CN110691444A

CN110691444A - 基于分布式调光控制的室内led照明系统及其调节方法

Info

Publication number: CN110691444A
Application number: CN201911069411.5A
Authority: CN
Inventors: 杨凯; 李子印; 李晓艳; 陈亮; 邹细勇
Original assignee: Shangyu Institute Of Advanced Studies China University Of Metrology Co Ltd; China University of Metrology
Current assignee: Shangyu Institute Of Advanced Studies China University Of Metrology Co Ltd; China Jiliang University; China University of Metrology; China Jiliang University Shangyu Advanced Research Institute Co Ltd
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2020-01-14

Abstract

本发明提供了基于分布式调光控制的室内LED照明系统以及调节方法，包括微处理器、环境照度传感器、LED灯驱动控制器、LED灯；环境照度传感器检测环境的背景光照强度；将背景光照强度发送到微处理器；微处理器根据用户原始预存的所需照度，调取对应的环境背景光照强度，对LED灯驱动控制器发出调节信号，使相应的LED灯驱动控制器调节LED灯发出合适的照度。该系统以及调节方法是以能量消耗最小化为约束条件，可以调制室内多个LED灯依据不同位置的用户需求产生分布式个性化的光照输出，不但提高了电能的利用效率，还符合以人为本的健康舒适照明需求。

Description

基于分布式调光控制的室内LED照明系统及其调节方法

技术领域

本发明涉及LED照明技术领域，尤其是指一种基于分布式调光控制的室内智能LED照明系统。

背景技术

随着LED照明的市场渗透率不断提高，在照明需求中已从单纯强调发光效能变为重视照明品质和多领域融合的智能照明，今后人们关注的重点也将落在对照明环境的舒适性追求和智能化控制的体验上。

在实际市场调研中，舒适的符合生理需求的照明会改善使用者的情绪，增加身心健康；因此未来的室内照明中，灯光使用者的个性化需求会越来越重要；自组织和自由化是智能LED照明系统的发展趋势。特别是商用办公环境下员工希望能够自主改变办公光照环境，与此同时也带来了一个问题，不同时刻下同一个人所需的照明环境也不一样，这往往会导致用户对各种环境参数的不同偏好产生冲突，而这是现有技术无法解决的。

因此，需要一种分布式的智能调光系统，可以根据用户的差异化需求改变室内不同位置照明的照度，依据工作性质和内容对室内照度进行合理化的控制，从而提高照明的舒适性和健康性。

发明内容

本发明的目的是提供基于分布式调光控制的室内LED照明系统及调节方法，可以解决上述技术问题中的一个或是多个。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术解决方案：

基于分布式调光控制的室内LED照明系统，包括微处理器、环境照度传感器、LED灯驱动控制器、LED灯；环境照度传感器检测环境的背景光照强度；将背景光照强度发送到微处理器；微处理器根据用户原始预存的所需照度，调取对应的环境背景光照强度，对LED灯驱动控制器发出调节信号，使相应的LED灯驱动控制器调节LED灯发出合适的照度。

在本发明中，所述的微处理器预先存入各LED照明和用户的位置坐标，各用户可以输入本坐标所需的个性化光照强度，通过WiFi、ZigBee、蓝牙等方式发送给微处理器。

进一步的：所述的环境照度传感器测量环境背景光照强度f_en，探测结果输入微处理器并转换为环境光通量。微处理器根据相应照明策略确定节能配置，以各用户的个性化光强需求和能量最小化为目标设计优化公式，通过计算使得所有LED灯和用户都获得最优分配。依据用户不同的首选照度，确定室内各灯具的调光系数，使各灯通过协作的方式产生适当的照明。

在这里，微处理器可以是STC系列单片机或AVR系列单片机，还可以是STM系列单片机、ARM处理器等；LED灯驱动控制器可是AEM-3600RC控制器或其他以MCU，DSP，FPGA等为处理器，加接口I/O电路的实现PWM占空比的控制装置。

至于信息传递的各个模块在此不做详细阐述，属于本领域技术人员可获知的技术。

进一步的：每一盏所述的LED灯对应一台所述的LED灯驱动控制器。

进一步的：用户所需的照度与环境照度传感器一一对应。因此环境照度传感器安装在用户工位或是所需照明的环境中心位置。对于环境的照度检测更精确，使调节更精确，让使用者更舒适。

进一步的：还包括电源模块，所述电源模块为系统提供电能。

进一步的：所述微处理器通过占空比不同的PWM信号来调节各个LED灯的光强。

本发明的另一个目的是提供一种基于分布式调光控制的室内LED照明的调节方法，可以解决上述技术问题中的一个或是多个。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术解决方案：

基于分布式调光控制的室内LED照明的调节方法，包括如下步骤：

S1设定用户所需的LED灯照度；

S2由于每个用户周围的LED灯所产生的光照度和与背景光照度之和形成了该用户所需的光照度，因此获取用户所需的照度对应的环境背景光照度；

S3在满足用户所需照度的基础上，以各LED灯总消耗功率之和为最小目标函数，对各LED灯的照度进行调节；

S31设连续变量x_i∈[0，1]表示第i盏灯输出的功率等级，其中当x_i＝0表示该盏灯关闭，x_i＝1该盏灯最大功率输出，这样第i盏灯消耗的功率即为P_ix_i，其对第a个用户产生的照度为I_aix_i；取P_i—为第i盏灯的最大消耗功率；

f_a—为第a个用户所需的照度；

I_ai—为第i盏灯对第a个用户所能产生的最大照度；N(a)表示第a个用户周围的LED灯；则目标函数为：

S4在步骤S3的基础上，通过带约束的增广Lagrangian函数，获得各灯最节能的最优输出照度；

S41引入正松弛变量z_a将(1)式变为

S42定义带约束的增广Lagrangian函数为：

根据上式每次求出一个x_i(k)，然后按照梯度更新参数λ，t每次迭代后逐渐增大，直到迭代出最优输出照度。

本发明具有以下有益效果：

1、相比现有的室内智能LED灯控制系统，即使不同用户提出不同的光照需求，也能得以提供精确的分布式调光输出；尤其适合办公室光照环境调节。

2、本系统提出一种分布式的能量分配策略，以能量最小化和最小允许光强要求为目标的优化公式下获得良好的光照和节能配置。

3、该系统的发光亮度可根据环境背景光强弱自动调制，有利于节约能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为一种基于分布式调光控制的室内LED照明系统结构示意图。

图2为一种基于分布式调光控制的室内LED照明调节方法流程图。

图3为实施例的LED灯排布方式和用户位置示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的不当限定。

如图1、2，每个LED灯和用户都有自己的ID编号，将他们与所有相邻的对象区分开来。微处理器首先输入环境光照度(用户所需要的光照要求，确定用户的ID)，然后获得来自用户的首选光照度。当微处理器输入首选光照度后，微处理器根据首选光照度和环境光照度(用户ID所对应的光环境照度)的差值计算出LED灯所需提供的总光照度。若首选光照度高于环境光照度，该用户相邻LED灯由关闭状态变为待点亮状态。这些LED灯能够根据输入的PWM驱动信号从最大亮度到“关机”亮度(非物理关机)的连续变化。

灯具和用户的数量和位置取决于实际环境，在室内如办公楼中，灯具的数量通常超过用户。图3是LED灯排布方式和用户位置的一个实施例示意图，代表LED灯的圆圈放置在空间中，方框表示在空间中随机分布的用户，LED灯和用户的连线表明该灯对此用户有照明贡献。

因此每个LED灯有需要待确定的未知变量，即该灯的输出功率等级x_i，同时用户们的首选照度则确定了灯具优化输出要满足的约束集。根据照度叠加原理，所有灯具在某点生成的总照度为其各个灯具在该点照度之和，所以以能量最小化和最小允许光强要求为目标，即要求在约束条件∑_i∈N(a)I_aix_i≥f_a-f_en下

为求解上述约束优化问题，采用增广Lagrangian函数法，通过迭代的方式获得最优解——即最佳输出光照度。微处理器根据计算结果给各个LED灯发送PWM控制信号，调节各个LED灯的照度。本发明是为了获得较好的照明效果利用闭环反馈和自适应的调光方式来进行智能化的调控。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围之内。

Claims

1.基于分布式调光控制的室内LED照明系统，其特征在于：包括微处理器、环境照度传感器、LED灯驱动控制器、LED灯；

环境照度传感器检测环境的背景光照强度；将背景光照强度发送到微处理器；

微处理器根据用户原始预存的所需照度，调取对应的环境背景光照强度，对LED灯驱动控制器发出调节信号，使相应的LED灯驱动控制器调节LED灯发出合适的照度。

2.根据权利要求1所述的基于分布式调光控制的室内LED照明系统，其特征在于：每一盏所述的LED灯对应一台所述的LED灯驱动控制器。

3.根据权利要求1所述的基于分布式调光控制的室内LED照明系统，其特征在于：用户所需的照度与环境照度传感器一一对应。

4.根据权利要求1所述的基于分布式调光控制的室内LED照明系统，其特征在于：还包括电源模块，所述电源模块为系统提供电能。

5.根据权利要求1所述的基于分布式调光控制的室内LED照明系统，其特征在于：所述微处理器通过占空比不同的PWM信号来调节各个LED灯的光强。

6.根据权利要求1所述的基于分布式调光控制的室内LED照明系统的调节方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1设定用户所需的LED灯照度；

S4在步骤S3的基础上，通过带约束的增广Lagrangian函数，获得各灯最节能的最优输出照度。

7.根据权利要求6所述的基于分布式调光控制的室内LED照明系统的调节方法，其特征在于：步骤S2中的目标函数的建立过程如下：

S21设连续变量x_i∈[0，1]表示第i盏灯输出的功率等级，其中当x_i＝0表示该盏灯关闭，x_i＝1该盏灯最大功率输出，这样第i盏灯消耗的功率即为P_ix_i，其对第a个用户产生的照度为I_aix_i；取P_i-为第i盏灯的最大消耗功率；

f_a-为第a个用户所需的照度；

I_ai-为第i盏灯对第a个用户所能产生的最大照度；N(a)表示第a个用户周围的LED灯；则目标函数为：

8.根据权利要求6所述的基于分布式调光控制的室内LED照明系统的调节方法，其特征在于：步骤S4中获得各灯最节能的最优输出照度的过程如下：

S41引入正松弛变量z_a将(1)式变为

S42定义带约束的增广Lagrangian函数为：

其中λ是拉格朗日乘子，也是对偶变量，t＞0是惩罚参数；对偶问题通过梯度上升法来求解，因此对偶上升迭代的更新为：

x_i(k+1)＝arg min_xL_t(x_i，λ(k))

λ(k+1)＝λ(k)+t(P_ix_i(k+1)-z-f)

根据上式设置初始x_i(k)，按照迭代的方式求出下一个x_i(k+1)，然后按照梯度更新参数λ，t是梯度上升的步长，每次迭代后逐渐增大，直到迭代出最优输出照度。