CN108449826A - 护眼智能照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调亮度调色温的照明系统。本发明中的LED灯接收智能网关的控制信号，并对当前的灯具状态进行改变，实现灯具开关和调光等操作。客户端通过无线局域网连接智能网关，实现整体护眼智能照明系统的控制。客户端将用户的控制操作转化成相应的协议帧，经由智能网关处理后，将数据转发给LED灯。智能灯具收到数据或状态发生改变，将数据协议包通过智能网关转发给客户端，客户端收到协议帧后，处理接收的数据，进行手机界面状态更新。本发明采用基于极坐标的无极调光调色算法，算法实现复杂度低，可快速达到设定的亮度和色温；相比于现有算法，在调光准确度有了很大的提升。

Description

护眼智能照明系统

技术领域

本发明涉及一种护眼智能照明系统，具体涉及一种可调亮度调色温的智能照明系统。

背景技术

照明给人们的生活环境创造了良好的可见度，帮助人们更好地感知外界视觉信息。近年来，随着社会的发展和人类生活的改变，照明不再仅仅局限于提供环境可见度，照明质量逐渐成为大众的新需求。随着室内照明需求的提升和智能照明技术的发展，室内照明在光照强度的基础要求之上，更应该加强光环境对人体心理和情感层面的影响。

虽然智能照明正在快速发展，新的智能照明产品不断出现和完善。然而，从市场接受度而言，大众接受程度不高，目前仍处于起步发展期。大众通常采用传统照明方式，照明系统存在有待更进一步发展的空间，如调光算法不够智能化，照明系统抗干扰能力较差，无法检测光照环境，自适应环境变化，实现光照环境的动态调节等。目前市场上也出现相关护眼照明系统和灯具。在购物网站淘宝网输入“灯”，在销量榜单可以看到智能调光照明灯具。但是系统只有三档或二档调光功能，采用遥控器或开关进行控制。系统具有一定护眼作用，智能化程度还不够高。通过调研分析，可以总结出如下不足：

(1)光源固定，照明品质不佳。

目前照明系统存在光源固定，无法调节光照环境，导致室内亮度和色温不适宜等照明品质不佳的问题。照明设备的老化、新旧照明设备交替使用造成室内亮度不均。由于人们对照明方面存在一定误差，通常认为照明亮度达到使用要求即可，没有顾及到色温和亮度给人体带来的影响。事实上，光照强度只是最低指标，过强或过低的照度引起视觉疲劳，对视力产生伤害，降低工作和学习效率。

(2)单一控制，无法实现灯具联动。

现在市场上传统照明系统大多采用分散开关控制或遥控器的方式进行通信，一个控制端只能同时控制单个或单组灯具，照明控制方式单一，无法实现灯具间的联动。根据室内照明环境和需求的不同，良好的光照环境需要对灯具进行独立控制和联动控制。同时，传统照明系统灯具和开关需要开槽布线，安装复杂，使用门槛较高，增加了后期维护成本。

(3)系统操作复杂

目前护眼智能照明存在系统人性化程度不高，系统操作复杂、稳定性不高等缺陷，带来使用难度和推广难度增加。结合互联网和智能手机的发展，智能化、简洁化和人性化的控制系统更符合当下趋势，满足使用需求。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种可调亮度调色温的护眼智能照明系统，以解决上述背景技术中提出的问题和不足。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：护眼智能照明系统，包括：冷暖双色LED灯、智能网关、无线光照传感器和客户端。系统采用嵌入式物联网核心技术，将互连的核心模块嵌入到驱动模块中，实现了LED灯与智能网关的射频通信。LED灯接收智能网关的控制信号，并对当前的灯具状态进行改变，实现灯具开关和调光等操作。客户端通过无线局域网连接智能网关，实现整体护眼智能照明系统的控制。客户端将用户的控制操作转化成相应的协议帧，经由智能网关处理后，将数据转发给LED灯。智能灯具收到数据或状态发生改变，将数据协议包通过智能网关转发给客户端，客户端收到协议帧后，处理接收的数据，进行手机界面状态更新。

本发明采用无极调光调色算法和多灯联动调光机制，具体是：

(1)所述基于极坐标的无极调光调色算法。结合格拉斯曼混色原理，建立极坐标系下的色度和光度参量算法模型，将色度和光度量转换为两路PWM控制量，实现了亮度和色温的独立调节，算法实现复杂度低，可快速达到设定的亮度和色温。并针对调光过程中出现的抖动和闪烁问题，给出了动态平滑调光机制，提升了调光体验感。

(2)所述基于无线组网技术的多灯联动调光机制。采用自主研发的无线组网技术，灯具设备可自动组成网络，进行灯具的配对。通过灯具的整体控制和单独控制，可实现多灯联动，调节系统的亮度和色温，使整个室内光照均匀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用基于极坐标的无极调光调色算法，解决了亮度和色温的单独调节，算法实现复杂度低，可快速达到设定的亮度和色温；相比于现有算法，在调光准确度有了很大的提升。基于无线组网技术的多灯联动调光机制，可通过灯具的整体控制和单独控制，可实现多灯联动，调节系统的亮度和色温，使整个室内光照均匀；客户端调光软件解决了在调光过程中处理速度不匹配和延时较高的问题，提升了响应速度。同时提出数据流问题解决机制，优化系统容错性能。

附图说明

图1为本发明的系统架构图；

图2为本发明的基于极坐标的调光算法原理图；

图3为本发明的基于无线组网的多灯联动示意图；

图4为本发明系统传感器布置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。

请参阅图1、图2、图3和图4，本发明实施例包括：

如图1所示，护眼智能照明系统架构图。护眼智能照明系统，包括：冷暖双色LED灯、智能网关、无线光照传感器和客户端。

如图2所示，一种基于极坐标的无极调光调色算法。

色温是光线中包含颜色成本的一个计量单位，指绝对黑体从绝对零度(-273℃)开始加热后呈现的颜色。根据CIE色度计算模型，可以建立确定目标色温对应色品坐标，Tamaru团队提出了色温计算公式：

T＝669A⁴-779A³+3360A²-7047A+5652 (1.1)

式(1.1)中T为计算得到的色温值，A为等色温线斜率倒数，计算公式为：

若目标色温T已经确定，根据式(1.1)，可确定等温线斜率倒数A的值。把计算得到的A值代入式(1.2)，可得到当前色品坐标关系式如式(1.3)所示。由于该条直线上，等温线斜率值相同，该直线也称之为等温线：

通过上述调色原理可以得出，如果已知冷白LED光源的色品坐标为(x_c，y_c)，暖白LED光源的色品坐标为(x_w，y_w)，则两种光源混合之后的色品坐标关系式可以表示为：

式子中，x_m∈[x_w,x_c]。

令联立(1.3)和(1.4)，

则x_m可解得：

由之前的分析可知，如果当前混光的色品坐标为x_m，则y_m可由式(1.3)或式(1.4)计算得出。

根据光通矩阵理论，PWM改变脉冲宽度时，LED冷暖白光本身的色度变化很小，几乎忽略不计。但是，光度量的变化却和PWM呈现正比例相关关系，即和最大光度量成正比，可用如下关系式进行表示：

Y＝DY_z (1.6)

式(1.6)中，Y_z为电源在满电流工作状态下的输出光度量，D为占空比，Y为实际输出光度量。

在已知冷暖LED每路通道光源输出最大光度量和占空比下，根据光通量叠加原理，可得出混合光的光度量：

Y_m＝D_cY_c+D_wY_w (1.7)

式(1.7)中，Y_c和Y_w分别是冷光通道和暖光通道在满电流下的输出最大光度量，D_c和D_w分别为冷光通道和暖光通道的PWM占空比，Y_m为混合后的输出光度量。

以冷暖LED灯的每路实际输出光度量为坐标，则混光后光源的光度量可用坐标点Y_m(D_cY_c，D_wY_w)进行。

根据色度学原理和上述分析可得，在确定色温参量时，色品坐标和冷暖LED光源的光度量Y_c和Y_w，可用式(1.8)表示：

于是有

根据光度计算条件可以计算得出：

根据式(1.7)和式(1.10)，可以得出每路通道的占空比为：

根据上述推导，已经获得混合色品坐标下的冷暖通道占空比。由式(1.11)可以得出，冷暖LED光度量比值为：

可以得出，当冷暖通道的光度量值确定时，x的色品坐标也确定。

在这里，选取冷暖光度量区域内，直线y＝kx(k>0)上的混光点A(D_c1Y_c1，D_w1Y_w1)，B(D_c2Y_c2，D_w2Y_w2)和C(D_c3Y_c3，D_w3Y_w3)，如图1所示。在直线y＝kx上的混光点，斜率恒定，即冷暖光的光度量值相同，可用公式表示为：

化简得出，在已知光度量区域内的直线斜率，可得出x的色品坐标为：

当斜率和光度量比值相同时，可以唯一确定x值。x确定后，y可唯一确定。即在同一直线上，斜率相同的点，色坐标相同，色温相同。

根据上述推导，当冷暖LED的色温和光度量在一条直线上时，可将色温和光度量作为调光维度。将双色灯的光度量和色温调节，转换为极坐标的半径和角度的关系问题，最后确定冷暖通道的PWM。

在平面内选取极点O，从O点出发作极轴OX轴，选取逆时针方向为正方向，单位线长作为单位光度量值。在极坐标内任意一点混合光M，可用M距离极点的长度OM和OM与极轴的夹角θ进行表示，用坐标表示为M(ρ，θ)，ρ＞0。变换关系如图2所示。

由上面的式(1.13)可以知道，可以知道当K为常数时，极坐标下的θ也为常数。所以，只需要保持角度θ不变化，进行半径ρ的增减，就可以实现冷暖灯的亮度调节。

(1)光度量恒定下的色温调节

保持极坐标下的半径ρ不变，角度θ的变化，就可以实现冷暖光的色温调节。即混合光度量Y_m恒定，色坐标x改变。联立式(1.7)和式(1.15),可得如下计算式：

可以解出唯一x。D_c由可确定D_w的值。

(2)色温恒定下的光度量调节

保持θ角度不变化，进行半径ρ的增减，可实现冷暖光的光亮度调节。即冷暖通道的光亮度比值固定，色温保持恒定，联立式(1.13)和式(1.11)，可得如下计算式：

可以解出唯一D_c，再有由D_c由可确定D_w的值。依据上述推导，通过控制极坐标的角度和半径，可实现冷暖灯色温和光度量的单独控制。

如图3所示，一种基于无线组网的多灯联动调光机制。

室内照明通常为多灯具组合，实现室内光照的整体调节，需要对系统灯具进行联动控制。系统基于无线组网设计，多灯联动的关键在于控制方式和数据传输。本发明在无线组网技术基础上，提出了多灯联动调光机制。

(1)灯具入网

在新灯具加入无线网络时，智能网关根据灯具MAC判断是否为安全设备。在灯具MAC认证安全之后，授权灯具加入无线网络中，并且在灯具数据表中储存该灯具的IP、端口号和集中器地址等数据。

(2)灯具调光

调光操作最终响应单元为灯具。以单个灯具为对象，灯具数据可分成开光、亮度、色温和其他信息四部分，其他数据储存了定时状态等拓展功能信息。一次调光操作中，由客户端发送包含当前灯具要改表状态的数据请求给智能网关，智能网关接收请求并完成调光后，反馈回复帧给智能网关。

(3)分组管理

系统对灯具进行分组管理。用户在注册登录之后，绑定用户下的智能网关，添加智能网关下的灯具节点。对灯具进行分组，建立分组下灯具信息，实现灯具整组控制和多灯管理。

室内光照不满足需求时，客户端发起分组调光操作，选择当前分组下的操作对象后，智能网关同时对多个灯具进行亮度和色温的调节，各个灯具进行响应。调光后，室内光照发生改变，可由光照传感器反馈出数据。

(4)光照采集

无线光照传感器采集当前室内光照信息，无需电源供电，通过射频与智能网关通信。为了避免由于障碍物和人为遮挡等因素引起采光不准确，本实施例将光照传感器布置在室内四周墙壁上。根据室内天然光照分布和灯具分布情况，将无线开关传感器较为均匀的布置在室内四周工作面上，

(5)通信数据传输

下面以冷暖LED灯命令帧处理机制为例进行说明。在帧控制码中，以数据标识0000 ff xx标识调节冷暖LED灯色温。00 00 ff 01表示冷光，00 00 ff 02表示暖光，00 00ff 03表示调光后的冷暖光。冷暖光调节的数据值在数据域data中进行表示。冷暖光调光数据为带ACK反馈的数据帧传输，当智能网光向灯具节点发送调光数据帧，智能网关等待接收灯具节点的反馈帧。如果智能网关在50ms内，收到了反馈帧，则发送下一条数据帧；如果没有收到反馈帧，则重新发送该条数据帧。在此期间，智能网关收到告警帧，则进行告警帧。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.护眼智能照明系统，该系统包括冷暖双色LED灯、智能网关、无线光照传感器和客户端，其特征在于：该系统采用了一种基于极坐标的无极调光调色算法，所述无极调光调色算法结合格拉斯曼混色原理，建立极坐标系下的色度和光度参量算法模型，将色度和光度量转换为两路PWM控制量，实现了亮度和色温的独立调节，具体是：

根据CIE色度计算模型，建立确定目标色温对应色品坐标，色温计算公式：

T＝669A⁴-779A³+3360A²-7047A+5652 (1.1)

式(1.1)中T为计算得到的色温值，A为等色温线斜率倒数，计算公式为：

若目标色温T已经确定，根据式(1.1)，可确定等温线斜率倒数A的值；把计算得到的A值代入式(1.2)，得到当前色品坐标关系式如式(1.3)所示：

如果已知冷白LED光源的色品坐标为(x_c，y_c)，暖白LED光源的色品坐标为(x_w，y_w)，则两种光源混合之后的色品坐标关系式可以表示为：

式子中，x_m∈[x_w,x_c]；

令联立(1.3)和(1.4)，则x_m可解得：

如果当前混光的色品坐标为x_m，则y_m可由式(1.3)或式(1.4)计算得出；

根据光通矩阵理论，PWM改变脉冲宽度时，LED冷暖白光本身的色度变化很小，几乎忽略不计；但是，光度量的变化却和PWM呈现正比例相关关系，即和最大光度量成正比，可用如下关系式进行表示：

Y＝DY_z (1.6)

式(1.6)中，Y_z为电源在满电流工作状态下的输出光度量，D为占空比，Y为实际输出光度量；

在已知冷暖LED每路通道光源输出最大光度量和占空比下，根据光通量叠加原理，可得出混合光的光度量：

Y_m＝D_cY_c+D_wY_w (1.7)

式(1.7)中，Y_c和Y_w分别是冷光通道和暖光通道在满电流下的输出最大光度量，D_c和D_w分别为冷光通道和暖光通道的PWM占空比，Y_m为混合后的输出光度量；

以冷暖LED灯的每路实际输出光度量为坐标，则混光后光源的光度量可用坐标点Y_m(D_cY_c，D_wY_w)进行；

根据色度学原理和上述分析可得，在确定色温参量时，色品坐标和冷暖LED光源的光度量Y_c和Y_w，用式(1.8)表示：

于是有

根据光度计算条件计算得出：

根据式(1.7)和式(1.10)，得出每路通道的占空比为：

根据上述推导，已经获得混合色品坐标下的冷暖通道占空比；由式(1.11)可以得出，冷暖LED光度量比值为：

可以得出，当冷暖通道的光度量值确定时，x的色品坐标也确定；

在这里，选取冷暖光度量区域内，直线y＝kx上的混光点A(D_c1Y_c1，D_w1Y_w1)，B(D_c2Y_c2，D_w2Y_w2)和C(D_c3Y_c3，D_w3Y_w3)，k>0，在直线y＝kx上的混光点，斜率恒定，即冷暖光的光度量值相同，可用公式表示为：

化简得出，在已知光度量区域内的直线斜率，可得出x的色品坐标为：

当斜率和光度量比值相同时，可以唯一确定x值；x确定后，y可唯一确定；即在同一直线上，斜率相同的点，色坐标相同，色温相同；

根据上述推导，当冷暖LED的色温和光度量在一条直线上时，可将色温和光度量作为调光维度；将双色灯的光度量和色温调节，转换为极坐标的半径和角度的关系问题，最后确定冷暖通道的PWM；

在平面内选取极点O，从O点出发作极轴OX轴，选取逆时针方向为正方向，单位线长作为单位光度量值；在极坐标内任意一点混合光M，可用M距离极点的长度OM和OM与极轴的夹角θ进行表示，用坐标表示为M(ρ，θ)，ρ＞0

由式(1.13)可知，当K为常数时，极坐标下的θ也为常数；所以，只需要保持角度θ不变化，进行半径ρ的增减，就可实现冷暖灯的亮度调节；

(1)光度量恒定下的色温调节

保持极坐标下的半径ρ不变，角度θ的变化，实现冷暖光的色温调节；即混合光度量Y_m恒定，色坐标x改变；联立式(1.7)和式(1.15),可得如下计算式：

可以解出唯一x；D_c由可确定D_w的值；

(2)色温恒定下的光度量调节

保持θ角度不变化，进行半径ρ的增减，实现冷暖光的光亮度调节；即冷暖通道的光亮度比值固定，色温保持恒定，联立式(1.13)和式(1.11)，可得如下计算式：

可以解出唯一D_c，再有由D_c由可确定D_w的值；依据上述推导，通过控制极坐标的角度和半径，可实现冷暖灯色温和光度量的单独控制。

2.根据权利要求1所述的护眼智能照明系统，其特征在于：当室内照明通常为多灯具组合时，对系统灯具进行联动控制，采用基于无线组网技术的多灯联动调光机制；具体是：

(1)灯具入网

在新灯具加入无线网络时，智能网关根据灯具MAC判断是否为安全设备；在灯具MAC认证安全之后，授权灯具加入无线网络中，并且在灯具数据表中储存该灯具的IP、端口号和集中器地址；

(2)灯具调光

以单个灯具为对象，灯具数据分成开光、亮度、色温和其他信息四部分；一次调光操作中，由客户端发送包含当前灯具要改表状态的数据请求给智能网关，智能网关接收请求并完成调光后，反馈回复帧给智能网关；

(3)分组管理

用户在注册登录之后，绑定用户下的智能网关，添加智能网关下的灯具节点；对灯具进行分组，建立分组下灯具信息，实现灯具整组控制和多灯管理；室内光照不满足需求时，客户端发起分组调光操作，选择当前分组下的操作对象后，智能网关同时对多个灯具进行亮度和色温的调节，各个灯具进行响应；调光后，室内光照发生改变，可光照传感器反馈出数据；

(4)光照采集

无线光照传感器采集当前室内光照信息，通过射频与智能网关通信。