CN108224350A - 一种基于自然光的教室led健康照明自动控制系统 - Google Patents

一种基于自然光的教室led健康照明自动控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统。首先针对教室光环境不符合学习需求的问题，本发明提出最大限度地使用自然光进行照明，在自然光不足以满足照度标准的情况下用高品质白光LED提供补充照明最终构建舒适健康的教室光环境。然后通过无线通信协议实现了微控制单元、百叶窗模块、光照传感器、LED灯的无线通信，系统的各模块容易安装和后期拓展，相对传统的有线照明有很大优势。本发明中提出的自动照明系统，光品质高，能自动地调节室内照度。同时，系统选择自然光作为系统的主要光照来源，极大的减少电能的消耗，具有一定的社会和经济效益。

Description

一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统
技术领域
本发明涉及半导体照明领域，特别是一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统。
背景技术
光是人类赖以生存的必备条件，是人们日常生活中不可缺少的重要组成部分，正是这种对光的依赖性，让人们越来越重视健康照明的发展。据统计我国近视眼人数已近4亿，居世界第一，近视发生率已经达到世界平均水平的1.5倍，青少年近视发生率更是高达60％-70％。近视人数连年攀升，已经成为影响我国人民健康的重要问题。学习疲劳是导致学习效率下降、学生厌学的重要原因之一，光生物效应的发现及研究表明，良好的教室光环境对提高学习效率，减少疲劳程度以及保护学生心理、生理健康均具有重要意义。
LED照明已成为21世纪居室照明领域的一种趋势，LED将取代传统白炽灯和日光灯，灯具将向更加节能化、健康化、艺术化和人性化发展。LED优点很多例如节能，寿命长，LED采用固态封装，运输安装方便，可以被装置在任何微型和封闭的设备中，不怕振动，基本上不用考虑散热。由现阶段的自动照明系统研究可知，其控制的主要方式是有线连接控制，这样的系统在一定的程度上会带来很多的不便，施工量较大，复杂度高，可扩展性差，系统维护成本高等。相比较而言，通过无线方式控制的健康照明系统很好的弥补了以上问题，具有布线简单，安装成本低等优点。
基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统采用联合自然光和人工照明的控制方式具有很好的经济效益，而且国内外研究发现采用自然光进行室内照明，在相同照度水平下，人们在自然光环境下的视觉功效比在人工照明条件下的高5％-20％，更有利于健康光环境的构造。通过无线通讯数据传输、计算机智能化信息处理及节能型电器控制等技术组成的分布式无线遥测、遥控、遥讯控制系统，来实现对教室照明设备的自动化控制，具有调节灯光亮度强弱、定时控制、场景设置等功能。相对于传统照明具有安全、节能、舒适、高效的特点。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种教室照明自动控制系统，该系统通过精确控制电动百叶窗的角度来控制自然光的入射角度和光通量，最大限度地使用自然光进行照明，在自然光不足以满足照度标准的情况下，采用人工照明进行按需补光，最终达到教室照度均匀，照度符合教室照明标准，营造舒适健康的教室光环境。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统包括LED发光装置、电动百叶窗、照度传感器、恒流发生器、微控制单元、存储器、通信模块、光学透镜和匀光膜。微控制单元连接恒流发生器、照度传感器、电动百叶窗、存储器、通信模块，恒流发生器连接LED发光装置。微控制单元通过调节百叶窗角度控制自然光的光通量，通过室内传感器读取室内照度，如果光照强度不足，微控制单元将通过PWM(脉冲宽度调制)方式控制恒流发生器，调节LED发光装置的亮度。
为了更好的构建健康教室光环境，电动百叶窗的最佳角度与季节、时间、室外光照强度有关，通过调节百叶窗角度避免太阳直射出现眩光现象，最大程度的利用自然光提供教室照明，在照度不足的情况下由教室内的LED发光装置提供补光，其中LED光谱通过多基色LED模拟出太阳光谱且色温在4500K左右。根据室外光照强度的变化，室外照度传感器把数据传输给控制单元，控制单元控制百叶窗角度和LED装置发光强度，达到室内光环境稳定且符合学生学习的需求。
本发明提供的一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统中，LED发光装置由三种或三种以上的不同颜色的LED构成，每种颜色的LED可以是窄谱的LED单色光源，也可以是添加了荧光粉后的宽谱LED光源；多种不同颜色的LED组合发光，通过调节每种颜色LED的发光强度，模拟太阳光光谱和亮度。
本发明提供的一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统中，恒流发生器与LED发光装置的每一种颜色LED灯珠电连接，微控制单元通过PWM方式控制恒流发生器，调节每种颜色LED的发光强度。为提高调光品质，PWM的频率大于10KHz。
本发明提供的一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统中，通信模块是Zigbee无线模块，也可以是基于RS485、RS232、I2C通信接口标准的有线通信模块，主要用于收发控制指令，微控制单元执行控制指令。
本发明提供的一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统中，存储器可以通过记录光照传感器的数据，百叶窗角度，时间建立最佳百叶窗角度数据库，控制单元通过调用存储数据，可以更快速的得到最佳百叶窗角度，完成LED发光装置的调光。
本发明提供的一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统中，光照传感器包括室内光照传感器模块和室外光照传感器模块，收集室内和室外光照强度，通过通信模块把数据传输给控制单元。
本发明提供的一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统中，光学透镜和匀光膜安置在LED发光装置上，使得LED发光装置发出均匀的混光。
相较于现有技术，本发明提供的一种用于构建教室健康照明自动控制系统的方法，通过调节电动百叶窗角度更好地利用自然光提供照明；在自然光不足以满足照明需求时，通过调节包含多种颜色的LED发光装置，模拟太阳光的光谱和亮度，可以保证光照品质，构建健康教室光环境。
本发明与现有的技术相比具有以下的优点和效果：
1.本发明的照明自动控制系统，明确了控制方法，通过对百叶窗和LED照明装置的控制，构建出健康的教室光环境。
2.本发明使用的LED照明装置发出的光谱是通过多基色LED灯珠模拟太阳光谱，更接近自然光，且控制色温在4000K至5000K更适合学生学习。
3.本发明实现了教室光照的自动控制，产品自带控制程序。
附图说明
图1为本发明一种用于构建教室健康照明自动控制系统的结构框图。
图2为构成LED发光装置的五种颜色的LED的光谱图
图3为本发明实现流程图
具体实施方式
需要指出的是，本发明所诉的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其它实施方式，同样属于本发明保护的范围。
本发明提供一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
参照图1所示，本发明提出的一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统，包括LED发光装置、恒流发生器、微控制单元、百叶窗模块、存储器、传感器模块。微控制单元连接恒流发生器、存储器、通过通信协议连接百叶窗和传感器模块，恒流发生器连接LED发光装置。
参照图2，LED发光装置由五种不同颜色的LED构成，其中三种为窄谱LED单色光源，分别为490nm蓝光21、520nm绿光22、720nm红光23；另外两种为添加了荧光粉后的宽谱白光LED光源，分别为色温6000K的冷白光24和色温为3000K的暖白光25。LED发光装置中五种不同颜色的LED灯珠，最大功率总合为40W。恒流发生器具备五路恒定400mA的电流输出，每一路电流输出分别与LED发光装置的每一种颜色的LED光源连接。
实验区选择在湖南省长沙市中南大学物理与电子学院，教室为矩形，9米长、8米宽，两侧开窗。实施阶段主要分为两个步骤：室内昼光照度计算和人工补光，流程图见图3。
步骤1、室内昼光照度计算
本步骤中选择室外照度为室外照度为60001x时，根据实验环境的日期、时间、经纬度和房屋朝向，采用人工神经网络中的BP算法(逆推学习法)来预测最优百叶窗角度，求得百叶窗的最优角度为48°。根据公式(1)可以求得室内昼光照度值，其中，n为房间进深；Gn(w)为进深为n处的天然采光系数函数；Ew昼为室内昼光照度矩阵。
步骤2、人工补光
假设目标照度为E，那么人工照度Ew根据公式
E＝Ew+Ew昼 (2)
可以求得。根据光通传递理论可以得到室内照度点的人工照度矩阵如式(3)所示。其中g为光通传递函数矩阵，光通传递函数矩阵的元素gij为光源j对点i的光出射比(或光通传递函数)。在光源位置确定的情况下，gij是不变化的，不随光源输出光通量的变化而变化。
教室内的LED灯安装好后，其光通传递函数矩阵是确定不变的，可根据矩阵知识求得(3)式的最小二乘解为：φ＝(gTg)-1gTEw (4)
最后微控制单元通过PWM方式控制恒流发生器，调节LED的发光强度达到目标值，实现教室照度均匀。
本发明公开的一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统，通过精确控制百叶窗的角度最大程度利用太阳光提供照明，在自然光不足以提供照明要求时，微控制单元通过控制多种颜色的LED的光辐射强度，模拟太阳光光谱和亮度，达到教室照明要求，构建健康教室光环境。

Claims (6)

1.一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统包括LED发光装置、电动百叶窗、照度传感器、恒流发生器、微控制单元、存储器、通信模块、光学透镜和均光膜。所述微控制单元连接恒流发生器、照度传感器、电动百叶窗、存储器、通信模块，恒流发生器连接LED发光装置。微控制单元通过调节百叶窗角度控制自然光的光通量，通过室内照度传感器读取室内照度，在光照强度不足的情况下微控制单元通过PWM方式控制恒流发生器，调节LED发光装置输出的亮度。
2.根据权利要求1所述的一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统，其特征在于，所述的LED发光装置由三种或三种以上的不同颜色的LED构成，每种颜色的LED可以是LED单色光源，也可以是添加了荧光粉后的宽谱LED光源。且LED发光装置满足：设t0时刻LED发光装置输出的白光色温为T0，t1时刻LED发光装置输出的白光色温为T1，应满足2000K≤T0≤4000K，4000K≤T1≤5000K。
3.根据权利要求1所述的一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统，其特征在于，所述的恒流发生器可以输出三路或三路以上的恒定电流，恒流发生器输出的恒定电流分别与LED发光装置每一种颜色的LED连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统，其特征在于，所述的照度传感器模块包括可以读取和传输室内外照度值，通过通信模块和微控制单元实现数据传输。
5.根据权利要求1所述的一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统，其特征在于，所述的百叶窗模块可以电动调节，通过对百叶窗的角度精细调节，可以准确的控制室外自然光的光通量。
6.根据权利要求1所述的一种基于自然光的教室LED健康照明自动控制系统，其特征在于，所述的光学透镜安置在LED发光装置上，使得不同颜色的LED均匀混光。
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