CN115052386A - 一种led阵列照明效果的调控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及室内照明技术领域，公开了一种LED阵列照明效果的调控方法及系统，对每一个被照明面元根据其照明需要，确定其目标照度，并得到满足目标照度的LED灯的驱动电流的范围，再根据自然光以及邻近照明节点对该照明节点的照明效果补偿，来确定该照明节点的最低照度，再在满足最低照度的LED灯的驱动电流的范围中，根据相关色温和显色指数的优化条件选取一个电流值作为该照明节点的LED灯的驱动电流。本发明考虑自然光及邻近照明节点的补偿，可在满足用户照明需要的同时，让LED灯采用最低照度，进而使驱动电流减小，节约用电。本发明无需在室内设置照度检测装置，节约成本；且本发明根据相关色温和显色指数的优化条件最后确定驱动电流，保证人眼舒适度。

Description

一种LED阵列照明效果的调控方法及系统

技术领域

本发明涉及室内照明技术领域，特别是涉及一种LED阵列照明效果的调控方法及系统。

背景技术

在半导体固态照明领域，由于LED光源具有发光效率高、发光波长可调、尺寸可调、使用寿命长、绿色环保等优点，LED光源已经逐渐取代白炽灯、荧光灯、高压放电灯等传统光源，成为第四代人工照明光源，并已广泛用于家居照明、植物生长照明、医疗照明、汽车照明等领域。室内智慧照明技术是一种基于用户需求，采用智慧化手段控制LED光源照明状态的技术。随着LED半导体照明技术、人工智能技术以及物联网技术的发展，室内智慧照明技术目前已融合移动互联网、智能传感和芯片控制等技术，在智慧光控领域广泛展开研究。不同光控手段可满足用户在不同情境下的照明需求。

传统智慧照明技术包括机械式以及非触摸式的调光手段，如设计手动旋钮开关控制LED灯的亮度，或者通过红外线传感器、压力传感器、声音传感器感应使用者的用灯需求，并通过设置延时时间自动控制LED的开关时间。近年来智慧照明技术逐步与互联网技术结合，可以在压力传感器、红外线传感器、声音传感器等设备探测到用户使用需求的情况下，将该需求转变为电信号，通过互联网传输协议(如基于IEEE 802.15.4基础上的ZigBee、蓝牙、WiFi等)将电信号转变为电磁波信号传输至控制芯片，最终实现对LED灯的亮度、开关等的控制。除此之外，智能照明技术也可以通过客户终端设备中的操作软件来控制连入互联网中智能设备的信息调用以及指令发送，通过MQTT等网络协议进行网络通信，即：可以通过手机等终端设备对照明灯具的发光颜色、亮度、开关等进行单独操控。

上述智能照明技术不仅可用于单个照明灯具，同样可用于控制LED阵列智能发光，如：对LED阵列实施整体开关控制、部分区域的亮度控制、LED阵列的发光颜色控制等。目前出现了根据室内光照进行LED照度的调节，但是都是进行统一调节，无法对室内单个区域、单个LED进行精细化、实时调节，用电量大，并且在调节过程中需要布置多个照度检测装置，成本高，另外必须获得照度后才能进行调节，具有延时性，而且受邻近LED的影响，在调节中会出现照度不稳定的问题，舒适度差。

现有技术公开了一种室内环境照度自动调节控制系统，该系统包括环境光感测模块、中心控制模块、人体红外感测模块、LED照明模块和电源模块；通过中心控制模块控制LED照明模块亮灭及发光亮度，环境光感测模块检测环境光的亮度，人体红外感测模块检测室内是否有人体信号，中心控制模块可以同时接收环境光感测模块和人体红外感测模块传来的感测信号。该控制系统能够实时检测光线较亮的房间的灯光照度值，同时，还能够实时监测较暗的房间是否有人员进入，并通过延时、渐进式的灯光照度控制方式，智能化的控制较暗的房间中的照明灯的照度变化，缩小两个房间之间的光强反差，大幅削弱和消除人眼的不适感，提高人感官的舒适度和适应速度。该专利通过检测环境光亮度进行照明灯的照度调节，是对室内的统一调节，无法对室内单个区域、单个LED进行精细化、实时调节，而且需要布置照度检测装置，成本高，而且调节具有延时性、照度不稳定的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种节约用电、精细化调节的LED阵列照明效果的调控方法及系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种LED阵列照明效果的调控方法，包括如下步骤：

S1、获取LED照明节点的个数和拓扑结构，以及各LED照明节点的性能参数；

S2、对各LED照明节点进行排序；

S3、获取室内LED照明节点的空间布局，包括各LED照明节点的位置以及窗户的位置和透光尺寸；

S4、获取用户使用情况，若用户使用情况为无人使用，则结束，若用户使用情况为有人使用，进行步骤S5；

S5、根据LED照明节点对应的被照明面元的照明需要，确定该被照明面元的目标照度E_goal；

S6、根据步骤S5获得的目标照度E_goal，确定该LED照明节点的LED灯的光通量，继而计算该LED照明节点的LED灯的辐射通量，再计算该LED照明节点的LED灯的驱动电流，得到满足目标照度的LED灯的驱动电流的范围；

S7、根据相关色温和显色指数的优化条件，在步骤S6得到的驱动电流的范围中选取一个电流值；

S8、计算自然光对该照明节点对应的被照明面元的总照度E_nature；

S9、计算室内其他LED照明节点的LED灯对该照明节点对应的被照明面元的照度E_others；

S10、根据目标照度E_goal减去自然光对该照明节点对应的被照明面元的总照度E_nature与室内其他LED照明节点的LED灯对该照明节点对应的被照明面元的总照度∑E_others之和，求得被照明面元的最低照度E_min，即：E_min＝E_goal-E_nature-∑E_others；

S11、根据步骤S10获得的最低照度E_min，重新确定该LED照明节点的LED灯的光通量，继而计算该LED照明节点的LED灯的辐射通量，再计算该LED照明节点的LED灯的驱动电流，得到满足最低照度E_min的LED灯的驱动电流的范围；

S12、根据相关色温和显色指数的优化条件，在步骤S11得到的驱动电流的范围中选取一个电流值，控制该LED照明节点的LED灯在该电流值下发光；

S13、再次获取用户使用情况，若用户使用情况为无人使用，则结束照明；若用户使用情况为有人使用，则判断自然光照数据是否变化，若自然光照数据变化不大，则保持该LED照明节点的发光状态一段时间后再次获取用户使用情况并进行判断，若自然光照数据变化大，则返回步骤S5。

作为优选方案，在步骤S5中，目标照度E_goal根据照明时间点和/或自然光照数据进行设置。

作为优选方案，在步骤S6中，对于第n个照明节点，若该照明节点的LED灯为基于光转化材料的白光LED，其光通量Φ_V(λ)、辐射通量Φ_W(λ)的计算如下：

其中，Φ_V(λ)为光通量，Φ_W(λ)为辐射通量，V(λ)为视力函数，S为照明面元的面积，K_m为最大光谱效能，K_m的值为683lm/W，φ(λ)为归一化人眼光谱光视效率；

基于光转化材料的白光LED的蓝光LED芯片的驱动电流计算如下：

K_WΦ_W(λ)＝K_BΦ_B(λ)+K_GΦ_G(λ)+K_RΦ_R(λ)

其中，K_W、K_B、K_G、K_R分别是白光、蓝光、绿光、红光的光电转换效率相关系数，Φ_B(λ)、Φ_G(λ)、Φ_R(λ)是不同波长下蓝光LED芯片、绿光光转换材料、红光光转换材料的辐射通量；

根据K_W＝αI_B求得蓝光LED芯片的驱动电流I_B，其中，α为实验定标获得的常数矩阵。

作为优选方案，在步骤S6中，对于第n个照明节点，若该照明节点的LED灯为RGB三原色发光的白光LED，其光通量Φ_V(λ)、辐射通量Φ_E(λ)的计算如下：

其中，Φ_V(λ)为光通量，Φ_E(λ)为辐射通量，V(λ)为视力函数，S为照明面元的面积，K_m为最大光谱效能，K_m的值为683lm/W，φ(λ)为归一化人眼光谱光视效率；

RGB三原色发光的白光LED的驱动电流计算如下：

K_WΦ_W(λ)＝K_BΦ_B(λ)+K_GΦ_G(λ)+K_RΦ_R(λ)

其中，K_W、K_B、K_G、K_R分别是白光、蓝光、绿光、红光的光电转换效率相关系数，Φ_B(λ)、Φ_G(λ)、Φ_R(λ)是不同波长下蓝光LED芯片、绿光LED芯片、红光LED芯片的辐射通量；

其中，根据

K_B＝∈I_B

K_G＝βI_G

K_R＝γI_R

求得蓝光LED芯片的驱动电流I_B、绿光LED芯片的驱动电流I_G、红光LED芯片的驱动电流I_R，其中，∈、β、γ均为实验定标获得的常数矩阵。

作为优选方案，在步骤S7中，LED照明节点的LED灯为基于光转化材料的白光LED，在步骤S5求得的满足目标照度的LED灯的驱动电流的范围中，选取一个初始值，并从该初始值开始，进行微调，在微调的过程中，监测该LED灯的相关色温、显色指数及色坐标的变化；其中，LED灯的相关色温要满足描述人眼照明舒适程度的Kruithof曲线，使驱动电流对应的发光强度和相关色温对应点位于人眼舒适区域，并在此前提下，若显色指数有所提高，且色坐标始终位于色品图的等能白点附近，则继续对电流进行同一方向的调节，否则进行反向调节；直至显色指数开始下降，或色坐标严重偏移等能白点的位置，或已经不能满足照度要求，则停止优化，得到优化后的驱动电流值和光谱。

作为优选方案，在步骤S8中，获取窗户所在位置的自然光照度E_W，若窗户的透光面积为S_w，则自然光对室内产生的总辐射总量为φ₀＝E_WS_w；

自然光在不同方向上的辐射通量为：

其中，θ_A为被照明单位面元到窗户平面中心点连线与窗户法线的夹角，σ为正态分布宽度相关的参数，μ为平移相关参数；

则，自然光在被照明单位面元A产生的照度为：

其中，d₁为窗户平面中心点到被照明单位面元A连线的距离，ξ为修正系数。

作为优选方案，在步骤S9中，天花板平面上LED照明节点的位置坐标为(x_i，y₂，z_j)，邻近照明节点的位置坐标为(x_m，y₂，z_n)，其中，y₂为照明节点相对地面的额定照明高度；位置坐标为(x_i，y₂，z_j)的LED照明节点对应的被照明面元的位置为(x_i，y₁，z_j)，其中，y₁为被照明区域的离地高度；

坐标为(x_m，y₂，z_n)的照明节点在不同方向上的辐射通量为：

其中，σ为正态分布宽度相关的参数，μ为平移相关参数，θ_i为发射光夹角，

d₂为坐标为(x_m，y₂，z_n)的照明节点到坐标为(x_i，y₂，z_j)的照明节点的距离，d₃为坐标为(x_m，y₂，z_n)的照明节点到坐标为(x_i，y₁，z_j)的被照明面元的距离，即：

坐标为(x_m，y₂，z_n)的照明节点在被照明单位面元A产生的照度为：

其中，ρ为修正系数。

作为优选方案，自然光照数据通过户外光电探测器采集，用户使用情况通过人体感应器采集。

本发明还提供一种LED阵列照明效果的调控系统，包括控制中心和多个LED照明节点，LED照明节点包括LED灯、用户使用情况采集模块和控制器，用户使用情况采集模块用于检测用户对LED照明节点的使用情况，控制器包括电源模块、第一通信模块、数据处理模块和电流驱动模块，电源模块用于对LED照明节点进行供电，第一通信模块用于与控制中心进行通信，数据处理模块用于存储用户使用情况采集模块采集的数据以及第一通信模块接收到的数据，电流驱动模块用于控制LED的驱动电流；控制中心用于根据用户使用情况、照明需要、自然光照数据以及室内其他照明节点对该LED照明节点的光照影响来计算该LED照明节点的LED的驱动电流。

作为优选方案，控制中心包括：

LED照明节点获取模块，用于获取LED照明节点的个数和拓扑结构，以及各LED照明节点的性能参数；

LED照明节点排序模块，用于对各LED照明节点进行排序；

LED照明节点的空间布局获取模块，用于获取室内LED照明节点的空间布局，包括各LED照明节点的位置以及窗户的位置和透光尺寸；

目标照度确定模块，用于根据LED照明节点对应的被照明面元的照明需要，确定该被照明面元的目标照度E_goal；

第一LED灯的驱动电流计算模块，用于根据获得的目标照度E_goal，确定该LED照明节点的LED灯的光通量，继而计算该LED照明节点的LED灯的辐射通量，再计算该LED照明节点的LED灯的驱动电流，得到满足目标照度的LED灯的驱动电流的范围；

第一驱动电流优化模块，根据相关色温和显色指数的优化条件，在满足目标照度的LED灯的驱动电流的范围中选取一个电流值；

自然光总照度计算模块，用于计算自然光对该照明节点对应的被照明面元的总照度E_nature；

其他照明节点影响计算模块，用于计算室内其他LED照明节点的LED灯对该照明节点对应的被照明面元的照度E_others；

最低照度计算模块，用于根据目标照度E_goal减去自然光对该照明节点对应的被照明面元的总照度E_nature与室内其他LED照明节点的LED灯对该照明节点对应的被照明面元的总照度∑E_others之和，计算被照明面元的最低照度E_min；

第二LED灯的驱动电流计算模块，用于根据最低照度E_min，重新确定该LED照明节点的LED灯的光通量，继而计算该LED照明节点的LED灯的辐射通量，再计算该LED照明节点的LED灯的驱动电流，得到满足最低照度E_min的LED灯的驱动电流的范围；

第二驱动电流优化模块，用于根据相关色温和显色指数的优化条件，在得到满足最低照度Emin的LED灯的驱动电流的范围中选取一个电流值；

第二通信模块，用于与各LED节点的第一通信模块进行通信。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明对每一个被照明面元根据其照明需要，确定其目标照度，并得到满足目标照度的LED灯的驱动电流的范围，再根据自然光以及邻近照明节点对该照明节点的照明效果补偿，来确定该照明节点的最低照度，再在满足最低照度的LED灯的驱动电流的范围中，根据相关色温和显色指数的优化条件选取一个电流值作为该照明节点的LED灯的驱动电流。本发明对每个照明节点对应的照明面元进行调节，实现了对每个区域及每个照明节点的调节，达到了精细化调节。并且，本发明考虑自然光及邻近照明节点的补偿，可以在满足用户需要的同时，让该照明节点的LED灯采用最低照度，进而使驱动电流减小，从而节约用电。本发明无需在室内设置照度检测装置，节约成本。并且在LED灯发光前，通过计算获得合适的驱动电流，使LED工作开始即有适宜的照度，避免LED灯开始的照度过大或过小而影响人眼的舒适度，并且在一段时间内保持均一的照度，防止因照度的频繁调节导致的不稳定。另外，本发明根据相关色温和显色指数的优化条件最后确定驱动电流，保证了人眼舒适度。

附图说明

图1是本发明实施例的LED阵列照明效果的调控方法的流程图。

图2是本发明实施例的LED阵列照明效果的调控系统的原理示意图。

图3是本发明实施例的LED阵列照明效果的调控系统的工作原理图。

图4是本发明实施例的LED照明节点的原理框图。

图5是本发明实施例的自然光对被照明面元的照度计算示意图。

图6是本发明实施例的邻近照明节点对被照明面元的照度计算示意图。

图7是10乘以10的照明矩阵在优化照度数据后所得照度分布情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例一

如图1所示，本发明优选实施例的一种LED阵列照明效果的调控方法，包括如下步骤：

S1、获取LED照明节点的个数和拓扑结构，以及各LED照明节点的性能参数；

S2、对各LED照明节点进行排序；

S3、获取室内LED照明节点的空间布局，包括各LED照明节点的位置以及窗户的位置和透光尺寸；

S4、获取用户使用情况，若用户使用情况为无人使用，则结束，若用户使用情况为有人使用，转到步骤S5；

S5、根据LED照明节点对应的被照明面元的照明需要，确定该被照明面元的目标照度E_goal；

S6、根据步骤S5获得的目标照度E_goal，确定该LED照明节点的LED灯的光通量，继而计算该LED照明节点的LED灯的辐射通量，再计算该LED照明节点的LED灯的驱动电流，得到满足目标照度的LED灯的驱动电流的范围；

S7、根据相关色温和显色指数的优化条件，在步骤S6得到的驱动电流的范围中选取一个电流值；

S8、计算自然光对该照明节点对应的被照明面元的总照度E_nature；

S9、计算室内其他LED照明节点的LED灯对该照明节点对应的被照明面元的照度E_others；

S10、根据目标照度E_goal减去自然光对该照明节点对应的被照明面元的总照度E_nature与室内其他LED照明节点的LED灯对该照明节点对应的被照明面元的总照度∑E_others之和，求得被照明面元的最低照度E_min，即：E_min＝E_goal-E_nature-∑E_others；

S11、根据步骤S10获得的最低照度E_min，重新确定该LED照明节点的LED灯的光通量，继而计算该LED照明节点的LED灯的辐射通量，再计算该LED照明节点的LED灯的驱动电流，得到满足最低照度E_min的LED灯的驱动电流的范围；

S12、根据相关色温和显色指数的优化条件，在步骤S11得到的驱动电流的范围中选取一个电流值，控制该LED照明节点的LED灯在该电流值下发光；

S13、再次获取用户使用情况，若用户使用情况为无人使用，则结束照明；若用户使用情况为有人使用，则判断自然光照数据是否变化，若自然光照数据变化不大，则保持该LED照明节点的发光状态一段时间后再次获取用户使用情况并进行判断，若自然光照数据变化大，则返回步骤S5。本实施例的用户情况是持续获取的，相邻两次获取用户情况的时间间隔是相等的，即每隔一段时间获取一次用户情况，以根据实时的用户情况进行调整。另外，本实施例采用时钟控制用户情况的获取时间。

本实施例对每一个被照明面元根据其照明需要，确定其目标照度，并得到满足目标照度的LED灯的驱动电流的范围，再根据自然光以及邻近照明节点对该照明节点的照明效果补偿，来确定该照明节点的最低照度，再在满足最低照度的LED灯的驱动电流的范围中，根据相关色温和显色指数的优化条件选取一个电流值作为该照明节点的LED灯的驱动电流。本实施例对每个照明节点对应的照明面元进行调节，实现了对每个区域及每个照明节点的调节，达到了精细化调节。并且，本实施例考虑自然光及邻近照明节点的补偿，可以在满足用户需要的同时，让该照明节点的LED灯采用最低照度，进而使驱动电流减小，从而节约用电。本实施例无需在室内设置照度检测装置，照度检测装置通常为光传感器，节约成本。并且在LED灯发光前，通过计算获得合适的驱动电流，使LED工作开始即有适宜的照度，避免LED灯开始的照度过大或过小而影响人眼的舒适度，并且在一段时间内保持均一的照度，防止因照度的频繁调节导致的不稳定。另外，本实施例根据相关色温和显色指数的优化条件最后确定驱动电流，保证了人眼舒适度。对照明节点而言，自然光照和各个照明节点在变化，经过多次计算后，会得到一个稳定的、符合照明需求的光照。

进一步地，在步骤S1中，还包括对LED照明节点的类型确定，根据LED照明节点的类型选择不同的计算模式，LED照明节点的类型有基于光转化材料的白光LED、RGB三原色发光的白光LED两种。LED照明节点的类型不同，在步骤S6和步骤S11中的驱动电流的计算方式不同。另外，步骤S1还包括初始化本地时钟、白光LED单色光发光波段、迭代步长、节点计算时隙等参数，用于白光LED的发光光谱计算。

另外，在步骤S2中，对各照明节点进行排序，是为了确定各个照明节点的计算顺序。如多个照明节点排列成M×N的矩阵，LED阵列的结构可表示为

则LED照明节点的排序可按照设定顺序从01号排到MN号。

具体地，本实施例在步骤S5中，目标照度E_goal根据照明时间点和/或自然光照数据进行设置。本实施例的目标照度E_goal是根据照明时间点和自然光照数据进行综合判断的。首先，根据时间节点，将一天24个小时分为3个不同时间段进行照度设置，如根据国家照明标准，9am之前可设置为300lux，9am-17am之间可设置为250lux，19am之后可设置为350lux，应当指出的是，各个时间段的照度可根据当地日常的照明情况进行设置，然后再通过自然光照数据进行调整，若采集到的自然光照与平时的自然光照数据相差较大，则根据自然光照进行设置，如阴天时，自然光照的照度小，目标照度根据采集到的自然光照数据对应的室内照度进行设置，自然光照数据通过户外光电探测器进行采集。本实施例对每个自然光照的照度段设置一个对应的室内照度。

本实施例的照明节点的LED灯采用基于光转化材料的白光LED。在步骤S6中，对于第n个照明节点，若该照明节点的LED灯为基于光转化材料的白光LED，其光通量Φ_V(λ)、辐射通量Φ_W(λ)的计算如下：

其中，Φ_V(λ)为光通量，Φ_W(λ)为辐射通量，V(λ)为视力函数，S为照明面元的面积，K_m为最大光谱效能，K_m的值为6831m/W，φ(λ)为归一化人眼光谱光视效率；

基于光转化材料的白光LED的蓝光LED芯片的驱动电流计算如下：

K_WΦ_W(λ)＝K_BΦ_B(λ)+K_GΦ_G(λ)+K_RΦ_R(λ)

其中，K_W、K_B、K_G、K_R分别是白光、蓝光、绿光、红光的光电转换效率相关系数，Φ_B(λ)、Φ_G(λ)、Φ_R(λ)是不同波长下蓝光LED芯片、绿光光转换材料、红光光转换材料的辐射通量；

K_W与蓝光LED芯片的驱动电流I_B存在正相关的关系，因此，根据K_W＝αI_B求得蓝光LED芯片的驱动电流I_B，其中，α为实验定标获得的常数矩阵。根据基于光转化材料的白光LED的调光特性，光转化材料的发光特性在材料确定后已经不能调节，因此在调光时仅需要对蓝光LED芯片的电流进行调节，即可获得该白光LED的不同发光光谱。根据K_W＝αI_B求得蓝光LED芯片的驱动电流I_B，其中，α为实验定标获得的常数矩阵，α根据I_B的不同而变化。在调节照明效果时需要计算不同K_W对应的I_B，则α的大小可根据所需K_W的值利用插值法求得。

步骤S6根据目标照度E_goal，求得了满足该目标照度E_goal的蓝光LED芯片的驱动电流I_B的范围，在满足照度要求条件下，为了获得更佳的舒适度，蓝光LED芯片的驱动电流I_B的选值需要满足相关色温和显色指数的优化条件。

因此，在步骤S7中，LED照明节点的LED灯为基于光转化材料的白光LED，在步骤S5求得的满足目标照度的LED灯的驱动电流的范围中，选取一个初始值，并从该初始值开始，进行微调，在微调的过程中，监测该LED灯的相关色温、显色指数及色坐标的变化；其中，LED灯的相关色温要满足描述人眼照明舒适程度的Kruithof曲线，使驱动电流对应的发光强度和相关色温对应点位于人眼舒适区域，并在此前提下，若显色指数有所提高，且色坐标始终位于色品图的等能白点附近，则继续对电流进行同一方向的调节，否则进行反向调节；直至显色指数开始下降，或色坐标严重偏移等能白点的位置，或已经不能满足照度要求，则停止优化，得到优化后的驱动电流值和光谱。保存优化后的光谱，并输出蓝光LED芯片的驱动电流I_B选值及目标照度E_goal。

接着，根据自然光及邻近LED对被照明面元的补偿，对照明节点的LED灯的照度及驱动电流进行优化。

如图5所示，本实施例首要考虑从户外透射进室内的自然光对照明覆盖范围内的补偿光照效果的影响。在步骤S8中，将窗户看做针对室内照明区域的一个发光均匀的、面积为S的平面光源。获取窗户所在位置的自然光照度E_W，若窗户的透光面积为S_w，则自然光对室内产生的总辐射总量为φ₀＝E_WS_w；

自然光在不同方向上的辐射通量为：

其中，θ_A为被照明单位面元到窗户平面中心点连线与窗户法线的夹角；σ为正态分布宽度相关的参数，σ的取值可根据对某一品种的LED光源进行发光分布的常规测试后获得，也可根据LED光源制造厂商提供的产品报告获得；μ为平移相关参数，本实施例的μ的取值可设置为0；

则，自然光在被照明单位面元A产生的照度为：

其中，d₁为窗户平面中心点到被照明单位面元A连线的距离；ξ为修正系数，修正系数ξ可在后期调试中根据实际情况选取最优值。ξ的用途为：在该LED照明系统运行一段时间后，可根据实际照明情况对ξ进行调整，以达到对E_nature定期进行测试、定标与修正的功能。

应当指出的是，本实施例是假设经过透光的窗户区域进入室内的自然光均匀分布，如果存在自然光分布较为不均匀的情况下，可使用分面积计算法等其他方法来计算自然光对被照明面元的照度。

本实施例不但考虑被照明面元受到的户外自然光的影响，同时考虑其受到邻近LED照明节点发射光带来的补偿光通量。如图6所示，在步骤S9中，假设天花板平面上LED照明节点的位置坐标为(x_i，y₂，z_j)，邻近照明节点的位置坐标为(x_m，y₂，z_n)，其中，y₂为照明节点相对地面的额定照明高度；位置坐标为(x_i，y₂，z_j)的LED照明节点对应的被照明面元的位置为(x_i，y₁，z_j)，其中，y₁为被照明区域的离地高度；

坐标为(x_m，y₂，z_n)的照明节点在不同方向上的辐射通量为：

其中，σ为正态分布宽度相关的参数，μ为平移相关参数，θ_i为发射光夹角，

d₂为坐标为(x_m，y₂，z_n)的照明节点到坐标为(x_i，y₂，z_j)的照明节点的距离，d₃为坐标为(x_m，y₂，z_n)的照明节点到坐标为(x_i，y₁，z_j)的被照明面元的距离，即：

坐标为(x_m，y₂，z_n)的照明节点在被照明单位面元A产生的照度为：

其中，ρ为修正系数。ρ的用途为：在该LED照明系统运行一段时间后，可根据实际照明情况对ρ进行调整，以达到对E_others定期进行测试、定标与修正的功能。

在步骤S10中，通过扣除自然光以及其他光源对该照明领域的补偿，确定照明节点的最低照度E_min，再通过最低照度E_min优化蓝光LED芯片的驱动电流I_B，可一定程度降低该LED照明节点自身发出的照度，并减小驱动电流，达到节能的目的。

在步骤S4和步骤S13中，用户使用情况通过人体感应器采集，本实施例通过红外探测器进行检测，若照明区域内有人，可打开LED灯，若照明区域内无人，则关闭LED灯。在步骤13中，自然光照数据通过户外光电探测器采集。

在本实施例中，室内布置10乘以10的照明矩阵，一共100个LED照明节点，节点间距0.5米。如图7所示，图中散落在X、Z平面的点为无人使用的LED照明节点，其发光强度为零。图中在上方的散点为有人使用的LED照明节点，其照度值根据其位置分布不同而不同。其中，靠近角落、远离窗户的LED照明节点由于较少受到外界发光环境的补给，其自身需要提供的照度值较高。相反，靠近窗户、以及周围较多发光LED照明节点的照明节点，其自身需要提供的照度值较低。上述调控过程优化时间为7秒钟，调控效率高。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，本实施例的照明节点的LED灯为RGB三原色发光的白光LED。

因此，在步骤S6中，对于第n个照明节点，若该照明节点的LED灯为RGB三原色发光的白光LED，其光通量Φ_V(λ)、辐射通量Φ_E(λ)的计算如下：

其中，Φ_V(λ)为光通量，Φ_E(λ)为辐射通量，V(λ)为视力函数，S为照明面元的面积，K_m为最大光谱效能，K_m的值为6831m/W，φ(λ)为归一化人眼光谱光视效率；

RGB三原色发光的白光LED的发光光谱调节涉及两种情况，如果红、绿、蓝LED芯片的发光驱动是相关的，则可参考基于光转化材料的白光LED的驱动电流I_B的计算方式。如果RGB三原色发光的白光LED中红、绿、蓝LED芯片的发光驱动是相互独立的，则RGB三原色发光的白光LED的发光光谱调节涉及不同芯片的驱动电流计算。

RGB三原色发光的白光LED的驱动电流计算如下：

K_WΦ_W(λ)＝K_BΦ_B(λ)+K_GΦ_G(λ)+K_RΦ_R(λ)

其中，K_W、K_B、K_G、K_R分别是白光、蓝光、绿光、红光的光电转换效率相关系数，Φ_B(λ)、Φ_G(λ)、Φ_R(λ)是不同波长下蓝光LED芯片、绿光LED芯片、红光LED芯片的辐射通量；

其中，K_W为根据外界照明环境计算所得的目标值，K_B、K_G、K_R的确定首先需要满足上述公式的条件，其次，需要根据

K_B＝∈I_B

K_G＝βI_G

K_R＝γI_R

求得蓝光LED芯片的驱动电流I_B、绿光LED芯片的驱动电流I_G、红光LED芯片的驱动电流I_R，其中，∈、β、γ均为实验定标获得的常数矩阵。∈、β、γ分别根据I_B、I_G、I_R的不同而变化。在调节照明效果时需要计算不同K_B对应的I_B、不同K_G对应的I_G、不同K_R对应的I_R，则∈、β、γ的大小分别可根据所需K_B、K_G、K_R的值利用插值法求得。即∈、β、γ的获得方法与实施例一的基于光转化材料的白光LED的α的计算方法相同。

本实施例通过控制蓝光LED芯片的驱动电流I_B、绿光LED芯片的驱动电流I_G、红光LED芯片的驱动电流I_R，使LED灯发白光，并且控制LED灯的照度。

应当指出的是，在室内设置LED阵列时，可同时存在基于光转化材料的白光LED和RGB三原色发光的白光LED，本实施例是对每个照明节点进行单独计算和单独控制的，因此，可实现不同类型LED共存时的控制。

本实施例的其他步骤与实施例一相同，此处不再赘述。

实施例三

如图2和图3所示，本实施例提供一种实现上述方法的LED阵列照明效果的调控系统，包括控制中心和多个LED照明节点。如图4所示，LED照明节点包括LED灯、用户使用情况采集模块和控制器，用户使用情况采集模块用于检测用户对LED照明节点的使用情况，控制器包括电源模块、第一通信模块、数据处理模块和电流驱动模块，电源模块用于对LED照明节点进行供电，第一通信模块用于与控制中心进行通信，数据处理模块用于存储用户使用情况采集模块采集的数据以及第一通信模块接收到的数据，电流驱动模块用于控制LED的驱动电流；控制中心用于根据用户使用情况、照明需要、自然光照数据以及室内其他照明节点对该LED照明节点的光照影响来计算该LED照明节点的LED的驱动电流。

本实施例通过控制中心进行各个LED照明节点的驱动电流进行计算，可对各个照明节点进行统一控制。各个照明节点均设有控制器，可实现各个LED照明节点的独立调节。在本实施例中，每个LED照明节点对应的控制器通过以无线局域网的形式接入控制中心，根据室内智能设备的种类和数量的不同情况，照明节点接入无线局域网的网络协议可以选择Zigbee、WiFi、蓝牙等不同的协议种类。

本实施例的用户使用情况采集模块采用红外探测器，用于检测照明区域内是否有人。红外探测器的反馈信号传到控制器的数据处理模块中，通过第一通信模块，将信息打包后通过网络协议传递给控制中心，统一对LED照明节点的发光进行计算和控制。控制中心对接收到的信息进行解调、读取、处理以及发送信息给LED照明节点配备的控制器。

具体地，本实施例控制中心包括：

LED照明节点获取模块，用于获取LED照明节点的个数和拓扑结构，以及各LED照明节点的性能参数；

LED照明节点排序模块，用于对各LED照明节点进行排序；

LED照明节点的空间布局获取模块，用于获取室内LED照明节点的空间布局，包括各LED照明节点的位置以及窗户的位置和透光尺寸；

目标照度确定模块，用于根据LED照明节点对应的被照明面元的照明需要，确定该被照明面元的目标照度E_goal；

第一LED灯的驱动电流计算模块，用于根据获得的目标照度E_goal，确定该LED照明节点的LED灯的光通量，继而计算该LED照明节点的LED灯的辐射通量，再计算该LED照明节点的LED灯的驱动电流，得到满足目标照度的LED灯的驱动电流的范围；

第一驱动电流优化模块，根据相关色温和显色指数的优化条件，在满足目标照度的LED灯的驱动电流的范围中选取一个电流值；

自然光总照度计算模块，用于计算自然光对该照明节点对应的被照明面元的总照度E_nature；

其他照明节点影响计算模块，用于计算室内其他LED照明节点的LED灯对该照明节点对应的被照明面元的照度E_others；

最低照度计算模块，用于根据目标照度E_goal减去自然光对该照明节点对应的被照明面元的总照度E_nature与室内其他LED照明节点的LED灯对该照明节点对应的被照明面元的总照度∑E_others之和，计算被照明面元的最低照度E_min；

第二LED灯的驱动电流计算模块，用于根据最低照度E_min，重新确定该LED照明节点的LED灯的光通量，继而计算该LED照明节点的LED灯的辐射通量，再计算该LED照明节点的LED灯的驱动电流，得到满足最低照度E_min的LED灯的驱动电流的范围；

第二驱动电流优化模块，用于根据相关色温和显色指数的优化条件，在得到满足最低照度E_min的LED灯的驱动电流的范围中选取一个电流值；

第二通信模块，用于与各LED节点的第一通信模块进行通信。

综上，本发明实施例提供一种LED阵列照明效果的调控方法，其对每一个被照明面元根据其照明需要，确定其目标照度，并得到满足目标照度的LED灯的驱动电流的范围，再根据自然光以及邻近照明节点对该照明节点的照明效果补偿，来确定该照明节点的最低照度，再在满足最低照度的LED灯的驱动电流的范围中，根据相关色温和显色指数的优化条件选取一个电流值作为该照明节点的LED灯的驱动电流。本发明实施例对每个照明节点对应的照明面元进行调节，实现了对每个区域及每个照明节点的调节，达到了精细化调节。并且，本发明实施例考虑自然光及邻近照明节点的补偿，可以在满足用户需要的同时，让该照明节点的LED灯采用最低照度，进而使驱动电流减小，从而节约用电。本发明实施例无需在室内设置照度检测装置，节约成本。并且在LED灯发光前，通过计算获得合适的驱动电流，使LED工作开始即有适宜的照度，避免LED灯开始的照度过大或过小而影响人眼的舒适度，并且在一段时间内保持均一的照度，防止因照度的频繁调节导致的不稳定。另外，本发明实施例根据相关色温和显色指数的优化条件最后确定驱动电流，保证了人眼舒适度。本发明实施例的方法适用性强，可适应窗户在不同位置的室内照明控制，适应不同形状、结构、类型的LED灯，适应白天或者夜晚的不同照明场景，适应不同排出情况的LED阵列。另外，本发明实施例还提供了基于光转化材料的白光LED和RGB三原色发光的白光LED这两种白光LED的驱动电流计算方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种LED阵列照明效果的调控方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取LED照明节点的个数和拓扑结构，以及各LED照明节点的性能参数；

S2、对各LED照明节点进行排序；

S3、获取室内LED照明节点的空间布局，包括各LED照明节点的位置以及窗户的位置和透光尺寸；

S4、获取用户使用情况，若用户使用情况为无人使用，则结束，若用户使用情况为有人使用，进行步骤S5；

S5、根据LED照明节点对应的被照明面元的照明需要，确定该被照明面元的目标照度E_goal；

S6、根据步骤S5获得的目标照度E_goal，确定该LED照明节点的LED灯的光通量，继而计算该LED照明节点的LED灯的辐射通量，再计算该LED照明节点的LED灯的驱动电流，得到满足目标照度的LED灯的驱动电流的范围；

S7、根据相关色温和显色指数的优化条件，在步骤S6得到的驱动电流的范围中选取一个电流值；

S8、计算自然光对该照明节点对应的被照明面元的总照度E_nature；

S9、计算室内其他LED照明节点的LED灯对该照明节点对应的被照明面元的照度E_others；

S10、根据目标照度E_goal减去自然光对该照明节点对应的被照明面元的总照度E_nature与室内其他LED照明节点的LED灯对该照明节点对应的被照明面元的总照度∑E_others之和，求得被照明面元的最低照度E_min，即：E_min＝E_goal-E_nature-∑E_others；

S11、根据步骤S10获得的最低照度E_min，重新确定该LED照明节点的LED灯的光通量，继而计算该LED照明节点的LED灯的辐射通量，再计算该LED照明节点的LED灯的驱动电流，得到满足最低照度E_min的LED灯的驱动电流的范围；

S12、根据相关色温和显色指数的优化条件，在步骤S11得到的驱动电流的范围中选取一个电流值，控制该LED照明节点的LED灯在该电流值下发光；

S13、再次获取用户使用情况，若用户使用情况为无人使用，则结束照明；若用户使用情况为有人使用，则判断自然光照数据是否变化，若自然光照数据变化不大，则保持该LED照明节点的发光状态一段时间后再次获取用户使用情况并进行判断，若自然光照数据变化大，则返回步骤S5。

2.根据权利要求1所述的LED阵列照明效果的调控方法，其特征在于，在步骤S5中，目标照度E_goal根据照明时间点和/或自然光照数据进行设置。

3.根据权利要求1所述的LED阵列照明效果的调控方法，其特征在于，在步骤S6中，对于第n个照明节点，若该照明节点的LED灯为基于光转化材料的白光LED，其光通量Φ_V(λ)、辐射通量Φ_W(λ)的计算如下：

其中，Φ_V(λ)为光通量，Φ_W(λ)为辐射通量，V(λ)为视力函数，S为照明面元的面积，K_m为最大光谱效能，K_m的值为683lm/W，φ(λ)为归一化人眼光谱光视效率；

基于光转化材料的白光LED的蓝光LED芯片的驱动电流计算如下：

K_WΦ_W(λ)＝K_BΦ_B(λ)+K_GΦ_G(λ)+K_RΦ_R(λ)

其中，K_W、K_B、K_G、K_R分别是白光、蓝光、绿光、红光的光电转换效率相关系数，Φ_B(λ)、Φ_G(λ)、Φ_R(λ)是不同波长下蓝光LED芯片、绿光光转换材料、红光光转换材料的辐射通量；

根据K_W＝αI_B求得蓝光LED芯片的驱动电流I_B，其中，α为实验定标获得的常数矩阵。

4.根据权利要求1所述的LED阵列照明效果的调控方法，其特征在于，在步骤S6中，对于第n个照明节点，若该照明节点的LED灯为RGB三原色发光的白光LED，其光通量Φ_V(λ)、辐射通量Φ_E(λ)的计算如下：

其中，Φ_V(λ)为光通量，Φ_E(λ)为辐射通量，V(λ)为视力函数，S为照明面元的面积，K_m为最大光谱效能，K_m的值为683lm/W，φ(λ)为归一化人眼光谱光视效率；

RGB三原色发光的白光LED的驱动电流计算如下：

K_WΦP_W(λ)＝K_BΦ_B(λ)+K_GΦ_G(λ)+K_RΦ_R(λ)

其中，K_W、K_B、K_G、K_R分别是白光、蓝光、绿光、红光的光电转换效率相关系数，Φ_B(λ)、Φ_G(λ)、Φ_R(λ)是不同波长下蓝光LED芯片、绿光LED芯片、红光LED芯片的辐射通量；

其中，根据

K_B＝∈I_B

K_G＝βI_G

K_R＝γI_R

求得蓝光LED芯片的驱动电流I_B、绿光LED芯片的驱动电流I_G、红光LED芯片的驱动电流I_R，其中，∈、β、γ均为实验定标获得的常数矩阵。

5.根据权利要求1所述的LED阵列照明效果的调控方法，其特征在于，在步骤S7中，LED照明节点的LED灯为基于光转化材料的白光LED，在步骤S5求得的满足目标照度的LED灯的驱动电流的范围中，选取一个初始值，并从该初始值开始，进行微调，在微调的过程中，监测该LED灯的相关色温、显色指数及色坐标的变化；其中，LED灯的相关色温要满足描述人眼照明舒适程度的Kruithof曲线，使驱动电流对应的发光强度和相关色温对应点位于人眼舒适区域，并在此前提下，若显色指数有所提高，且色坐标始终位于色品图的等能白点附近，则继续对电流进行同一方向的调节，否则进行反向调节；直至显色指数开始下降，或色坐标严重偏移等能白点的位置，或已经不能满足照度要求，则停止优化，得到优化后的驱动电流值和光谱。

6.根据权利要求1所述的LED阵列照明效果的调控方法，其特征在于，在步骤S8中，获取窗户所在位置的自然光照度E_W，若窗户的透光面积为S_w，则自然光对室内产生的总辐射总量为φ₀＝E_WS_w；

自然光在不同方向上的辐射通量为：

其中，θ_A为被照明单位面元到窗户平面中心点连线与窗户法线的夹角，σ为正态分布宽度相关的参数，μ为平移相关参数；

则，自然光在被照明单位面元A产生的照度为：

其中，d₁为窗户平面中心点到被照明单位面元A连线的距离，ξ为修正系数。

7.根据权利要求1所述的LED阵列照明效果的调控方法，其特征在于，在步骤S9中，天花板平面上LED照明节点的位置坐标为(x_i，y₂，z_j)，邻近照明节点的位置坐标为(x_m，y₂，z_n)，其中，y₂为照明节点相对地面的额定照明高度；位置坐标为(x_i，y₂，z_j)的LED照明节点对应的被照明面元的位置为(x_i，y₁，z_j)，其中，y₁为被照明区域的离地高度；

坐标为(x_m，y₂，z_n)的照明节点在不同方向上的辐射通量为：

其中，σ为正态分布宽度相关的参数，μ为平移相关参数，θ_i为发射光夹角，

d₂为坐标为(x_m，y₂，z_n)的照明节点到坐标为(x_i，y₂，z_j)的照明节点的距离，d₃为坐标为(x_m，y₂，z_n)的照明节点到坐标为(x_i，y₁，z_j)的被照明面元的距离，即：

坐标为(x_m，y₂，z_n)的照明节点在被照明单位面元A产生的照度为：

其中，ρ为修正系数。

8.根据权利要求1所述的LED阵列照明效果的调控方法，其特征在于，自然光照数据通过户外光电探测器采集，用户使用情况通过人体感应器采集。

9.一种LED阵列照明效果的调控系统，其特征在于，包括控制中心和多个LED照明节点，LED照明节点包括LED灯、用户使用情况采集模块和控制器，用户使用情况采集模块用于检测用户对LED照明节点的使用情况，控制器包括电源模块、第一通信模块、数据处理模块和电流驱动模块，电源模块用于对LED照明节点进行供电，第一通信模块用于与控制中心进行通信，数据处理模块用于存储用户使用情况采集模块采集的数据以及第一通信模块接收到的数据，电流驱动模块用于控制LED的驱动电流；控制中心用于根据用户使用情况、照明需要、自然光照数据以及室内其他照明节点对该LED照明节点的光照影响来计算该LED照明节点的LED的驱动电流。

10.根据权利要求9所述的LED阵列照明效果的调控系统，其特征在于，控制中心包括：

LED照明节点获取模块，用于获取LED照明节点的个数和拓扑结构，以及各LED照明节点的性能参数；

LED照明节点排序模块，用于对各LED照明节点进行排序；

LED照明节点的空间布局获取模块，用于获取室内LED照明节点的空间布局，包括各LED照明节点的位置以及窗户的位置和透光尺寸；

目标照度确定模块，用于根据LED照明节点对应的被照明面元的照明需要，确定该被照明面元的目标照度E_goal；

第一LED灯的驱动电流计算模块，用于根据获得的目标照度E_goal，确定该LED照明节点的LED灯的光通量，继而计算该LED照明节点的LED灯的辐射通量，再计算该LED照明节点的LED灯的驱动电流，得到满足目标照度的LED灯的驱动电流的范围；

第一驱动电流优化模块，根据相关色温和显色指数的优化条件，在满足目标照度的LED灯的驱动电流的范围中选取一个电流值；

自然光总照度计算模块，用于计算自然光对该照明节点对应的被照明面元的总照度E_nature；

其他照明节点影响计算模块，用于计算室内其他LED照明节点的LED灯对该照明节点对应的被照明面元的照度E_others；

最低照度计算模块，用于根据目标照度E_goal减去自然光对该照明节点对应的被照明面元的总照度E_nature与室内其他LED照明节点的LED灯对该照明节点对应的被照明面元的总照度∑E_others之和，计算被照明面元的最低照度E_min；

第二LED灯的驱动电流计算模块，用于根据最低照度E_min，重新确定该LED照明节点的LED灯的光通量，继而计算该LED照明节点的LED灯的辐射通量，再计算该LED照明节点的LED灯的驱动电流，得到满足最低照度E_min的LED灯的驱动电流的范围；

第二驱动电流优化模块，用于根据相关色温和显色指数的优化条件，在得到满足最低照度E_min的LED灯的驱动电流的范围中选取一个电流值；

第二通信模块，用于与各LED节点的第一通信模块进行通信。

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