该时刻的照度值、日光在该时刻的色温值及截至该时刻的计时时长所对应的色温值，确定实际所要输出的色温值，外界日光色温值与照明系统输出的实际色温值的叠加照明效果等同于照明系统所欲输出的理想色温值的照明效果。