CN115968075A

CN115968075A - 一种用于文物照明的智能照明系统及其控制方法

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Publication number: CN115968075A
Application number: CN202211671525.9A
Authority: CN
Inventors: 党睿; 胡振宇; 蔡响前
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2022-12-26
Filing date: 2022-12-26
Publication date: 2023-04-14
Anticipated expiration: 2042-12-26
Also published as: CN115968075B

Abstract

本发明提供了一种用于文物照明的智能照明系统包括：最低损伤照明参数数据库、终端处理器、无线通讯模块、主控制器、照明电路模块、和温湿度监测模块。最低损伤照明参数数据库，用于存储文物的损伤函数、材料信息和光谱信息。终端处理器，根据所述材料信息和所述光谱信息，通过所述损伤函数得到推荐照度值和推荐照射时间，再通过最小二乘法将得到的最低损伤谱和推荐照度值计算折合为照明芯片功率强度，生成照明芯片功率强度信号和推荐照射时间信号；主控制器，用于将所述照明芯片功率强度信号和所述推荐照射时间信号处理为PWM信号，并将所述PWM信号传输到照明电路模块。

Description

一种用于文物照明的智能照明系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及文物保护和照明技术的交叉学科的技术领域，更具体地，涉及一种用于文物照明的智能照明系统及其控制方法。

背景技术

由于保护方面的问题，大量馆藏文物存在不可逆的永久性损伤。因此，如何对馆藏文物进行更好地保护，是目前亟需解决的问题。

光源中的光学辐射与文物受损之间有着显著关联，尤其是书画、古籍、染色丝织品等文物属于国际照明委员会（CIE）规定的最高光敏感级别展品，极易因光化学反应发生褪色、粉化、开裂等不可逆的永久性损伤。同时文物的细节和色彩丰富，极具文化和艺术价值，对照明光源的展示效果要求很高。因此获得能够在满足观赏要求基础上实现最低损伤效果的光源，是解决文物复杂照明问题的根本途径。

但上述新型光源系统的研发存在如下待解决的四个难点问题：

（1）由于文物光损伤的根本原因在于被照文物材料吸收光源的光谱能量后发生了光化学反应，因此决定文物光损伤程度的参数包括“光源的相对光谱功率分布S(λ)、被照材料对入射光谱的吸收率P(λ)、光源的照射强度E、光源的照射时间t”。但光源的相对光谱功率分布S(λ)各异，各类文物材料对于不同波段光谱的吸收率P(λ)差别很大，同时光源的照射强度E和光源的照射时间t均可自由设定，因此在S(λ)、P(λ)、E、t四类变量耦合影响下的文物光损伤规律非常复杂，目前缺少能够对上述规律进行准确计算的数学模型，导致研发新型光源系统的理论工具缺失。

（2）如果能够明确上述规律并建立能够对上述规律进行量化描述的数学模型，便可利用数学模型计算出不同文物材料所匹配的最低损伤谱形式S(λ)、照射强度I、照射时间t，进而通过显色性计算方法将不满足展示要求的光谱筛除，即可建立满足观赏的最低损伤照明参数数据库，以作为新型光源系统的核心。但目前未见相关成果报道。

（3）满足观赏的最低损伤照明参数数据库中包含的是每种文物材料所对应的最佳匹配光谱形式S(λ)、照射强度E、照射时间t，但真实的文物均是由多种材料组成（如书画是在纸质或绢质基材上绘制多种颜料），如何根据真实文物的不同材料构成特点在数据库中进行参数的匹配组合及调用，并通过控制算法程序对调用的光谱形式、照射强度、照射时间向硬件系统进行转换和输出，是在研发新型光源系统过程中需要解决的关键问题。

（4）由于不同文物所匹配的最佳光谱形式、照射强度、照射时间存在差别，同时在真实博物馆展陈过程中经常需要更换展品，当被照文物改变时要求光源的输出参数也要随之变化。因此如何将控制算法程序传送的各种照明参数通过硬件系统进行实际输出，并根据照明对象的改变而进行参数调节，从而利用一套系统在保证观赏要求的基础上、实现不同类型文物的最低照明损伤效果，是在研发新型光源系统过程中需要解决的另一个关键问题。

目前，现有技术中提出了如下的技术手段以解决上述问题。

（1）公开号为CN110740537A的专利文献，公开了一种智能照明设备的控制方法，应用于终端侧，该方法包括：响应于用于获取当前图像的第一操作，从图像资源中获取当前图像，对当前图像进行识别，得到识别结果，从所述识别结果中获取至少一个以上用于光源色彩控制的目标色彩数据，使得所述智能照明设备基于所述目标色彩数据控制光源色彩。

该专利的智能照明设备以光源光色与被照物体颜色和谐为目的进行调控，未考虑文物保护的重要因素。该专利未公布关于光谱可变LED的相关技术细节，且以控制光源颜色为调光参数，未从光源SPD这一最基本的光谱性质着手。综上，该智能照明设备无法应用于复杂的博物馆照明场景，也无法从根本上解决文物照明问题。

（2）公开号为CN110740537A的专利文献，公开了一种博物馆文物的自适应调节系统，主要包括光源、立云平台博物馆文物信息库、控制单元。该系统根据文物的云信息以及现场采集信息,对文物性质信息进行量化,通过聚类分析与相关性分析,筛选出影响文物耐光性的因素；建立照明光源自调节模型,在此基础上基于神经网络算法构建整个系统的光源调节模型。该系统基于神经网络算法建立光源自调节模型,对已知照明方案与照明需求信息的文物进行学习,构建七色LED电流权重与照明需求的关系,学习完成后对照明方案文物自动生成照明方案并实施,降低光辐射对文物的损坏的同时提高文物观赏性。

该专利的最优光谱调控系统中：对于保护方面，依靠通过微表面测试(MFT) 并根据聚类得到与文物保护相关的因素，无法量化预测在光源的相对光谱功率分布、被照材料对入射光谱的吸收、光源的照射强度、光源的照射时间四重参数耦合影响下的文物光损伤程度，从而无法精确衡量光源保护的效果；对于展示效果方面，通过提取现有文物照明方案常用的参数而非通过指标数值来限制。且最后对于保护和展示效果的综合考虑仅粗略地对现有文物照明方案采用聚类的数据分析方法，未控制最终输出光谱的参数。综上，该调控系统无法确保最后输出光谱保护的效果，也无法保证符合展示指标。

（3）公开号为CN109511195A的专利文献，公开了一种适用于中国脆弱文物照明的LED光谱调节方法，包括以中国脆弱文物颜料制作实验用模型试件；选取可见光谱范围内的10个典型波段单色光；对各组试件进行长周期照射得到不同波段对不同颜料的相对损伤值；经过光谱拟合和迭代得到所有可能的光谱功率分布下的相对损伤值；经过平均显色指数R_a≥90 且R₉＞0、2700K≤相关色温CCT≤4000K以及普朗克曲线偏移度|D_UV|≤0.0054三个光谱视看评价指标的筛选；得到了每个色温区间内的相对损伤度。

（4）公开号为CN106353264A的专利文献，公开了一种适用于绘画色彩保护照明的白光LED光谱获取方法。该专利采用的技术方案是适用于绘画色彩保护照明的白光LED光谱获取方法，步骤为模型试件制作、实验光源制备、照射实验方法、参数检测方法，目的是解决获取最低色彩损伤WLED光谱的科学实验方法缺失问题，解决目前不能对单色光影响中国传统绘画的色彩情况进行精确评价的问题。

对于专利（3）和专利（4）：首先，上述两项专利是以色差作为文物光损伤的评价指标，但该指标只能评价文物的褪色或变色等颜色损伤，并不能评价如粉化或开裂等机械损伤；第二，上述两项专利只考虑了光源的相对光谱功率分布S(λ)和被照材料对入射光谱的吸收率P(λ)两类参数对文物光损伤的影响，并未考虑光源的照射强度I和照射时间t对文物光损伤的影响；第三，上述两项专利只涉及最低损伤谱的获取及调节方法，即停留在理论研究层面，并未涉及对于光谱的匹配、调用、调控、输出等实际技术和产品。

此外，现有技术中还采用基于舒适度的照明评价控制策略,使照明系统可以智能适应各种室内环境下的照明要求,在充分利用太阳光的前提下使屋内一直保持在最优照度减小能耗；其次，通过完善的软、硬件设计,可以有效地防止LED的有害光衰现象发生,使LED灯使用时间延长2倍左右。该研究中的LED智能照明系统,主要分为测量模块、模糊专家库决策模块、LED照明模块等部分,其中测量模块包括人体红外传感器检测照明设备区域内是否有人,S5052检测环境亮度,温度传感器检测LED灯温度。模糊专家库决策模块以单片机STM32F103C8T6为主控制器,利用多传感器数据融合技术,通过设计的各种控制策略,输出合适的PWM波来控制HV9910B芯片输出的电流大小,从而实现对LED的调光。但是，该智能照明设备以提升舒适度并降低能耗为目的进行调控，而未考虑文物保护的重要因素，不可用于博物馆的专业应用场景[1]。

现有技术中还通过循环比色实验提出了适用于中国脆弱文物照明的光源显色性评价公式；其次，以构成四基色LED光谱的450 nm、510 nm、583 nm、650 nm单色光作为实验光源，以中国脆弱文物颜料作为实验对象，开展长周期照射实验，从而提出中国脆弱文物色彩损伤度判定公式；第三，结合提出的“光源显色性评价方法”和“文物色彩损伤度判定公式”对光谱进行优化，筛选得到2700 K-4000 K色温区间内的最低损伤谱。研究成果明确了不同光谱构成对光源显色性能和文物色彩损伤的影响规律，并建立了满足显色标准、针对不同文物材料的最低损伤LED光谱数据库，为中国脆弱文物照明的最低损伤LED光源研发提供科学依据。

该研究的光谱优化调控系统以组成WLED的四个单色光为基础，但四个单色光很难代表380-780nm的可见光波长范围：对于保护方面，该四个波长之间有大段空白，其损伤未知；而对于展示方面，其拟合出的光谱也很难代表所有光谱。综上，该光谱优化方法仅适用于由该四种窄带LED组成的WLED开发研究。且该研究以获得颜料最低损伤的CCT标准为目的，并没有从光源SPD这一最根本的光源参数着手，由于光源同色异谱现象的存在，致使相同色温的不同光谱对于中国脆弱文物的损伤不同。综合以上两点，该研究无法为最低损伤光源的开发提供理论基础。

以颜料作为实验对象,开展长周期的光照实验,通过实验结果分析得到不同波段窄带光谱对于试件的相对损伤系数及随曝光量的损伤变化曲线；结合光谱拟合算法,将不满足博物馆显色性要求的光谱剔除；对于色温标准,根据文物相对损伤公式计算光谱的相对损伤差值,选出各色温区间内平均相对损伤最小值作为最佳色温;对于照明数量标准,根据文物损伤公式计算文物在不同照度值下照射一年与十年其损伤差值大小,通过比较照射一年的损伤差值大小,确定文物的照度区间[2]。

但该研究基于不完整的颜料文物损伤预测模型：该研究通过10单色光实验得到颜料响应率与波长λ和时间t的函数关系P（λ，t），但经后续数据分析发现，颜料对不同波长的响应率随着曝光量的增加会趋于稳定，所以P（λ，t）应该进一步转化为P（λ）；且该研究通过10W/m²辐照度（折合为4700lx）的单色光照射实验来推断50-200lx照度的结果，数量级差异不可忽视，所以该研究无法正确反映照度和时间的耦合影响。综上，该模型无法实现I、t、S(λ)、P(λ)四项参数耦合影响下对颜料文物的损伤的精确预测。且该研究以获得颜料最低损伤的CCT标准为目的，并没有从光源SPD这一最根本的光源参数着手，由于光源同色异谱现象的存在，致使相同色温的不同光谱对于颜料的损伤不同[3]。

现有技术中还提出了以书画基材与胶体作为实验对象,开展长周期的光照实验,通过实验结果分析得到不同波段窄带光谱对于试件的相对损伤系数及随曝光量的损伤变化曲线；结合光谱拟合算法,将不满足博物馆显色性要求的光谱剔除；对于色温标准,根据文物相对损伤公式计算光谱的相对损伤差值,选出各色温区间内平均相对损伤最小值作为最佳色温;对于照明数量标准,根据文物损伤公式计算文物在不同照度值下照射一年与十年其损伤差值大小,通过比较照射一年的损伤差值大小,确定文物的照度区间。

但该研究基于不完整的纸绢文物损伤预测模型：该研究通过10单色光实验得到纸绢响应率与波长λ和时间t的函数关系P（λ，t），但经后续数据分析发现，纸绢对不同波长的响应率随着曝光量的增加会趋于稳定，所以P（λ，t）应该进一步转化为P（λ）；且该研究通过10W/m²辐照度（折合为4700lx）的单色光照射实验来推断50-200lx照度的结果，数量级差异不可忽视，所以该研究无法正确反映照度和时间的耦合影响。综上，该模型无法实现I、t、S(λ)、P(λ)四项参数耦合影响下对纸绢的损伤的精确预测。且该研究以获得纸绢文物的最低损伤的CCT标准为目的，并没有从光源SPD这一最根本的光源参数着手，由于光源同色异谱现象的存在，致使相同色温的不同光谱对于纸绢的损伤不同[4]。

目前与本申请相关的国家标准如下：

《博物馆照明设计规范》（GB/T 23863-2009）

5.2.1 陈列室展品照度标准值应符合表2的规定。

表5.2.1-2 陈列室展品照度标准值

7.2 对于对光敏感的展品或藏品，其年曝光量不应大于表6的规定。

表7.2-6 陈列室展品年曝光量限制值

6.3.1 一般陈列室直接照明光源的色温应小于5300 K。文物陈列室直接照明光源的色温应小于3300 K。同一展品照明光源的色温应保持一致。

6.3.3 在陈列绘画、彩色织物以及其他多色展品等对辨色要求高的场所，光源一般显色指数（R_a）不应低于90。对于辨色要求不高的场所，光源一般显色指数（R_a）不应低于80。

在上述国家标准中，文物的照明参数限值是以照度值、曝光量值、色温值、显色指数来呈现的。该标准已经十余年未曾更新，但目前的照明技术发展非常迅速，因此该标准存在下列问题：首先对于照度和曝光量，目前国家标准的分级体系较为粗糙，织绣品、绘画、纸质物品、彩绘陶（石）器、染色皮革、动物标本等文物类型的材料特点差别非常大，对光的吸收反射显著不同，均采用50lx的照度和50000lx·h/年的曝光量显然不能满足保护需求；第二对于色温，由于文物的光损伤机理是材料吸收了光源中的光谱能量而发生光化学反应，因此光源光谱是造成文物受损的核心，而色温仅是光谱的一种简便表征形式，由于不同材料对各个波段光谱的吸收反射特性差别很大，而同色异谱是光源（尤其是目前大量使用的LED光源）最主要的特点之一，因此仅使用色温对光源进行限制并不能实现文物的精确保护；第三对于显色指数，一般显色指数（R_a）在计算时所采用的色卡种类少，导致对于LED光源显色性评价的科学性不足，随着LED光源在绘画照明中的广泛应用，这一问题越发明显，因此仅使用R_a不能满足LED照明条件下的文物观赏要求。

因此，现有技术中亟需能够根据文物特点对光谱和照度进行智能化调控的LED照明系统，在满足视觉观赏要求基础上实现各类文物的最低照明损伤，为保存文物的原真性、避免或减小因不科学照明造成的文物信息遗失的技术方案。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了如下技术方案。

一种用于文物照明的智能照明系统，其特征是，包括：

最低损伤照明参数数据库，用于存储文物的损伤函数、材料信息和光谱信息；

终端处理器，根据输入的材料信息，通过所述损伤函数得到推荐照度值和推荐照射时间，再通过最小二乘法将得到的最低损伤谱和推荐照度值计算折合为照明芯片功率强度，生成照明芯片功率强度信号和推荐照射时间信号；

无线通讯模块，接收所述照明芯片功率强度信号和所述推荐照射时间信号，并将所述照明芯片功率强度信号和所述推荐照射时间信号发送给主控制器；

主控制器，用于将所述照明芯片功率强度信号和所述推荐照射时间信号处理为PWM信号，并将所述PWM信号传输到照明电路模块；

照明电路模块，用于将所述PWM信号通过光耦隔离NMOS管对每路光源进行单独控制；和

温湿度监测模块，用于在对采集的数据校验正确后，将温湿度数据发送给无线通讯模块，所述无线通讯模块再将所述温湿度数据传输到服务器后再发送到终端处理器中。

所述损伤函数为：

（1）

（2）

其中，n表示不同材料，α_n表示不同材料的占比；f_n(E, t)表示材料损伤度在照度E和时间t耦合作用下的变化规律；P_n(λ)表示材料损伤度在光源波长λ和时间t耦合作用下的变化规律；S(λ)为拟采用光源的相对光谱功率分布；S₀(λ)为等能白光D55标准光源的相对光谱功率分布，为固定值，详见图1实验一相关设置图中的光谱功率分布；D₀为基础损伤值，对于颜料和纸、绢类基材分别定义了固定值。用于消除因衡量标准不同而产生的损伤指标数量级差异，实现不同材料损伤的无量纲化比较。

所述照明电路模块包括LED灯珠和铝基板，所述LED灯珠焊接在所述铝基板，所述铝基板包含基层、绝缘层以及线路层：所述基层为铝质，并且所述基层通过硅酮导热胶将所述基板与外接散热器连接；线路层包括电路，所述电路的逻辑等同于PCB；绝缘层设置在所述基层与所述线路层之间，并与所述基层与所述线路层连接，以防止所述线路层短路。

所述最低损伤照明参数数据库包括光谱信息检索模块和材料信息检索模块，

所述光谱信息检索模块用于存储所述光谱信息，所述光谱信息包括每条光谱的SPD数据、色彩参数以及对每种材料的相对损伤值；

所述材料信息检索模块用于存储所述材料信息，所述材料信息包括每种材料的损伤函数及在不同色温挡下的最低损伤谱；

所述材料包括颜料和基材。

本申请还提供了以下的技术方案。

一种用于文物照明的智能照明系统的控制方法，包括以下步骤

确定输入文物的材料编号和占比，调用不同材料的损伤函数；

调用数据库中所有光谱的SPD数据，代入损伤函数中，计算所有光谱的相对损伤值，得到用于照明该文物的最低损伤谱，再代入损伤阈值得到推荐照度值和推荐照射时间，再通过最小二乘法将得到的最低损伤谱和推荐照度值计算折合为照明芯片功率强度，生成照明芯片功率强度信号和推荐照射时间信号；

接收所述照明芯片功率强度信号和所述推荐照射时间信号，并将所述照明芯片功率强度信号和所述推荐照射时间信号发送给主控制器；

主控制器将所述照明芯片功率强度信号和所述推荐照射时间信号处理为PWM信号，并将所述PWM信号传输到照明电路进行照明。

所述损伤函数为：

（1）

（2）

其中，n表示不同材料，α_n表示不同材料的占比；f_n(E, t)表示材料损伤度在照度E和时间t耦合作用下的变化规律；P_n(λ)表示材料损伤度在光源波长λ和时间t耦合作用下的变化规律；S(λ)为拟采用光源的相对光谱功率分布；S₀(λ)为等能白光D55标准光源的相对光谱功率分布，为固定值；D₀为基础损伤值，对于颜料和纸、绢类基材分别定义了固定值。用于消除因衡量标准不同而产生的损伤指标数量级差异，实现不同材料损伤的无量纲化比较。

所述材料包括颜料和基材。

本申请的技术方案与现有技术相比的有益效果是：

1.通过实验方法建立了完整的反映I、t、S(λ)、P(λ)四项参数耦合影响下的21种颜料和2种基材共计23种常用典型文物材料的损伤预测模型，补充了现有研究的不足，实现了多参量耦合下文物损伤的精确预测。

2.建立了满足展示要求的最低损伤谱数据库，该数据库储存了所有满足展示指标要求的光谱数据、23种材料的损伤规律数据以及23种材料在不同色温挡下的最低损伤谱，填补了文物照明最低损伤谱光谱数据库的空白，为新型光源系统的调控算法开发提供了核心依据。

3.建立了最佳匹配照明参数调控软件，该调控系统对于任意文物都可以计算其最佳的光谱、照度、时间等照明参数，并对调用的最佳照明参数向硬件系统进行转换和输出，为智能化LED系统的构建提供了关键控制算法。

4.构建了智能化LED照明系统，该系统可根据文物材料组成特点，智能化调用并输出光谱数据库中与之匹配的适宜光谱，同时对照度和时间进行智能化调控，并通过10通道LED输出，从而利用一套产品在满足观赏要求基础上实现各类文物的最低照明损伤。填补了用于博物馆照明环境的光谱可调光源的空白，从根本上解决了文物的照明问题。

附图说明

图1是本申请构建损伤预测模型的实验流程图。

图2 实验一和实验二的实验设置图。

图3 满足观赏要求的最低损伤照明参数数据库框架图。

图4最佳匹配照明参数调控软件的MATLAB GUI界面。

图5 最佳匹配照明参数调控软件的原理图。

图6 智能化LED硬件系统的原理图。

图7 LED照明系统的可视化界面。

图8 智能化LED系统硬件所用10窄带LED的SPD。

图9 智能化LED系统的内部构造照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行说明。

用于文物照明的智能照明系统包括：最低损伤照明参数数据库、终端处理器、无线通讯模块、主控制器和温湿度监测模块。

最低损伤照明参数数据库的构造具体如下。

图1示出了本申请的构建损伤预测模型的实验流程图。

通过光谱拟合原理，结合穷举法穷尽得到6¹⁰条谱，全面地考察了10单色光下所有的光谱组合形式。

采用了国内外综合展示指标体系进行科学组合来筛除不满足展示需求的光谱，包括：色温或相关色温；D_uv；R_a，R₉；R_f，R_g，R_cs,h1。通过全面的展示指标体系详尽地考察了光谱的展示效果。

该数据库储存了所有满足现有展示指标的谱的数据，包括每条谱对23种材料的相对损伤、谱的SPD以及谱的各项展示指标。

该数据库储存了23种材料的响应函数及不同色温挡下的最低损伤谱。

因此，该数据库储存了所有满足展示需求的光谱数据，23种材料的损伤规律数据以及23种材料在不同色温挡下的最低损伤谱，该项创新发明内容填补了文物照明最低损伤谱光谱数据库的空白，可以作为新型光源系统的核心。

终端处理器所配备的文物最佳匹配照明参数的调控算法，包括：

基于最低损伤照明参数数据库，通过MATLAB开发动态最低损伤谱的调控软件并配以可视化界面（GUI），界面清晰，操作方便。

馆方输入照明需求，参数包括：待照文物的材料信息（必选）；照度和展陈时间（可选）。该软件即可输出该材料及该照明参数下的最佳匹配光谱形式S(λ)、照度推荐值I以及照射时间推荐值t。

通过最小二乘法科学地匹配最低损伤照明参数：将最佳匹配光谱形式S(λ)和照度推荐值I折合为对应10种单色光相应的强度比例，照射时间推荐值t保留。

综合利用RSS残差平方和以及相关系数综合比较拟合光谱和目标光谱之间的差异性。

通过开发可视化界面（例如手机APP）实现了与智能化LED系统之间的数据交换以及远程调控。

因此，该调控算法可以根据真实文物的不同材料构成特点以及展陈方案在数据库中进行参数的匹配组合及调用，从而得到该条件下的最低损伤谱、照度推荐值以及照射时间推荐值，并通过控制算法程序对上述推荐值转换为硬件系统可读取的信息并通过APP对智能化LED系统远程调控，为研发新型光源系统奠定了基础。

用于文物照明的智能化LED系统，包括：

通过编写无线通讯模块配合MQTT协议，实现了APP和LED硬件系统之间的数据接收和数据发送。

采用Keilu Vision5 MDK软件进行STM32单片机程序开发，实现了从功率数据转换到PWM调光信号、读取DHT11模块的温湿度数据等功能。

输出的PWM信号经由光耦隔离NMOS管驱动电路，由LED模块里的10LED单色光芯片实现设定的功率输出并组合成目标光谱。

因此，只要将所得到的10LED功率强度输入手机APP中，就能通过WiFi信号在单片机中转化为PWM调光信号，并由光耦隔离NMOS管驱动电路控制每一路单色光LED的功率强度，从而获得了推荐照度值、推荐照射时间下的最低损伤光源，从而利用一套系统在保证观赏要求的基础上，实现了不同类型文物的最低照明损伤效果。

在全暗光学实验室的温湿度恒定照明实验箱中开展文物的光老化实验，实验分为两部分进行，图1示出了两个实验的路线图，图2示出了两个实验的实验设置图。

其中，采用综合参数来衡量颜料和纸绢的损伤：对于颜料，利用PR670测试其色彩参数以及反射光谱。首先通过色彩参数计算色差，其次对其反射光谱进行主成分分析得到其主成分得分值。通过色差和主成分得分值两项指标来表征颜料的损伤。对于宣纸和丝绢，用红外光谱仪（Bruker生产）测试其红外光谱。首先分别计算宣纸和丝绢的特征峰面积比（其中，以氧化指数OI_FTIR来评价宣纸中纤维素的羰基转化情况，以结晶度C_FTIR来评价丝绢中蛋白质的肽键断裂情况），其次对红外光谱进行主成分分析得到主成分得分值。通过特征峰面积比和主成分得分值两项指标来表征宣纸和丝绢的损伤。

对实验一结果进行数据分析得到照射强度E和照射时间t对损伤D的影响规律并建立模型f_n(E,t)（n=1，2，…，23，代表21种颜料和纸绢材料）。对实验二结果进行数据分析得到光源光谱功率分布S(λ)和材料光谱响应率P(λ)对损伤D的影响规律并建立模型f_n[S(λ),P(λ)]（n=1，2，…，23，代表21种颜料和纸绢材料）。通过数学方法将上述两个模型进行合并，得到在E、t、S(λ)、P(λ)四项参数耦合影响下的文物材料光照损伤计算模型，见公式（1）。由于颜料和基材的损伤指标不同，其量纲不同且数量级相差较大，为了将颜料和基材的损伤综合起来，采用了无量纲化处理，建立了文物整体光照损伤计算模型，见公式（2）。

（1）

（2）

在本实施例中，由于D55在可见光范围内的光谱功率分布较均匀，各波段比例较为接近，能最大限度消除光谱差异，因此被选作为基准光源，限定照度值为50 lx，照射时间为100 h，代入公式（1）计算获得各材料的损伤基准值D₀。其中，颜料的损伤基准值由21种中国传统文物典型颜料的损伤值求均值得到，详见表1。

表1

颜料	<![CDATA[基准D<sub>0(c)</sub>]]>	0.5287
			绢	<![CDATA[基准D<sub>0(p)</sub>]]>	0.1527
纸	<![CDATA[基准D<sub>0(s)</sub>]]>	0.0020

f_n(E, t)和P_n(λ)分别以1号材料藤黄（有机颜料），21号材料石墨（无机颜料）以及22号材料纸（基材）为例，见公式（3）-公式（8）。

（3）

（4）

（5）

（6）

（7）

（8）

通过损伤函数，将光源光谱功率分布函数S(λ)、拟采用的照射强度E和照射时间t、被照文物的材料信息n、α_n输入光损伤计算模型，得到在上述参数耦合作用下的文物的照明损伤度。

本实施例中，N=23，即1≤n≤23，其中1-21指代21种文物颜料的编号，n=22表示宣纸基材而n= 23表示丝绢基材。α_n取值根据文物材料的实际情况确定。

最低损伤照明参数数据库的构建：

1.光谱拟合

根据光谱拟合原理，10种不同波段的窄带光谱分别以0和10 W/m²为最小值和最大值，以2W/m²为强度步长，进行叠加，可穷举得到6¹⁰组光谱组合形式，拟合原理见公式。

（9）

式中 S为拟合光谱的相对光谱功率分布；Si为第i条窄带光谱的相对光谱功率分布；Vi为第i条窄带光谱的强度。

2. 筛除不满足展示需求的光谱

全新地采用了国内外综合展示指标体系进行科学组合来筛除不满足展示需求的光谱，包括：相关色温（2650K≤CCT≤4150K）；色偏差值（︱D_uv︱≤0.0054）；CIE CRI（R_a≥90且R₉≥50）；保真度（R_f≥70）；色域指标（R_g≥88，-12%≤R_cs,h1≤15%）。对6¹⁰组光谱计算上述指标并筛除不满足指标要求的光谱，共有448488条光谱满足视看要求。最后通过辐照度照度换算公式将得到的所有光谱的SPD都统一成200lx。

3. 数据库构建

以上述得到的448488条满足试看要求的光谱以及23种材料的“相对损伤-波长”的函数为基础建立数据库。如图3所示，数据库包括两个模块。

（1）模块一：光谱信息检索模块

对每条光谱，首先利用公式（1）计算每条谱对23种材料的相对损伤值；其次在模块一储存每条光谱的SPD数据、色彩参数以及对23种材料的相对损伤值，见表2。

表2 448488条谱的信息

（2）模块二：材料信息检索模块

对每种材料，首先找到不同色温区间下的最低损伤谱编号N。其次在模块二储存每种材料的损伤函数及不同色温区间下的最低损伤谱，见表3。

表3 23种材料的响应函数及不同色温区间下的最低损伤谱

照明系统的控制方法包括：

图6为硬件系统原理图，具体智能化LED照明硬件系统的工作流程如图6所示。终端处理器可以采用手机。图7为LED照明系统控制手机APP的界面。用户在手机APP上发布MATLAB软件中得到的10LED芯片的功率强度和推荐照射时间，通过WiFi信号由无线通讯模块接收并传输至主控制器，上述数据在主控制器被处理为PWM信号传输至LED照明电路模块，实现了推荐照度值、推荐照射时间下的最低损伤谱光源。

通过编写手机APP程序将最佳照明参数向硬件系统进行转换和输出：用户通过在手机APP搭载可视化界面，发布10LED芯片的功率强度来调控智能化LED系统进行最佳照明，还可以接收来自硬件系统温湿度传感器的温湿度数据。

最低损伤照明参数数据库用于存储文物的损伤函数、材料信息和光谱信息；材料信息包括每种材料的损伤函数及在不同色温挡下的最低损伤谱；光谱信息包括每条光谱的SPD数据、色彩参数以及对每种材料的相对损伤值。

终端处理器根据所述材料信息和所述光谱信息，通过所述损伤函数得到推荐照度值和推荐照射时间，再通过最小二乘法将得到的最低损伤谱和推荐照度值计算折合为照明芯片功率强度，生成照明芯片功率强度信号和推荐照射时间信号。

具体地，首先基于最低损伤照明参数数据库得到的光谱数据库，在MATLAB中开发最佳匹配照明参数调控软件并配以可视化界面（GUI）, 软件界面见图4所示。具体软件原理如图5所示：用户输入照明需求，参数包括待照文物的材料信息（必选）、照度和展陈时间（可选）。最佳匹配照明参数调控软件会依据公式（1）（2）计算所有448488条光谱对输入文物的损伤值，并给出对该输入文物损伤最低的光谱S(λ)。再将S(λ)和损伤阈值代入公式（1）（2），得到照射强度推荐值E和照射时间推荐值t。

最后通过最小二乘法将得到的最低损伤光S(λ)和照度射强推荐值E计算折合为硬件系统10LED芯片的功率强度。

温湿度监测模块，用于在对采集的数据校验正确后，将温湿度数据发送给无线通讯模块，所述无线通讯模块再将所述温湿度数据传输到服务器后再发送到终端处理器中。温湿度测量模块通过数据输出端口与单片机进行数据传输。在对采集的数据校验正确后启动温湿度数据转化程序发送给WiFi通讯模块，WiFi通讯模块再将数据传输到服务器后发送到安卓APP当中。

无线通讯模块，接收所述照明芯片功率强度信号和所述推荐照射时间信号，并将所述照明芯片功率强度信号和所述推荐照射时间信号发送给主控制器。本实施例中，无线通讯模块具体为WiFi通讯模块。WiFi通讯模块与安卓APP之间采用MQTT协议进行传输数据，利用MQTT服务器作为中转站， WiFi通讯模块与安卓APP通过设定的服务器公网IP和端口进行连接，实现数据之间的交互。WiFi模块与单片机是通过UART2串口进行数据的传输，传输方式为单比特串行。在本发明中采用了ESP8266Wi-Fi模块作为通讯模块，STM32F103C8T6作为主控制电路，DHT11传感器来记录温湿度。LED照明电路模块的驱动电路采用光耦隔离NMOS管驱动电路。

通过此模块可以实现安卓APP对于单片机的控制指令的实现，控制指令包含了10路LED光源的PWM空占比，同时单片机对于接收到的温湿度数据也可以呈现在安卓APP。

主控制器，用于将所述照明芯片功率强度信号和所述推荐照射时间信号处理为PWM信号，并将所述PWM信号传输到照明电路模块。

主控制器电路采用Keil uVision5 MDK软件进行单片机程序开发。包括：

采用PWM（脉冲宽度调制）来实现多通道LED的精确调光。在STM32单片机接收到手机上传到服务器的占空比数据后，根据驱动电路的设计，100%占空比对应LED实现最大功率。通过后续的安卓APP控制界面的滑轮就可以实现LED亮度的调节，滑轮从左至右分别对应0%-100%。通过单片机内置的16位定时器进行软件编译来完成定时、PWM输出的功能。根据下列公式可得到PWM的频率f以及占空比DC，式中f_0为系统时钟，div为触发脉冲的时钟周期。

（10）

（11）

STM32单片机通过数据输出端口与温湿度模块进行数据传输。在对采集的数据校验正确后启动温湿度数据转化程序发送给WiFi通讯模块，WiFi通讯模块再将数据传输到服务器后发送到可视化界面当中。

照明电路模块用于将所述PWM信号通过光耦隔离NMOS管对每路光源进行单独控制。图8为该智能化照明系统所用LED的SPD。本模块搭载了10颗1W窄带LED光源，组装成16cm铝基板的LED灯组，实物见图9。采用并联的方式将10个LED连接在一起，排布方式采用矩形排布，保证均匀性。10种LED每个光源的驱动电流在0~350mA，正向电压约2~3V（不同波长正向电压略有不同），以光耦隔离NMOS管作为驱动电路，主控制芯片输出的PWM信号通过光耦隔离NMOS管实现每路光源的单独控制。在电源供电中输入相应的电源电压，通过PWM调节平均电流实现不同光源的强度变化。通过此模块能够实现高精度调光以满足特定光谱的需求。

为了防止LED的温度影响文物温湿度环境以及保证LED的光谱稳定性，将LED灯珠焊接在铝基板上进行散热。LED铝基板包含基层、绝缘层以及线路层：基层为铝质、与外接散热器连接，起到导热作用，通过硅酮导热胶将铝板与基层连接在一起；绝缘层为基层与线路层的连接层，防止线路层短路；线路层主要有电路逻辑等同于PCB的线路层。

图9为智能化照明系统硬件的内部构造照片。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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。

参考文献：

[1]宋向阳. 基于光敏感文物基材与胶体损伤的博物馆展陈照明指标研究[D].天津大学，2019。

[2]张锋辉. 基于光敏感文物色彩损伤评价的博物馆展陈照明指标研究[D].天津大学，2019。

[3]王楠. 基于显色性能和色彩保护的中国脆弱文物照明LED光谱优化[D].天津大学，2019。

[4]胡章捷. LED智能照明系统的研究与设计[D].湖北工业大学，2018。

Claims

1.一种用于文物照明的智能照明系统，其特征是，包括：

2.根据权利要求1所述的用于文物照明的智能照明系统，其特征是，所述损伤函数为：

（1）

（2）

其中，n表示不同材料，α_n表示不同材料的占比；f_n(E, t)表示材料损伤度在照度E和时间t耦合作用下的变化规律；P_n(λ)表示材料损伤度在光源波长λ和时间t耦合作用下的变化规律；S(λ)为拟采用光源的相对光谱功率分布；S₀(λ)为等能白光D55标准光源的相对光谱功率分布，为固定值；D₀为基础损伤值，对于颜料和纸、绢类基材分别定义了固定值；

用于消除因衡量标准不同而产生的损伤指标数量级差异，实现不同材料损伤的无量纲化比较。

3.根据权利要求1所述的用于文物照明的智能照明系统，其特征是，所述照明电路模块包括LED灯珠和铝基板，所述LED灯珠焊接在所述铝基板，所述铝基板包含基层、绝缘层以及线路层：所述基层为铝质，并且所述基层通过硅酮导热胶将所述基板与外接散热器连接；线路层包括电路，所述电路的逻辑等同于PCB；绝缘层设置在所述基层与所述线路层之间，并与所述基层与所述线路层连接，以防止所述线路层短路。

4.根据权利要求1所述的用于文物照明的智能照明系统，其特征是，所述最低损伤照明参数数据库包括光谱信息检索模块和材料信息检索模块，

所述材料包括颜料和基材。

5.一种用于文物照明的智能照明系统的控制方法，其特征是，包括以下步骤

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述损伤函数为：

（1）

（2）

其中，n表示不同材料，αn表示不同材料的占比；f_n(E, t)表示材料损伤度在照度E和时间t耦合作用下的变化规律；P_n(λ)表示材料损伤度在光源波长λ和时间t耦合作用下的变化规律；S(λ)为拟采用光源的相对光谱功率分布；S₀(λ)为等能白光D55标准光源的相对光谱功率分布，为固定值；D₀为基础损伤值，对于颜料和纸、绢类基材分别定义了固定值；

7.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述照明电路模块包括LED灯珠和铝基板，所述LED灯珠焊接在所述铝基板，所述铝基板包含基层、绝缘层以及线路层：所述基层为铝质，并且所述基层通过硅酮导热胶将所述基板与外接散热器连接；线路层包括电路，所述电路的逻辑等同于PCB；绝缘层设置在所述基层与所述线路层之间，并与所述基层与所述线路层连接，以防止所述线路层短路。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述材料包括颜料和基材。