CN110221638B - 一种应用于高层建筑小区的智能采光系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于高层建筑小区的智能采光系统，包括互为电连接的导光模块、反射模块、控制模块以及计算模块；反射模块与导光模块的组合式结构，通过导光模块作为辅助光源，有效避免了反射模块在待采光区域可能出现的“明暗相间”现象；通过设置控制模块和计算模块，实现对反射模块的固定板、导光模块的导光管以及待采光区域坐标的三维立体模型，精确实现对待采光区域的采光控制，并通过计算模块反馈的偏移角矩阵，实现待采光区域的采光不受太阳运动轨迹的影响，人工消除高层建筑小区的遮光挡光现象，大大地提高了目标房屋的真实居住体验，具有较高的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及智能建筑技术领域，具体涉及一种应用于高层建筑小区的智能采光系统。
背景技术
随着国内经济的快速发展以及房地产政策的持续严控，越来越多的城市，尤其是一线城市，住宅土地供应被严格限制，为了满足人们的居住需求，房地产开发商往往采用高容积率的设计理念来提高土地利用率以及对竞拍的土地进行小区规划，高楼层或超高楼层住宅逐渐形成市场主流，然而，这类大型小区往往存在一个突出的问题：由于住宅土地面积受限，楼间距往往在30米左右，而楼层高度基本上接近100米高，这导致部分住宅单元，即使是在10楼以上且南向朝向，也会被对面两栋甚至三栋住宅挡住太阳光，阳台一天的采光时间不足3小时，其余时间段房屋内光线不够理想，如果不是南北通透的户型，即使是在外面阳光充足的白天，也需要通过电力照明来提高房屋内的亮度，久而久之，不仅浪费了电力能源，也影响到房屋在二手市场的实际估值，因此，如何解决现有的高容积率、高楼层和低楼间距造成的房屋采光时间不足的问题，不仅能提高在售小区的受欢迎度，提高入住业主的实际居住体验，也能为业主日后的房屋置换提供更高的估值，目前并没有开发商针对这一问题进行系统研究，也没有相关技术设备投入市场使用。
现有技术中，亦存在类似的智能采光系统，如中国专利CN203552071U公开了一种太阳能跟踪反射采光装置，通过设置太阳能追踪系统，有效引入阳光，达到了多楼层建筑北向的全楼层采光、延伸阳光照射面积至低楼层的目的，使房间里的环境明朗且富于光影变换，然而，该专利虽然公开了太阳能追踪系统的具体结构，但并未公开具体如何通过反射器壳体使得太阳光能照射到低楼层的技术过程，也没有公开如何控制太阳光的反射达到反光效率高的技术手段，需要进一步的改进。
同时，中国专利CN2684009Y进一步公开了一种太阳光采光照明装置，包括自动定位跟踪太阳装置和固定在自动定向跟踪太阳装置上的至少一个采光单元，通过在固定板的中心设有光强探测传感器，用于感测太阳光的光照照度的变化，并反馈给自动定向跟踪太阳装置，用于调整固定板的俯仰角，使得固定板可以重新对准太阳所在的方位，然后通过太阳光传输导线将光线传递至安装在每个房间内的散光器，从而提高室内自然光的采光量。然而，这种采光照明装置，需要在该建筑物设计之时，就在其顶部预先设计出大型采光装置，并通过铺设光缆通路以及在房屋内安装散光器，如此，不仅需要花费较高的设计、研发和现场安装费用，维修成本也很高，对房屋的装修也产生了附加的设置，不够美观，目前仅合适应用于工厂厂房，并不适合在高层建筑小区投入使用。
有鉴于此，本申请的发明人提供了一种可应用于高层建筑的智能采光系统，解决高层建筑小区的中低楼层采光时间不足的技术问题，不仅可以解决目前经济活动中的多个技术问题，而且具有较强的实际意义。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种全新的智能采光系统，其基于智能控制与算法技术，在系统内精确模拟生成待采光的待采光区域，可以为拟采光的楼层数进行个性化定制，提高智能采光系统的经济性。
本发明的另一个目的是提供一种可应用于高层建筑小区的智能采光系统，其基于反射模块与导光模块的组合式结构，可以有效提高采光强度，弱化光能量在传输与反射过程中的光强损耗，同时避免出现待采光区域产生“明暗相间”的光反射效应，有效保证智能采光系统的采光性能。
为实现上述目的，本发明提供一种应用于高层建筑小区的智能采光系统，其采用组合式结构，包括导光模块、反射模块、控制模块以及计算模块；其中，
导光模块包括聚光部和导光管，以及活动连接的第一致动器和方向变更部，其中，聚光部配置有自动太阳光跟踪系统，聚光部将太阳光能量集中聚入导光管，导光管出口部设置为外扩型结构，方向变更部连接聚光部与导光管，其与导光管连接的一端配置为可伸缩结构，第一致动器电连接于控制模块，第一致动器在控制模块的第一工作指令下，通过使方向变更部的可伸缩结构进行绕轴偏移，实现导光管的中心轴在一定角度范围内偏移；
反射模块包括固定板以及第二致动器矩阵，通过第二致动器矩阵，固定板上可旋转地安装有光反射元件矩阵，在固定板中心位置处的光反射元件还配置有第一光敏元件，该第一光敏元件平行于固定板设置，并被配置为测量在该第一光敏元件处接收的光照射角度，通过电连接将该光照射角度发送给控制模块，第二致动器矩阵电连接于控制模块；
控制模块包括互为电连接的控制主机和红外信号接收器，以及设置在目标房屋上的若干个红外信号发射器，其中，控制主机内置有一地图中心，该地图中心以固定板中心为坐标原点，以固定板的横向和垂向为x轴和y轴，以垂直于固定板平面的纵向为z轴构建包括有导光模块的导光管、光反射元件矩阵以及待采光区域的三维立体模型；其中，红外信号接收器接收来自目标房屋的两个或四个红外信号发射器的红外信号并反馈给控制主机，控制主机根据接收的红外信号，在地图中心上生成待采光区域；
计算模块结合地图中心的坐标原点，计算出待采光区域的各个端点坐标，并根据待采光区域的端点坐标、光反射元件矩阵坐标、层高、楼间距以及光照射角度，确定出光反射元件矩阵中每一个光反射元件绕x轴、y轴和z轴的偏移角度，并形成一对应于光反射元件矩阵的偏移角矩阵，通过通信连接将该偏移角矩阵信息发送给控制模块；
控制模块从计算模块中接收到光反射元件矩阵的偏移角矩阵后，由控制模块的控制主机发送第二工作指令给第二致动器矩阵，控制第二致动器矩阵中的每一个第二致动器沿着x轴、y轴和z轴偏移对应偏移角矩阵中的角度值，并带动光反射元件矩阵按照偏移角矩阵进行角度偏移。
优选地，偏移角矩阵中，对应光反射元件(i,j)的偏移角的计算公式表达式是：
上式中，φ1、φ2和φ3分别表示光反射元件(i,j)绕x轴、y轴和z轴的偏移角度，参数H和L分别表示该高层建筑的楼高与楼间距，N和M表示光反射元件矩阵在横向和垂向上的元件个数，(x1i,y1i,0)表示光反射元件矩阵坐标，(x2,y2,-L)表示待采光区域坐标，x1min、x1max、y1min、y1max分别表示光反射元件矩阵左右端点的横向和垂向坐标值，x2min、x2max、y2min、y2max分别表示待采光区域左右端点的横向和垂向坐标值。
优选地，在控制模块中，控制模块还设置有一输入装置，初始化系统智能采光系统时，可将该高层建筑小区的楼高H与楼间距L、光反射元件矩阵参数N*M、待采光区域高度h2、固定板尺寸h1*l1以及导光管出口部形状参数通过输入装置发送至计算模块；其中，待采光区域高度h2、固定板尺寸h1*l1为可选参数，当在目标房屋的采光窗户共布置有四个红外信号发射器时，计算模块可自动根据待采光区域的端点坐标获得待采光区域的高度值，并导入对应计算公式中。
优选地，在控制模块的控制主机上还设置有一SIM卡插槽，通过将一SIM卡插入该插槽，实现控制模块与用户智能手机端之间基于通信网络的数据连接，此时，智能手机可作为输入装置，通过内置软件接口以及触摸屏，将该高层建筑小区的楼高H与楼间距L、光反射元件矩阵参数N*M、待采光区域高度h2、固定板尺寸h1*l1以及导光管出口部形状参数等发送至计算模块，同时，基于智能手机的蓝牙以及GPS功能，用户可以实时发送精确的端点坐标给控制主机的地图中心，通过在触摸屏上输入待采光区域的高度值，供地图中心精确生成待采光区域并发送给计算模块。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的智能采光系统，通过设置控制模块和计算模块，实现对固定板、导光管以及待采光区域坐标的三维立体模型，精确实现对待采光区域的采光控制，并通过计算模块反馈的偏移角矩阵，实现待采光区域的采光不受太阳运动轨迹的影响，人工消除高层建筑小区的遮光挡光现象，大大地提高了目标房屋的真实居住体验以及其他经济利益。
(2)本发明的智能采光系统，通过在控制模块设置SIM卡插槽，实现用户手机端与智能采光系统之间建立通信连接，从而简化智能采光系统的配置，充分利用手机的红外信号发射功能、GPS功能以及便携式参数输入功能，只需要在手机端简单的操作，即可实现在智能采光系统中生产方位参数精确的待采光区域以及系统参数的个性化输入，为智能采光系统的功能扩展提供了基础接口。
(3)本发明的智能采光系统基于反射模块与导光模块的组合式结构，通过导光模块作为辅助光源，有效避免了反射模块在待采光区域可能出现的“明暗相间”现象，同时进一步提高了待采光区域的光照强度，有效增加了智能采光系统的采光效果以及光能利用率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的一种智能采光系统的结构示意图；
图2是本发明的智能采光系统的导光模块的结构示意图；
图3是本发明的智能采光系统的反射模块的结构示意图；
图4是本发明的智能采光系统的控制模块的结构示意图；
图5是本发明的智能采光系统的导光模块的聚光部的结构示意图；
图6是本发明的另一种智能采光系统的结构示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施方式一
参照附图1，本发明提供一种应用于高层建筑小区的智能采光系统，采用组合式结构，包括导光模块1、反射模块2、控制模块3以及计算模块4，在优选的实施例中，本申请的智能采光系统还包括电源模块5，该电影模块5可以采用光电池，接收太阳光照，并将光能量转化为电能，为其他功能模块供电，另外，该电源模块5还可以集成设置在控制模块3的后侧，在内部通过电缆与其他功能模块或功能构件进行电连接；如此，本申请的智能采光系统可以实现完全的电能自供，避免了需要在现场接入小区公共电源的传统用电方式。
优选地，参照附图2，导光模块1包括聚光部11以及导光管12，其中，聚光部11配置有自动太阳光跟踪系统111，聚光部11将太阳光能量集中聚入导光管12，导光管12出口部设置为外扩型结构，以利于增加光的扩散面积，在优选的实施例中，导光模块1还包括有活动连接的第一致动器13以及方向变更部14，其中方向变更部14连接聚光部11与导光管12，使得聚光部11与导光管12形成活动连接，该第一致动器13电连接于控制模块3，第一致动器13在控制模块3的第一工作指令下，通过使方向变更部14发生动作，实现导光管12的中心轴在一定角度范围内偏移。
优选地，参照附图3，反射模块2包括固定板21，固定板21上可旋转地安装有光反射元件矩阵22，在固定板21中心位置处的光反射元件还配置有第一光敏元件23，该第一光敏元件23平行于固定板21设置，并被配置为测量在该第一光敏元件23处接收的光照射角度，通过电连接将该光照射角度发送给控制模块3；在优选的实施例中，反射模块2还包括有第二致动器矩阵24，固定板21上每一个光反射元件均通过万向接头与一个第二致动器连接(附图3中仅示意性地示出部分第二致动器)，从而在光反射元件矩阵22与固定板21之间形成第二致动器矩阵24，每一个第二致动器均电连接于控制模块3，控制模块3从计算模块4中接收到光反射元件矩阵22的偏移角矩阵后，控制第二致动器矩阵24中的每一个第二致动器沿着x轴、y轴和z轴偏移对应偏移角矩阵中的角度值(下文具体给出x轴、y轴和z轴的方向定义)。
优选地，参照附图4，控制模块3包括互为电连接的控制主机31和红外信号接收器32，以及设置在目标房屋上的若干个红外信号发射器33，其中，控制主机31内置有一地图中心311，该地图中心311以固定板21中心为坐标原点，以固定板21的横向和垂向为x轴和y轴，以垂直于固定板21平面的纵向为z轴构建包括有导光模块1的导光管12、光反射元件矩阵22以及待采光区域的三维立体模型；具体地，红外信号接收器32接收来自目标房屋的两个或四个红外信号发射器33的红外信号并反馈给控制主机31，控制主机31根据接收的红外信号，在地图中心311上生成待采光区域；
在优选的实施例中，当目标房屋只有两个红外信号发射器33时，需要向控制模块3输入待采光区域的采光高度，地图中心311结合两个红外信号发射器33以及采光高度，生成待采光区域的三维立体模型。
计算模块4结合地图中心311的坐标原点，计算出待采光区域的各个端点坐标，并根据待采光区域的端点坐标、光反射元件矩阵坐标、层高、楼间距以及光照射角度，确定出光反射元件矩阵22中每一个光反射元件绕x轴、y轴和z轴的偏移角度，并形成一对应于光反射元件矩阵的偏移角矩阵；
其中，光反射元件(i,j)的偏移角的计算公式的表达式是：
上式中，φ1、φ2和φ3分别表示光反射元件(i,j)绕x轴、y轴和z轴的偏移角度，参数H和L分别表示该高层建筑的楼高与楼间距，N和M表示光反射元件矩阵在横向和垂向上的元件个数，(x1i,y1i,0)表示光反射元件矩阵坐标，(x2,y2,-L)表示待采光区域坐标，x1min、x1max、y1min、y1max分别表示光反射元件矩阵左右端点的横向和垂向坐标值，x2min、x2max、y2min、y2max分别表示待采光区域左右端点的横向和垂向坐标值；
在优选的实施例中，计算模块4计算并生成上述偏移角矩阵后，通过通信连接将该偏移角矩阵信息发送给控制模块3，由控制模块3的控制主机31发送第二工作指令给第二致动器矩阵24，使得第二致动器(i,j)带动与其连接的光反射元件(i,j)分别绕x轴、y轴和z轴偏移φ1、φ2和φ3角度。
在优选的实施例中，控制模块3还设置有一输入装置34，初始化系统智能采光系统时，可将该高层建筑小区的楼高H与楼间距L、光反射元件矩阵参数N*M、待采光区域高度h2、固定板尺寸h1*l1以及导光管出口部形状参数通过所述输入装置发送至所述计算模块；其中，待采光区域高度h2、固定板尺寸h1*l1为可选参数，当在目标房屋的采光窗户共布置有四个红外信号发射器33时，计算模块4可自动根据待采光区域的端点坐标获得待采光区域的高度值，并导入对应计算公式中；同理，固定板尺寸h1*l1也可根据光反射元件矩阵22的端点坐标获悉；输入装置34的设置，进一步提高了本申请的采光系统的智能化与人性化。
另外，为了避免由于固定板21面积不足或待采光区域面积过大导致经反射模块2反射到待采光区域的太阳光出现“明暗相间”的现象，在本实施方式中，通过设置导光模块1与反射模块2进行功能组合解决上述技术问题；
具体地，参照附图5，导光模块1的聚光部11通过配置自动太阳光跟踪系统111，可以实现对太阳光能量的高效率集光；结构上，聚光部11还包括有向阳部112以及集光部113，其中该向阳部112构造为凸透镜结构，在该向阳部112内表面的中心处设置有第二光敏元件114，该第二光敏元件114绕过集光部113与控制模块3进行电性连接，其被配置为测量在该第二光敏元件114处接收的光照射角度并反馈给控制模块3，控制模块3的控制主机31存储有一判定程序，当太阳光的入射角超过一预设角度时，控制主机31启动太阳光跟踪系统111，通过太阳光跟踪系统111调节向阳部112的俯仰角，确保向阳部112中心感测到的太阳光入射角始终在靠近零度的一个预设区间内，从而实现太阳光能量的高效率收集。在本实施例中，自动太阳光跟踪系统111的结构组成及其与向阳部112、集光部113的活动连接可参考背景技术中专利CN2684009Y“一种太阳光采光照明装置”，在此不再赘述。
另一方面，导光模块1的集光部113、方向变更部14以及导光管12的内壁均设置为高反射率材料，以减少光强的传输损耗；为了调节导光模块1的光照方向，该方向变更部14在与导光管12连接的一端配置为可伸缩结构，并通过万向接头与第一致动器13连接，在控制主机31的第一工作指令下，第一致动器13带动方向变更部14的可伸缩结构进行绕轴偏移，从而实现导光管12的中心轴线可在一定角度范围内偏移，满足不同方位的待采光区域的采光需求，同时依靠导光模块1的光照效果，可完成解决太阳光经反射模块2反射到待采光区域的太阳光出现“明暗相间”的现象，同时导光模块1与反射模块2的组合式结构，进一步提高了待采光区域的光照强度，减弱了太阳光通过导光模块1与反射模块2后的光强损耗问题。
初始化智能采光系统时，方向变更部14恢复为初始结构形态，导光管12中心轴线位置为已知值，地图中心311生成待采光区域后，计算模块4根据导光管12中心轴的初始方位、导光管12出口部的外扩参数以及待采光区域的端点坐标，计算出导光管12中心轴的拟偏转角度，并反馈给控制模块3，由控制模块3的控制主机31下达第一工作指令，促使第一致动器13带动方向变更部14的可伸缩结构进行绕轴偏移相应角度，使得导光模块1的光照区域定位于待采光区域。
实施方式二
参照附图6，与实施方式一不同的是，在本实施方式中，控制模块3不设置红外信号接收器32、红外信号发射器33以及输入装置34，从而节省了控制模块3的结构空间以及经济成本，而为了实现同样的功能，在控制模块3的控制主机31上设置有一SIM卡插槽35，通过将一SIM卡插入该插槽35，实现控制模块3与用户智能手机端之间基于通信网络的数据连接，此时，智能手机可作为输入装置34，通过内置软件接口以及触摸屏，将该高层建筑小区的楼高H与楼间距L、光反射元件矩阵参数N*M、待采光区域高度h2、固定板尺寸h1*l1以及导光管出口部形状参数等发送至计算模块4，同时，借助于智能手机的蓝牙以及GPS功能，用户可以实时发送精确的端点坐标给控制主机31的地图中心311，通过在触摸屏上输入待采光区域的高度值，供地图中心311精确生成待采光区域并发送给计算模块4。
本实施方式通过SIM卡插槽35以及智能手机的接入，通过通信技术建立了移动的数据网络，从而可以方便地为用户提供定制化、高度灵活性的智能采光系统操作，也为智能采光系统的其他功能扩展提供了基础接口。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (4)
1.一种应用于高层建筑小区的智能采光系统，其特征在于，采用组合式结构，包括导光模块、反射模块、控制模块以及计算模块；其中，
导光模块包括聚光部和导光管，以及活动连接的第一致动器和方向变更部，其中，聚光部配置有自动太阳光跟踪系统，聚光部将太阳光能量集中聚入导光管，导光管出口部设置为外扩型结构，方向变更部连接聚光部与导光管，其与导光管连接的一端配置为可伸缩结构，所述第一致动器电连接于控制模块，第一致动器在控制模块的第一工作指令下，通过使方向变更部的可伸缩结构进行绕轴偏移，实现导光管的中心轴在一定角度范围内偏移；
反射模块包括固定板以及第二致动器矩阵，通过第二致动器矩阵，固定板上可旋转地安装有光反射元件矩阵，在固定板中心位置处的光反射元件还配置有第一光敏元件，该第一光敏元件平行于固定板设置，并被配置为测量在该第一光敏元件处接收的光照射角度，通过电连接将该光照射角度发送给控制模块，所述第二致动器矩阵电连接于控制模块；
控制模块包括互为电连接的控制主机和红外信号接收器，以及设置在目标房屋上的若干个红外信号发射器，其中，控制主机内置有一地图中心，该地图中心以固定板中心为坐标原点，以固定板的横向和垂向为x轴和y轴，以垂直于固定板平面的纵向为z轴构建包括有导光模块的导光管、光反射元件矩阵以及待采光区域的三维立体模型；其中，红外信号接收器接收来自目标房屋的两个或四个红外信号发射器的红外信号并反馈给控制主机，控制主机根据接收的红外信号，在地图中心上生成待采光区域；
计算模块结合地图中心的坐标原点，计算出待采光区域的各个端点坐标，并根据待采光区域的端点坐标、光反射元件矩阵坐标、层高、楼间距以及光照射角度，确定出光反射元件矩阵中每一个光反射元件绕x轴、y轴和z轴的偏移角度，并形成一对应于光反射元件矩阵的偏移角矩阵，通过通信连接将该偏移角矩阵信息发送给控制模块；
所述控制模块从计算模块中接收到光反射元件矩阵的偏移角矩阵后，由控制模块的控制主机发送第二工作指令给第二致动器矩阵，控制第二致动器矩阵中的每一个第二致动器沿着x轴、y轴和z轴偏移对应偏移角矩阵中的角度值，并带动光反射元件矩阵按照偏移角矩阵进行角度偏移。
2.根据权利要求1所述的智能采光系统，其特征在于，
所述偏移角矩阵中，对应光反射元件(i,j)的偏移角的计算公式表达式是：
上式中，φ1、φ2和φ3分别表示光反射元件(i,j)绕x轴、y轴和z轴的偏移角度，参数H和L分别表示该高层建筑的楼高与楼间距，N和M表示光反射元件矩阵在横向和垂向上的元件个数，(x1i,y1i,0)表示光反射元件矩阵坐标，(x2,y2,-L)表示待采光区域坐标，x1min、x1max、y1min、y1max分别表示光反射元件矩阵左右端点的横向和垂向坐标值，x2min、x2max、y2min、y2max分别表示待采光区域左右端点的横向和垂向坐标值。
3.根据权利要求2所述的智能采光系统，其特征在于，
在所述控制模块中，控制模块还设置有一输入装置，初始化系统智能采光系统时，可将该高层建筑小区的楼高H与楼间距L、光反射元件矩阵参数N*M、待采光区域高度h2、固定板尺寸h1*l1以及导光管出口部形状参数通过所述输入装置发送至所述计算模块；其中，待采光区域高度h2、固定板尺寸h1*l1为可选参数，当在目标房屋的采光窗户共布置有四个红外信号发射器时，所述计算模块可自动根据待采光区域的端点坐标获得待采光区域的高度值，并导入对应计算公式中。
4.根据权利要求2所述的智能采光系统，其特征在于，
在所述控制模块的控制主机上还设置有一SIM卡插槽，通过将一SIM卡插入该插槽，实现控制模块与用户智能手机端之间基于通信网络的数据连接，此时，智能手机可作为输入装置，通过内置软件接口以及触摸屏，将该高层建筑小区的楼高H与楼间距L、光反射元件矩阵参数N*M、待采光区域高度h2、固定板尺寸h1*l1以及导光管出口部形状参数发送至所述计算模块，同时，基于智能手机的蓝牙以及GPS功能，用户可以实时发送精确的端点坐标给所述控制主机的地图中心，通过在触摸屏上输入待采光区域的高度值，供所述地图中心精确生成待采光区域并发送给计算模块。
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