CN109661059A - 一种led调光调色方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED调光调色方法及系统，包括上位机、主通信模块、从通信模块、主控制器、灯控系统制模块和LED灯阵列模块，所述上位机产生PWM调节数据传输至所述灯控制模块，所述灯控制模块产生PWM波控制LED灯阵列进行调光调色，其中PWM调节数据根据遗传模拟退火算法计算得出。本发明将遗传模拟退火算法应用于对四色LED混合光源的光通量进行多元约束下的寻优求解，收敛速度快，效率高，能以较大的概率获得全局最优解，能够得到光色性能最优的高光通量混合光光源。采用上述方法优化混合光光源，不仅可以实现对混合光的色温的精确控制，也能在目标色温下获得最佳的显示效果。

Description

一种LED调光调色方法及系统

技术领域

本发明涉及LED调光调色技术领域，特别涉及一种智能LED调光调色照明方法及系统。

背景技术

发光二极管(LED)光源具有体积小、低耗能、低压及可控性能好等诸多优点，现已经逐渐取代了以前广泛使用的白炽灯、荧光灯等，LED作为一种新型绿色光源产品，已成为未来发展的趋势。目前市面上的LED照明产品，大多数为固定颜色不可调节，大部分照明产品都是利用各类普通开关对灯具进行打开和关闭，灯光的亮度调节也是通过调光开光进行相应的调节，因此为了实现光强和色温可调以满足不同条件下的动态照明，需要对多种LED光源进行调控。目前广泛采用红/绿/蓝(R/G/B)LED进行混光，通过调节三种光源的混合比例实现色温调节，其优点是调光范围广，但是存在显色指数较低等问题，为提高LED合成白光的显色性，研究发现在三基色基础上添加白光LED构成四色混合光可以兼顾调光范围和显色性能，具有较为明显的优势。由于四色混合光的色坐标与占空比的关系方程为一个欠定方程组，其解空间存在不定解。目前也有学者采用Matlab优化工具箱中的优化函数进行多元约束条件下的非线性函数寻优，但其寻优过程易陷人局部最优解，无法获得全局最优解。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于遗传模拟退火算法对混合光的光通量进行多元约束条件下寻优得到最佳4色占空比组合的LED调光调色方法及采用该方法的系统。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种LED调光调色方法，包括以下步骤：

步骤1：初始化遗传模拟退火算法的参数，设置种群大小W、温度冷却系数δ、阈值温度T_p和最大进化代数gen；

步骤2：建立红、绿、蓝、冷白四色LED灯混合光源的混光方程组，

Y_m＝D_rY_r+D_gY_g+D_bY_b+D_wY_cw (1)

其中，光源i为红色LED灯r、绿色LED灯g、蓝色LED灯b或冷白色LED灯cw；

(x_i,y_i)为光源i的色坐标，X_m,Y_m,Z_m为混合光源的三刺激值；D_i表示光源i的占空比，Y_i表示光源i在满电流工作状态下的刺激值，C_i＝Y_i/y_i，表示光源i在满电流工作状态下的三刺激之和；

根据色温T_cp计算日光轨迹的色品坐标(x_D,y_D)，

将各LED灯对应的占空比设为决策因子，确定决策因子的可行域为[0,1]，采用遗传模拟退火算法对混合光的光通量进行多元约束条件下寻优，求取最佳占空比组合，使混合光的光通量达到最大；

步骤3：设计遗传模拟退火算法中的染色体个体编码和解码；其中编码方式采用二进制编码表示决策变量(D_r,D_g,D_b,D_w)，单个基因的长度定义为20，将表示决策变量的二进制编码串联起来组成80位长的个体染色体编码，与编码对应，解码时需将80位长的染色体从中间切断成4个20位长的二进制编码串，再将二进制编码转换成十进制数，再将十进制数除以2²⁰即可得到决策变量的值。

步骤4：评价当前种群的适应度函数值，将最优个体赋值给初始种群最优个体定义个体的适应度评价函数为：

f(X)值越小，则表示优化效果越好；

步骤5：判断是否达到最大进化代数，若是则输出最优个体，算法结束；若否则进行步骤6；

步骤6：分别进行选择、交叉及变异操作，生成新种群；其中选择操作同时使用精英选择策略和轮盘赌选择法；交叉操作采用对种群中的所有个体以自适应的交叉概率进行双点交叉；变异操作采用对种群中的所有个体以自适应的变异概率判断是否进行变异；

步骤7：判断是否达到预设的阈值温度，若是，结束操作并输出最优个体，得到四色LED灯混合光源的最佳占空比组合，且混合光的光通量达到最大，若否则进行步骤8；

步骤8：对经过交叉、变异后生成的新种群中的每一个染色体X_a，在其领域中选取一个状态X_b，按照模拟退火中的接受概率P接受或拒绝X_b，

其中F_a(t_k)为染色体X_a在温度t_k时的适应度值，在每一次迭代中，对温度t_k进行退温操作，t_k+1＝δ·t_k,，若t_k≤T_p则令t_k＝T_p，T_p为设定的阈值温度。

步骤9：更新进化代数，返回步骤4进行迭代。

进一步设置为，步骤2中所述混光方程组根据混色原理及国际照明委员会CIE-1931色坐标计算方法得出。

进一步设置为，步骤6中选择操作的过程为：

步骤1：将当前种群中适应度最优的20％的个体，直接复制到下一代种群中；

步骤2：根据个体X_i的适应度值计算个体被选择的概率

步骤3：生成随机数r∈[0,1]，若则选择个体X_i遗传到下一代。

通过采用上述技术方案，将遗传模拟退火算法应用于对四色LED混合光源的光通量进行多元约束下的寻优求解，算法收敛速度快，效率高，利用了遗传算法具有较强的搜索整个解空间的能力，但局部搜索能力较差及模拟退火算法通过有限地接受部分恶化解，使其有能力从局部极值区域中跳出，从而具有优良的局部搜索能力的特点，能以较大的概率获得全局最优解。采用上述方法优化混合光光源，不仅可以实现对混合光的色温的精确控制，也能在目标色温下获得最佳的显示效果，能够得到光色性能最优的高光通量混合光光源。

本发明还提供一种采用上述LED调光调色方法的系统，包括上位机、主通信模块、从通信模块、主控制器、灯控制模块和LED灯阵列模块，所述的上位机与主通信模块通过串口连接，所述的主控制器与从通信模块通过串口连接，所述的主通信模块和从通信模块之间进行无线通信，所述的主控器与灯控制模块进行连接，所述的灯控制模块与LED灯阵列模块进行连接；所述上位机产生PWM调节数据传输至所述灯控制模块，所述灯控制模块产生PWM波控制LED灯阵列进行调光调色。

进一步设置为，所述的LED灯阵列模块由16颗LED灯珠组成，将16颗LED灯珠分为4组，每组都包括一颗红光、绿光、蓝光和冷白光LED。

优选的，所述主控制器的主芯片为STM32F103。

优选的，所述主通信模块和从通信模块的主芯片为CC2530，两者之间通过ZigBee网络通信。

优选的，灯控制模块产生PWM波的为恒流LED芯片MBI5030。

通过采用上述技术方案，基于红光、绿光、蓝光和冷白光的4色LED混合光源，能满足优质照明需求的色温可调、显色指数高的要求，同时系统由短距离无线通信方式控制LED灯阵列，可以同时控制多个节点，减少了线路布局，系统使用方便且成本低；采用调节PWM占空比来实现改变LED光源的发光强度，使系统具有调光准确、色彩变换更快、不改变LED电流脉冲幅值、驱动器效率高及系统简单等优点。

附图说明

图1为本发明系统的示意图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1至图2，本发明提供一种LED调光调色方法及运用该方法的LED调光调色系统。LED调光调色系统包括上位机、主通信模块、从通信模块、主控制器、灯控制模块和LED灯阵列模块，所述的上位机与主通信模块通过串口连接，所述的主控制器与从通信模块通过串口连接，所述的主通信模块和从通信模块之间进行无线通信，所述的主控器与灯控制模块进行连接，所述的灯控制模块与LED灯阵列模块进行连接；所述的LED灯阵列模块由16颗LED灯珠组成，将16颗LED灯珠分为4组，每组都包括一颗红光、绿光、蓝光和冷白光LED，所述上位机产生PWM调节数据传输至所述灯控制模块，所述灯控制模块产生PWM波控制LED灯阵列进行调光调色，其中主控制器的主芯片为STM32F103，所述主通信模块和从通信模块的主芯片为CC2530，主通信模块负责Zigbee网络组建、维护及控制从通信模块的加入，按照通讯协议无线传输数据给从通信模块。从通信模块上电后会自动搜索Zigbee网络，确定网络号的正确及加入网络，负责接收主通信模块发送来的数据。上位机与主通信模块通过RS232串口连接，主通信模块和从通信模块之间通过ZigBee网络通信，灯控制模块产生PWM波的为恒流LED芯片MBI5030。上位机根据不同的输入颜色，通过LED调光调色方法得到具有最大光通量的最佳4色占空比组合，然后将其通过串口传送到智能LED调光调色照明系统中的主控制器，主控制器在接收到PWM调节数据后，经处理后控制MBI5030产生16路PWM波。

所述的PWM调节数据由LED调光调色方法产生，该方法采用遗传模拟退火算法，包括以下步骤：

步骤1：初始化遗传模拟退火算法的参数，设置种群大小W、温度冷却系数δ、阈值温度T_p和最大进化代数gen，初始的进化代数t＝0；

步骤2：确定色坐标约束条件及决策因子的可行域；根据混色原理及国际照明委员会CIE-1931色坐标计算方法，对本实施例红光、绿光、蓝光和冷白光四色LED的混合光源，建立混合光源的混光方程组，

Y_m＝D_rY_r+D_gY_g+D_bY_b+D_wY_cw (1)

其中，光源i分别为红色LED灯r、绿色LED灯g、蓝色LED灯b或冷白色LED灯cw；(x_i,y_i)为光源i的色坐标，X_m,Y_m,Z_m为混合光源的三刺激值；D_i表示光源i的占空比，Y_i表示光源i在满电流工作状态下的刺激值，C_i＝Y_i/y_i，表示光源i在满电流工作状态下的三刺激之和；

目前色温的调控方法主要是通过普朗克黑体线来查找色温对应的色品坐标，此法耗时较多而且难以实现相关色温的连续动态调节。在某一特定温度T下，黑体的光谱功率分布可由普朗克公式获得，根据黑体的温度就可以由色度学理论计算出它的色坐标，当色温大于5000K时，国际照明委员会CIE推荐用日光轨迹代替黑体轨迹，这条轨迹是根据许多实测的日光色度点的分布确定的，它位于黑体轨迹的上方，包括了4000K～40000K典型日光的色度点，日光轨迹的色品坐标满足下列关系：

在相关色温T_cp已知的情况下，可通过下式计算典型日光的色品坐标(x_D,y_D)：

通过式(3)、(4)建立的相关色温与色坐标的函数关系可求得对应的色坐标，再通过式(2)可得4色方程组的占空比和色坐标的函数关系，即可确定相关色温与占空比的函数关系，对确定的色坐标和光通量，此4色方程组无定解，不同的占空比可获得相同的混合光的目标色坐标，但混合光的光通量却不同。因此将给定的目标相关色温和由式(3)、(4)计算得到的色坐标作为约束条件，将R/G/B/CW四色对应的占空比作为决策因子，确定决策因子的可行域范围，即：

0≤(D_r,D_g,D_b,D_w)≤1

将各LED灯对应的占空比设为决策因子，确定决策因子的可行域为[0,1]，采用遗传模拟退火算法对混合光的光通量进行多元约束条件下寻优，求取最佳占空比组合，使混合光的光通量达到最大；

步骤3：设计遗传模拟退火算法中的染色体个体编码和解码；4色LED照明光通量优化是一个多元约束条件下的最优化问题，其自变量只有占空比。采用遗传模拟退火算法对混合光的光通量进行多元约束条件下寻优，即对Y_m(D_r,D_g,D_b,D_w)进行多元约束寻优，求取最佳占空比组合，使混合光的光通量达到最大。为简化问题的描述，采用二进制编码表示决策变量(D_r,D_g,D_b,D_w)，单个基因的长度定义为20，将表示决策变量的二进制编码串联起来组成80位长的个体染色体编码。与编码对应，解码时需将80位长的染色体从中间切断成4个20位长的二进制编码串，再将二进制编码转换成十进制数，再将十进制数除以2²⁰即可得到决策变量的值。

步骤4：评价当前种群的适应度函数值，将最优个体赋值给初始种群最优个体由于优化目标是求取光通量的最大值，定义个体的适应度评价函数为：

在遗传模拟退火算法优化过程中，目标函数应随个体适应度函数的增大而收敛于最小值，f(X)值越小，则表示优化效果越好；

步骤5：判断是否达到最大进化代数，若是则输出最优个体，算法结束；若否则进行步骤6；

步骤6：分别进行选择、交叉及变异操作，生成新种群；其中选择操作同时使用精英选择策略和轮盘赌选择法，具体过程如下：

S1、将当前种群中适应度最优的20％的个体，直接复制到下一代种群中；

S2、根据个体X_i的适应度值计算个体被选择的概率

S3、生成随机数r∈[0,1]，若则选择个体X_i遗传到下一代。

采用自适应调整交叉和变异概率的方法，个体X_i的交叉和变异概率调整公式为：

式中F_best(X)、F_worst(X)为每一代所有个体中最优和最差的个体的适应度值，F(X_i)为X_i的适应度值。

交叉运算采用对种群中的所有个体以自适应的交叉概率进行双点交叉，保证新个体中进行交叉部分的任意两个基因位(x_i)和(x_k),i≠k时,x_i≠x_k。

变异运算采用对种群中的所有个体以自适应的变异概率判断是否进行变异，变异方式是基因位0变为1或1变为0。

步骤7：判断是否达到预设的阈值温度，若是，结束操作并输出最优个体，得到四色LED灯混合光源的最佳占空比组合，且混合光的光通量达到最大，若否则进行步骤8；

步骤8：对经过交叉、变异后生成的新种群中的每一个染色体X_a，在其领域中选取一个状态X_b，按照模拟退火中的接受概率P接受或拒绝X_b，

其中F_a(t_k)为染色体X_a在温度t_k时的适应度值，在每一次迭代中，对温度t_k进行退温操作，t_k+1＝δ·t_k,，若t_k≤T_p则令t_k＝T_p，T_p为设定的阈值温度。

步骤9：更新进化代数，t＝t+1，返回步骤4进行迭代。

以上实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围，因此本发明专利的保护范围应以权利要求为准。

Claims (8)

1.一种LED调光调色方法，其特征在于：由遗传模拟退火算法产生调节LED灯的色温的PWM调节数据，包括以下步骤：

步骤1：初始化遗传模拟退火算法的参数，设置种群大小W、温度冷却系数δ、阈值温度T_p和最大进化代数gen；

步骤2：建立红、绿、蓝、冷白四色LED灯混合光源的混光方程组，

Y_m＝D_rY_r+D_gY_g+D_bY_b+D_wY_cw (1)

其中，光源i分别为红色LED灯r、绿色LED灯g、蓝色LED灯b和冷白色LED灯cw；

(x_i,y_i)为光源i的色坐标，X_m,Y_m,Z_m为混合光源的三刺激值；D_i表示光源i的占空比；Y_i表示光源i在满电流工作状态下的刺激值；C_i＝Y_i/y_i，表示光源i在满电流工作状态下的三刺激之和；

根据色温T_cp计算日光轨迹的色品坐标(x_D,y_D)，

将各色LED灯对应的占空比设为决策因子，确定决策因子的可行域为[0,1]，采用遗传模拟退火算法对混合光的光通量进行多元约束条件下寻优，求取最佳占空比组合，使混合光的光通量达到最大；

步骤3：设计遗传模拟退火算法中的染色体个体编码和解码；其中编码方式采用二进制编码表示决策变量(D_r,D_g,D_b,D_w)，单个基因的长度定义为20，将表示决策变量的二进制编码串联起来组成80位长的个体染色体编码，与编码对应，解码时需将80位长的染色体从中间切断成4个20位长的二进制编码串，再将二进制编码转换成十进制数，再将十进制数除以2²⁰得到决策变量的值。

步骤4：评价当前种群的适应度函数值，将最优个体赋值给初始种群最优个体定义个体的适应度评价函数为：

f(X)值越小，则表示优化效果越好；

步骤5：判断是否达到最大进化代数，若是则输出最优个体，算法结束；若否则进行步骤6；

步骤6：分别进行选择、交叉及变异操作，生成新种群；其中选择操作同时使用精英选择策略和轮盘赌选择法；交叉操作采用对种群中的所有个体以自适应的交叉概率进行双点交叉；变异操作采用对种群中的所有个体以自适应的变异概率判断是否进行变异；

步骤7：判断是否达到预设的阈值温度，若是，结束操作并输出最优个体，得到四色LED灯混合光源的最佳占空比组合，且混合光的光通量达到最大，若否则进行步骤8；

步骤8：对经过交叉、变异后生成的新种群中的每一个染色体X_a，在其领域中选取一个状态X_b，按照模拟退火中的接受概率P接受或拒绝X_b，

其中F_a(t_k)为染色体X_a在温度t_k时的适应度值，在每一次迭代中，对温度t_k进行退温操作，t_k+1＝δ·t_k,，若t_k≤T_p则令t_k＝T_p，T_p为设定的阈值温度。

步骤9：更新进化代数，返回步骤4进行迭代。

2.根据权利要求1所述的一种LED调光调色方法，其特征在于：步骤2中所述混光方程组根据混色原理及国际照明委员会CIE-1931色坐标计算方法得出。

3.根据权利要求1所述的一种LED调光调色方法，其特征在于：步骤6中选择操作的过程为：

步骤1：将当前种群中适应度最优的20％的个体，直接复制到下一代种群中；

步骤2：根据个体X_i的适应度值计算个体被选择的概率

步骤3：生成随机数r∈[0,1]，若则选择个体X_i遗传到下一代。

4.一种采用权利要求1至3任一项所述LED调光调色方法的系统，其特征在于：包括上位机、主通信模块、从通信模块、主控制器、灯控制模块和LED灯阵列模块，所述的上位机与主通信模块通过串口连接，所述的主控制器与从通信模块通过串口连接，所述的主通信模块和从通信模块之间进行无线通信，所述的主控器与灯控制模块进行连接，所述的灯控制模块与LED灯阵列模块进行连接；所述上位机产生PWM调节数据传输至所述灯控制模块，所述灯控制模块产生PWM波控制LED灯阵列进行调光调色。

5.根据权利要求4所述的一种LED调光调色系统，其特征在于：所述的LED灯阵列模块由16颗LED灯珠组成，将16颗LED灯珠分为4组，每组都包括一颗红光、绿光、蓝光和冷白光LED。

6.根据权利要求4所述的一种LED调光调色系统，其特征在于：所述主控制器的主芯片为STM32F103。

7.根据权利要求4所述的一种LED调光调色系统，其特征在于：所述主通信模块和从通信模块的主芯片为CC2530，两者之间通过ZigBee网络通信。

8.根据权利要求4所述的一种LED调光调色系统，其特征在于：灯控制模块产生PWM波的为恒流LED芯片MBI5030。