CN110177412A - 基于自适应光调节的室内智能led照明控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统及方法，其通过若干个LED灯，若干个光线传感器，若干个照度传感器，灯光继电器，若干个被动式红外热探测器和控制单元的联动配合，可以实现通过对不同区域所需合理光照的研究，可实现室内调光，同时达到节能目的，加上照明系统中引入室内定位功能，采用被动式红外热探测，更适合生活中使用，利用人体室内定位结合照明系统能更大程度上增强系统的智能化以及给用户带来的舒适性。

Description

基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统及方法

技术领域

本发明属于照明控制技术领域，尤其是基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统及方法。

背景技术

近些年来，随着国民经济不断发展，智能照明行业在国内也迅速发展起来。尤其进入21世纪之后，研究智能照明的公司迅速发展起来，一些知名企业如小米、百分百、清华同方等将智能化家庭延伸到了现代化的照明系统中。

2015年中国LED在线展会圆满落幕，有效推动了LED与信息技术的深度融合，符合“互联网+”的时代要求，体现出智能照明走向普通照明的必然趋势。未来智能照明市场必然会飞速扩大，具有广阔的发展前景。声控灯、光控灯、声光控灯是智能化的初级。遥控控制可以实现照明系统智能控制，但是实现需要人为操作。

目前市场上，已经有了可以调控室内所有灯光的智能灯光调控系统，但大部分的智能灯光调控系统主要是根据用户的需求进行手动控制灯的开关，调节灯光颜色，忽略自然光，无法预测出自然光和照明光所需要的实际补充光照强度，并且未考虑光的亮度是否合适的问题。

本发明在此背景下，其期望目标在于使本照明系统在摆脱人为控制的情况下依旧能运行，在照明系统中引入室内定位功能。现阶段室内定位可大致分为射频、超声、图像、主动红外以及被动红外几大类，如图1所示。其中射频、主动红外、超声类需要被检测者随身携带接收信号的设备，不利于用户生活中使用。

发明内容

针对现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种能够根据不同区域进行光照自动调整、实现室内调光和节能目的兼顾的基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统及方法。

为了实现上述的技术目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统，其包括：

若干个LED灯，用于提供照明；

若干个光线传感器，用于检测设置环境的光线强度且生成光线强度监测反馈信号；

若干个照度传感器，与若干个LED灯一一对应并用于采集LED灯开启后的环境照度并生成照度监测反馈信号；

灯光继电器，与若干个LED灯电连接且用于控制若干个LED灯的启闭；

若干个被动式红外热探测器，用于采集探测区域的红外辐射信号，并生成红外探测反馈信号；

控制单元，与若干个LED灯、若干个光线传感器、若干个照度传感器、灯光继电器和若干个被动式红外热探测器通讯连接并用于接收反馈信号。

进一步，所述的控制单元与若干个LED灯、若干个光线传感器、若干个照度传感器、灯光继电器和若干个被动式红外热探测器无线通讯连接。

优选的，所述的无线通讯连接至少包括Wifi通讯连接和蓝牙通讯连接。

更进一步，其还包括蓝牙Mesh自组网模块，所述的蓝牙Mesh自组网模块与控制单元通讯连接且还分别与若干个LED灯蓝牙通讯连接。

进一步，所述的LED灯均为可调光LED灯。

进一步，所述的LED灯为黄光LED灯或白光LED灯或同时集成有黄光发光单元和白光发光单元的LED灯。

进一步，其还包括与控制单元通讯连接的移动控制终端，所述的移动控制终端上装载有与控制单元信息传递控制的APP。

一种基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统的控制方法，其至少包括如下步骤：

（1）生成LED灯开启指令；

（2）控制单元接收LED灯开启指令，通过预设照度值与对应LED灯设置区域的光线传感器生成光线强度监测反馈信号进行计算出照度差额，然后进行控制LED灯开启，使LED灯开启后，其所设置的环境区域的照度与预设值一致；

（3）照度传感器按周期定时收集对应LED灯所设置环境位置的照度并生成照度监测反馈信号，控制单元接收照度监测反馈信号后，实时调节对应LED灯的亮度并使其设置环境区域的照度与预设值保持一致；

（4）控制单元读取被动式红外热探测器生成的红外探测反馈信号,当对应被动式红外热探测器检测到其所设置区域无红外信号时，控制单元关闭该区域LED灯，当被动式红外热探测器检测到其所设置区域具有红外信号时，控制单元开启该区域LED灯。

进一步，步骤（3）中，照度传感器按5 min为一周期定时收集对应LED灯所设置环境位置的照度并生成照度监测反馈信号。

进一步，所述的预设照度值由以下之一数据更新生成：

（1）控制单元拟合近30 min内照度传感器生成照度监测反馈信号数据进行基于粒子群BP算法后更新生成预设照度值数据；

（2）通过APP手动输入的照度值传输至控制单元后进行算法修正更新生成预设照度值数据。

本发明方案通过各部件的配合，可提高用户使用体验且兼具节能作用，其对室内光线的调节涉及到以下内容：

1、智能家居中的灯光控制单元：控制单元可根据BP算法自动获取当前时间房间所需要的光照强度，以给使用者一个最佳的体验。

2、光线传感器：本模块与BP算法求出的光照预设值协同调节，作为辅助，以解决一天内天气变化较快的情况。

3、照度传感器：照度传感器能通过控制技术对当前环境下的室内照度进行测量计算，并且将照度值传送给控制单元，照度传感器安装在灯具内，成为灯具的一部分，但其安装位置不能影响照度传感器采集照度；其中，照度采集可以自行设置或预设为5 Min每次，使其时刻感应室内的照度，随时改变灯光的照度。

4、灯光继电器：通过灯光继电器可以调控多盏灯光的开与关，利用此特点达到调整室内照度的目的。

5、蓝牙Mesh自组网模块：每个灯之间可以共享目前的状态信息，避免家中的WIFI故障或信号较弱的时候通讯中断，所有的灯均瘫痪的情况，且可根据灯的使用信息来判断家中人的具体情况，危急情况时通过手机APP做出警示。

6、被动式红外热探测器：利用人体室内定位结合照明系统能更大程度上增强系统的智能化以及给用户带来的舒适性。

该系统通过照度传感器对灯具工作区域在灯具开启之前进行照度计算，根据自建数据库中所采集到的外部环境值，可由BP算法计算出照度，对灯具所发出的照度实行补充或削减，实现该区域内的照度不会随外界因素的变化而改变，始终维护在照度预设值左右。照度的调节一是满足用户对灯光对室内照度的要求，二是起到节能的效果，三是通过BP算法进行智能控制，减少人为调节。

LED相对气体放电光源在可控性能、开关次数、工作环境、功率因数补偿与智能照明结合更具优势，尤其在智能照明控制的功效提升更胜一筹，实现绿色照明，节能低碳以及人的精神层面的追求。面对老年化人群、二胎政策开放，家庭成员年龄结构分布是多层次性的，采用单一行为控制，家居照明设计不合理，都会影响照明，而现在照明没有对家居照明提供建议，本技术根据家居环境（室内面积、照明高度、光源、外界环境、年龄结构等）来设计自适应光照明控制系统，将自然光与室内光进行补充，通过BP算法与粒子群结合，可有效推测未来数据，为下一阶段调节光照做准备。为使系统减少对人为操作的依赖性，拥有更强的自主行为，利用人体定位实现智能开关，减少不必要浪费。

如何将人为操作和智能操作，自然光与照明光结合是本系统研究的重点。除了研究这些，还要加入BP算法与粒子群算法、光源与室内环境研究，可预测、可节能、可保护视力、可便利、可扩展，可为家居设计照明提供建议。

采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本发明可以实现通过对不同区域所需合理光照的研究，可实现室内调光，同时达到节能目的，加上照明系统中引入室内定位功能，采用被动式红外热探测，更适合生活中使用，利用人体室内定位结合照明系统能更大程度上增强系统的智能化以及给用户带来的舒适性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明方案做进一步的阐述：

图1为现有技术中定位系统的简要性能对比框图；

图2为本发明方案的简要硬件关联示意图；

图3为本发明方案的控制单元的简要电路连接示意图；

图4为本发明方案的灯光继电器的简要电路连接示意图；

图5为本发明方案的Mesh自组网模块的简要电路连接示意图；

图6为本发明方案的被动式红外热探测器的简要电路连接示意图；

图7为本发明方案的照度传感器的简要电路连接示意图；

图8为本发明方案的LED灯的简要电路连接示意图；

图9为本发明方案的电源转换模块的简要电路连接实施示意之一；

图10为本发明方案的电源转换模块的简要电路连接实施示意之二；

图11为本发明方案的隔离开关管的简要电路连接示意图。

具体实施方式

参见图2所示，本发明系统，包括：

若干个LED灯，用于提供照明；

若干个光线传感器，用于检测设置环境的光线强度且生成光线强度监测反馈信号；

若干个照度传感器，与若干个LED灯一一对应并用于采集LED灯开启后的环境照度并生成照度监测反馈信号；

灯光继电器，与若干个LED灯电连接且用于控制若干个LED灯的启闭；

若干个被动式红外热探测器，用于采集探测区域的红外辐射信号，并生成红外探测反馈信号；

控制单元，与若干个LED灯、若干个光线传感器、若干个照度传感器、灯光继电器和若干个被动式红外热探测器通讯连接并用于接收反馈信号。

其中，所述的控制单元与若干个LED灯、若干个光线传感器、若干个照度传感器、灯光继电器和若干个被动式红外热探测器无线通讯连接；优选的，所述的无线通讯连接至少包括Wifi通讯连接和蓝牙通讯连接。

为了提高通讯单元对LED灯的通讯控制，更进一步，本系统还包括蓝牙Mesh自组网模块，所述的蓝牙Mesh自组网模块与控制单元通讯连接且还分别与若干个LED灯蓝牙通讯连接。

另外，本系统的LED灯均为可调光LED灯，其灯光组成形式可以为黄光LED灯或白光LED灯或同时集成有黄光发光单元和白光发光单元的LED灯。

再者，为了进一步提高本系统的控制便利性，本发明系统还包括与控制单元通讯连接的移动控制终端，所述的移动控制终端上装载有与控制单元信息传递控制的APP，而移动控制终端可以是装载有APP的遥控器、手机、平板电脑或其他可携式设备。

参见图3，本系统的控制单元型号采用STM32F103RB，其具有用于与各模块对接的引脚端口，其中各引脚端口的对接编号已于图3电路图中明确标示，便不一一赘述，其中控制单元的电压输入或输出有12 V、5 V、3.3 V；其中，图9示出了12 V与5 V电压的电源转化模块电路，图10示出了5 V与3.3 V电压的电源转化模块电路；电源转化模块电路的输出端口分别与对应电路图中各组件的电源输入端对接；而本发明系统在本实施例中所示出的若干个LED灯所连接形成的LED灯条连接简要电路如图8所示，其中图8所示的LED灯条的连接端口FZ 1、FZ 2、FZ 3、FZ 4、ZD 1、ZD 2分别与对应的灯条继电器连接参见图4所示，而灯条继电器控制单元之间还连接有还连接有隔离开关管如图11所示，即隔离继电器通过隔离开关管与控制单元连接。

其中，图10所示的灯条电路的端口FZ 1、FZ 2、FZ 3、FZ 4、ZD 1、ZD 2分别对接图4所述的灯条控制继电器灯条的FZ 1、FZ 2、FZ 3、FZ 4、ZD 1、ZD 2端口，而灯条控制继电器的型号均为HF32/12-HS；灯条控制继电器的电源输入端的输入电压为5 V,其对应的端口XH1、XH 2、XH 3、XH 4、XH 5、XH 6分别与图11隔离开关管连接，而隔离开关管包括型号为SS8050的三极管，其对应三极管的发射极端口XH 1、XH 2、XH 3、XH 4、XH 5、XH 6分别与灯条控制继电器的对应端口连接，三极管的集电极连接有12 V电压的供电电源且该电路上还连接有1000 欧的电阻，三极管的基极上连接有的100欧的电阻且图11所示隔离开关管的三极管端口PA 0、PA 1、PA 3、PA 4、PA 5分别与图2所示控制单元上的端口PA 0、PA 1、PA 3、PA 4、PA连接，图5示出了本实施例所采用的两个Mesh自组网模块的电路图，其采用的模块型号为JDY-10M，其中，对应Mesh自组网模块的端口TXD1、RXD1、PWRC1、TXD2、RXD2、PWRC2端口分别与图2所示控制单元的端口TXD1、RXD1、PWRC1、TXD2、RXD2、PWRC2连接。

图6为本发明系统的被动式红外热探测器的简要电路示意图，其采用的型号为JP1。

图7为本发明系统的光线传感器的简要电路示意图。

本发明系统中控制单元主要处理由WIFI接收到的各传感器返回的天气信息，从而形成专属的数据库，根据算法求出该天气每一个房间所需要的光照强度，当有人使用照明的设备时，根据光照传感器模块和算法求出来的光照强度反复调节使得光趋于稳定。而其他的灯也可以共享这一个灯的数据。同时根据房间大小的不同来更改亮度参数，使得人体达到最舒适的感觉。当外部天气变化较大，而天气数据没有更新的时候，可以根据外部的天气来修改基础值，使得光照强度让人更加的舒服。

LED驱动模块可以根据使用的区域不同而选择灯光的颜色，如写字台的颜色多为暖色调，而梳妆台的灯为冷色调则较为清爽。

灯亮的规律为，从中间到两边，呈正方形点亮，且可在外围配置小的灯块，以使得照明的死角也可以得到足够的亮度。

通过BP算法和粒子群算法相结合的思想，建立专门服务于灯的数据库。利用粒子群算法的收敛速度快，精度高来弥补BP算法的收敛速度慢和误差较大的问题，使得数据库中的数据更加的有可参考性。

Mesh组网模块可以实时监控灯的使用情况，并根据长时间的学习可以得出使用者使用该灯的时间段，若过了该时间段，使用者没有使用该灯，可以通过WLAN将反馈信息发送到手机APP端口，以避免家中发生意外，便于家属紧急处置。

基于上述的方案，本发明系统的控制方法如下：

一种基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统的控制方法，其至少包括如下步骤：

（1）生成LED灯开启指令；

（2）控制单元接收LED灯开启指令，通过预设照度值与对应LED灯设置区域的光线传感器生成光线强度监测反馈信号进行计算出照度差额，然后进行控制LED灯开启，使LED灯开启后，其所设置的环境区域的照度与预设值一致；

（3）照度传感器按5 min为一周期定时收集对应LED灯所设置环境位置的照度并生成照度监测反馈信号，控制单元接收照度监测反馈信号后，实时调节对应LED灯的亮度并使其设置环境区域的照度与预设值保持一致；

（4）控制单元读取被动式红外热探测器生成的红外探测反馈信号,当对应被动式红外热探测器检测到其所设置区域无红外信号时，控制单元关闭该区域LED灯，当被动式红外热探测器检测到其所设置区域具有红外信号时，控制单元开启该区域LED灯。

其中，所述的预设照度值由以下之一数据更新生成：

（1）控制单元从互联网云端自动下载的天气数据经对照对应天气的预设照度值后更新生成预设照度值数据；

（2）控制单元拟合近30 min内照度传感器生成照度监测反馈信号数据进行平均后更新生成预设照度值数据；

（3）通过APP手动输入的照度值传输至控制单元后更新生成预设照度值数据。

结合上述，本发明系统的预设照度及亮度设置可依据如下场景进行参考：

（1）起居室照明：通常面积在30-45m²，在设计时应使空间照明具有较多的层次，不但可以满足不同的功能，还可以突出不同的气氛。环境照明的照度应控制在150lx左右。主灯最好可以调光，用明暗感营造空间明快或温馨的气氛。重点的局部照明，如沙发座椅的旁边，应有400lx左右的光线供休闲看书等用，电话放置的地方应具有400lx左右的照度；在起居室重点装饰区域，如工艺品的区域应有600lx左右的照度，其他区域则需要300lx左右的照度；

（2）书房照明：通常面积在0.5-1m²，桌上的照度根据视觉工作分为3类：精细工作、读书学习、一般工作，照度依次应在1000~500lx,但若只有桌面照明，则室内光线对比就会过度强烈，容易使眼睛疲劳，因为必须有适当的基础照明并用，特别需要注意的是，在孩子使用的书桌上面照度不宜太高，因为孩子对光线比成人敏感，太高的照度容易引起视觉疲劳和视力下降；

（3）卧室照度：通常面积在10-15m²，环境照明照度要求较低，深度可保持5lx以下的照度，但要避免产生眩光，以免眼睛在深夜起来时不舒服，读书区和化妆区的灯开亮应具有400lx左右的照度，化妆应选用显色性能好的光源，并注意照明光线的均匀分布；

（4）厨房及餐厅照明：通常面积在5-10m²，要考虑以作业功能为主的照明设计，尽量减少阴影。料理区的照度应在400lx左右，洗涤的光线要明亮并且无眩光，餐桌除了重点照明外，还应使房间具有一定的环境照明，以方便餐桌之外的行动，重点照明的照度为400lx左右，环境照明的照度为100lx左右；

（5）卫生间照明：通常面积在4-10m²，要用明亮柔和的光线均匀地照亮整个房间，化妆镜前可采用重点照明。由于室内湿度较大，灯具必行采用防潮型，其平均照度在150lx左右，重点照明的照度为300~500lx，以便于化妆和洗漱。

同时，本发明方案的其他设计思路如下：

BP算法

为实现能够自主决策的智能控制，在照明系统的数据处理中心引入BP算法。BP算法具有较强的自学习和自适应能力，通过学习用户的生活习惯，从而达到贴近用户需求的目的。通过对近30分钟的光照数据及长时间所积累的温度数据来预测接下来十分钟的光照数据，每时刻的输出了都由前30分钟采集的数据进行预测，从而实现输出数据更贴近理想值。

粒子群算法

粒子群算法的中心思想是通过当前搜寻到的最优解来寻找全局最优。即从随机解得到最优解的过程。具有精度高、收敛快等优点。将粒子群算法运用与BP的学习过程中，从而实现对权值的优化，能够极大的改善BP神经系统收敛速度慢、出现局部最优解、过拟合现象等问题。

室内定位

为避免用户在生活中忘记随手关灯的情况，在照明系统中引入室内人体定位的功能，从而进一步达到自主开关灯的效果。我们采用被动式红外热探测器实现室内定位。根据房间的大小，安装适当的被动式红外探测器并利用三角定位法可较为精确的估算出用户是否处于房间内，从而控制照明系统实时开关灯，减少不必要的电能浪费，进一步取代传统模式的开关。

上述实施例仅为本发明的较佳实施形式，而本发明的方案并不局限于上述的实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的可周转使用的混凝土结构接缝处纤维连续的结构及施工方法。而依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统，其特征在于：其包括：

若干个LED灯，用于提供照明；

若干个光线传感器，用于检测设置环境的光线强度且生成光线强度监测反馈信号；

若干个照度传感器，与若干个LED灯一一对应并用于采集LED灯开启后的环境照度并生成照度监测反馈信号；

灯光继电器，与若干个LED灯电连接且用于控制若干个LED灯的启闭；

若干个被动式红外热探测器，用于采集探测区域的红外辐射信号，并生成红外探测反馈信号；

控制单元，与若干个LED灯、若干个光线传感器、若干个照度传感器、灯光继电器和若干个被动式红外热探测器通讯连接并用于接收反馈信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统，其特征在于：所述的控制单元与若干个LED灯、若干个光线传感器、若干个照度传感器、灯光继电器和若干个被动式红外热探测器无线通讯连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统，其特征在于：所述的无线通讯连接至少包括Wifi通讯连接和蓝牙通讯连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统，其特征在于：其还包括蓝牙Mesh自组网模块，所述的蓝牙Mesh自组网模块与控制单元通讯连接且还分别与若干个LED灯蓝牙通讯连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统，其特征在于：所述的LED灯均为可调光LED灯。

6.根据权利要求1所述的一种基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统，其特征在于：所述的LED灯为黄光LED灯或白光LED灯或同时集成有黄光发光单元和白光发光单元的LED灯。

7.根据权利要求1所述的一种基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统，其特征在于：其还包括与控制单元通讯连接的移动控制终端，所述的移动控制终端上装载有与控制单元信息传递控制的APP。

8.根据权利要求1至7之一所述的一种基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统的控制方法，其特征在于：其至少包括如下步骤：

（1）生成LED灯开启指令；

（2）控制单元接收LED灯开启指令，通过预设照度值与对应LED灯设置区域的光线传感器生成光线强度监测反馈信号进行计算出照度差额，然后进行控制LED灯开启，使LED灯开启后，其所设置的环境区域的照度与预设值一致；

（3）照度传感器按周期定时收集对应LED灯所设置环境位置的照度并生成照度监测反馈信号，控制单元接收照度监测反馈信号后，实时调节对应LED灯的亮度并使其设置环境区域的照度与预设值保持一致；

（4）控制单元读取被动式红外热探测器生成的红外探测反馈信号,当对应被动式红外热探测器检测到其所设置区域无红外信号时，控制单元关闭该区域LED灯，当被动式红外热探测器检测到其所设置区域具有红外信号时，控制单元开启该区域LED灯。

9. 根据权利要求8所述的一种基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统的控制方法，其特征在于：步骤（3）中，照度传感器按5 min为一周期定时收集对应LED灯所设置环境位置的照度并生成照度监测反馈信号。

10.根据权利要求8所述的一种基于自适应光调节的室内智能LED照明控制系统的控制方法，其特征在于：所述的预设照度值由以下之一数据更新生成：

（1）控制单元拟合近30 min内照度传感器生成照度监测反馈信号数据进行基于粒子群BP算法后更新生成预设照度值数据；

（2）通过APP手动输入的照度值传输至控制单元后进行算法修正更新生成预设照度值数据。