《武汉工程大学学报》 2015年10期
61-66
出版日期：2015-10-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
基于综合参数调控的ＬＥＤ智能照明系统
０ 引 言ＬＥＤ照明具有环保、节能等特性，是新一代绿色照明光源，已得到越来越广泛的应用，而ＬＥＤ智能照明系统已被应用于酒店、办公楼、学校等各种场所，智能照明系统需要根据环境变化进行自适应控制，在人群集中，且长时间工作场所，对视觉行为、视觉舒适、视觉环境有着较高的要求，不合理的照明设计可能会造成健康损伤［１］. 目前的智能照明在控制方面还存在独立性与盲目性的不足. 在光强、色温、照度调节乃至照明颜色等方面不能根据实际需求实时合理地调控. 为了弥补这一不足，本文设计了一种采用照度等多参数检测方案，实时反馈场景的相关联区域照明状态，作出及时判断并调整的新型智能照明系统. 在实现各个场景模式智能切换的同时，灯光控制方面也实现了根据具体需求，有目的性地准确控制，提高照明系统智能化程度. 并以多媒体会议室为例，通过分析光源分布、照明需求，对场景进行照度检测与照明控制，验证了系统的合理性［２－３］. １ 多参数检测方案设计根据照明功能要求，确定各区域照明具体参数，通过人体红外传感器以及投影仪信号进行照明模式智能切换，然后通过照度传感器反馈，系统调整控制信号，达到相应照明要求. １．１ 照明实例以多媒体会议室照明为例，会议室长宽分别为９ ｍ和４ ｍ，层高为３．２ ｍ，布置有６个５０ Ｗ ＬＥＤ泛光灯，单光光源通量为：４ ０００ ｌｍ，以及一个３０ Ｗ ＬＥＤ射灯，安装高度均为３ ｍ，桌面距离地面０．７５ ｍ，光源距离桌面２．２５ ｍ. 多媒体会议室灯光分布如图１所示，照明功率密度为１０ Ｗ/ｍ２，平均照度３００ ｌｘ，符合国家建筑照明设计标准［４］的要求. 多媒体会议室分为4个照明区域，区域Ⅰ为靠近窗户会场区域，区域Ⅱ为远离窗户会场区域，均采用泛光灯均匀照明，区域Ⅲ为演示台区域，采用射灯进行局部照明，区域Ⅳ为投影仪区域，不需要照明，但会检测投影仪亮度. 在控制的过程中，将对不同区域的照明要求进行区别控制，使各区域均达到各自预想的照明环境. 图１ 会议室灯光分布图Ｆｉｇ．１ Ｌｉｇｈｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｅｔｉｎｇ ｒｏｏｍ１．２ 照度检测照明需求可分为三类：（１）低照度照明. 在演示模式中，会议室应采取低照度照明方式以配合投影仪演示，为了同时满足会议桌上的阅读要求，可设置为最低阅读照度要求为７５ ｌｘ. （２）中等照度照明. 在讨论模式中，会议室的亮度应该提高至会议室照度标准值，即２００ ｌｘ，以满足讨论、记录等活动的照明需求. （３）高照度照明. 在进退场时，为了方便安排、签到，会议室照度应该尽可能达到最亮，根据照明条件设定为３００ ｌｘ［５］. 进行室内照明时，应同时计入照明器直射照度与墙面反射照度. 平面的闭合空间，光源Ｓ与墙面ＡＪ与工作表面ＡＫ上微元面ｄＡＪ、ｄＡＫ所在位置关系如图２所示. 图２ 墙面与工作表面关系示意图Ｆｉｇ．２ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｍｅｔｏｐｅ ａｎｄ ｗｏｒｋ ｓｕｒｆａｃｅ 根据照度定义与光通传递理论，可推导出当空间内存在人工照明，并且光源位置固定时，任意两点的照度均成比例关系，ＡＪ与ＡＫ面上照度传递比Ｋ不会随着光源照度的变化而变化［６］. 根据这一模型，可以通过照度传感器测量墙面传感器照度变化量ΔＥＫ，对工作表面照度变化量ΔＥＪ进行推算，然后对ＬＥＤ光源进行相应调整，使工作表面照度达到预期值，实现对照明的准确控制. 照度变化推算公式为： Ｋ＝■＝■ （１）式（１）中：Ｋ为理想传递比；Ｅｋ为墙壁表面照度，ｌｘ；ＥＪ为工作表面照度，ｌｘ；η为误差范围；Ｅ１为配光曲线ｄＡＪ方向照度，ｌｘ；Ｅ２为配光曲线ｄＡＫ方向照度，ｌｘ；ｒｘ为光源与传感器水平距离，ｍ；ｒｙ为光源与传感器垂直距离，ｍ；ｈ为光源安装高度，ｍ. 影响Ｋ值的主要因素为：照度传感器设置高度与相对光源的水平距离. 如图１所示，三个照度传感器分别安装在墙上，检测区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ照度变化. 为防止人员对传感器进行干扰，应安装在墙上较高的位置，距离地面２ ｍ，根据会议室灯光分布图，距离最近光源水平距离１．２ ｍ. 可取传递比Ｋ＝０．３４. 根据计算，低照度照明、中等照度照明、高照度照明时照度传感器参考值分别为２５．５ ｌｘ、６８ ｌｘ、１０２ ｌｘ. 因为１０ ｌｘ的变化对人眼并不会有明显影响，取误差范围为１０％，得到参考区间分别为２３~２８ ｌｘ，６２~７４ ｌｘ，９２ ｌｘ以上. 在相应模式下，若照度传感器反馈值在参考区间内，便可认为已达到照度要求，无需进一步调控［７］.１．３ 系统流程根据一般会议流程，可将照明分为以下几种模式：进退场模式、演示模式、讨论模式、休息模式、关灯模式. 随会议流程安排，操作模式流程如下：（１）进退场时，通过控制面板开启进退场模式，会议室区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均为高亮照度模式. １、２、３号传感器参考范围为９２ ｌｘ以上. （２）当投影仪开启并在人体红外传感器检测到人体时，系统通过控制面板自动启动演示模式. 演示模式除了调光模式之外，会有定时限制，时间快结束时会对演示者进行提醒. 区域Ⅰ、Ⅱ为低照度模式，光照条件可以实现基本阅读，１、２号传感器参考范围为２３~２８ ｌｘ，区域Ⅲ为中照度模式，３号传感器参考范围为６２~７４ ｌｘ. 当ＬＥＤ控制信号为０依然达高于照度要求时，电动窗帘关闭. 演示结束后，可通过控制面板切换为讨论模式，也可以在定时结束时自动切换为讨论模式. （３）讨论时，区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均为中等照明模式. １、２、３号传感器参考范围为６２~７４ ｌｘ. （４）当投影仪关闭时，控制面板调整为休息模式. 休息完毕后可通过控制面板开始演示模式. 区域Ⅲ低照度照明，区域Ⅰ、Ⅱ中等照度模式. ３号传感器参考范围为２３~２８ ｌｘ，１、２号传感器的参考范围为６２~７４ ｌｘ. （５）手动切换关灯模式时，所有区域ＬＥＤ灯关闭. 系统控制流程图如图３所示.图３ 系统控制流程图Ｆｉｇ．３ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌ１．４ 控制仿真结果根据系统中各光源位置与亮度关系，利用ＤＩＡＬｕｘ仿真软件，对工作平面照度分布进行了仿真. 根据灯具设计参数对照明功率密度与平均照度的推算，进退场时可以满足照度要求，同时关灯模式也不需要对照明进行仿真计算. 所以，主要针对演示模式、讨论模式、休息模式进行建模仿真. 仿真结果如图４所示. 演示模式中，各个工作区域照度如图4所示. 横纵坐标代表场景长、宽尺寸，色阶深度代表对应照度范围. 根据调控区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的ＬＥＤ回路控制信号占空比分别为２０％、２０％、７０％，平均照度为７５．６ ｌｘ、７０．２ ｌｘ、２２１．５ ｌｘ. 讨论模式中，控区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的ＬＥＤ回路控制信号占空比分别为４０％、４０％、５０％，平均照度为２１０．７ ｌｘ、１９４．３ ｌｘ、３１２．３ ｌｘ. 休息模式中，控区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的ＬＥＤ回路控制信号占空比分别为６０％、６０％、１０％，平均照度为２５６．９ ｌｘ、２８６．７ ｌｘ、１４２．１ ｌｘ. 在各个模式下，区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ工作表面照度均在误差范围之内. 根据仿真结果显示，在各模式下，智能照明控制系统到达了对场景内各区域的照明设计要求.工作表面照度/lx图４ 室内工作面灰阶等照度图Ｆｉｇ．４ Ｇｒａｙ－ｓｃａｌｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｎ ｗｏｒｋ ｓｕｒｆａｃｅ２ 系统结构根据多参数调控智能照明系统的要求，照明模式将通过智能方式进行切换，在不同模式下，各个区域的照明程度在照度传感器反馈后进行比较调整. ２．１ 硬件结构智能照明系统由逻辑编程器件（ＦＰＧＡ）、控制面板、照度传感器、ＬＥＤ照明回路组成，系统结构如图５所示. 图５ 系统结构Ｆｉｇ．５ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ控制面板主要功能为显示当前模式状态与模式手动切换控制. ＦＰＧＡ作为系统控制核心部件，综合控制面板指令信号、传感器反馈信号、自身时钟信号对照明模式进行智能切换，并依照模式设定确定各个照明区域应该达到的照度参数范围，同时读取对应照度传感器数据，与期望参数范围进行对比，然后改变控制ＬＥＤ照明回路的ＰＷＭ信号，使相应区域达到应有的照明要求. ２．２ 控制模块控制模块主要功能为接收控制面板以及传感器信号后，输出对应ＰＷＭ信号对各个区域ＬＥＤ照明设备进行控制. ＦＰＧＡ智能控制模块示意图如图６所示. 图６ 控制模块示意图Ｆｉｇ．６ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｕｌｅ 把模块封装成为硬件模块电路进行连接，连接方式如图７所示. 图７ 电路模块连接图Ｆｉｇ．７ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｏｄｕｌｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ 在接收到控制面板的控制信号后，选择调用相应的参考范围模块：ｂｅｇｉｎ ｃａｓｅ（Ｄａｔａ［２３：１６］）//识别控制面板发出接收信号８＇ｂ０１０００１０１：ｃｈａｎｎｅｌ＜＝２＇ｂ０００；//选择不同模式……ｄｅｆａｕｌｔ：；ｅｎｄｃａｓｅｃａｓｅ（ｃｈａｎｎｅｌ）//根据选择模式调用参考范围写入模块２＇ｂ０００：ｂｅｇｉｎ Ｄ１＜＝１＇ｂ１；Ｄ２＜＝１＇ｂ０；Ｄ３＜＝１＇ｂ０；ｅｎｄ……ｄｅｆａｕｌｔ：；ｅｎｄｃａｓｅ ｅｎｄ在确定参考范围后，与照度传感器信号进行对比，如果高于传感器信号，则增加ＰＷＭ占空比输出，如果低于则减少，如果在范围内则不做出调整.ａｌｗａｙｓ＠（ｎｅｇｅｄｇｅ ｒｓｔ ｏｒ ｐｏｓｅｄｇｅ ｃｌｋ）//时钟上沿触发模块ｉｆ（ｓｉｇｎ＞ｍａｘ） ｐｗｍ＜＝ｐｗｍ－１；//高于范围，ＰＷＭ占空比减小一档ｅｌｓｅ ｉｆ（ｓｉｇｎ＜ｍｉｎ） ｐｗｍ＜＝ｐｗｍ＋１；//低于范围，ＰＷＭ占空比增加一档根据ＰＷＭ输出指令来调用相对应占空比的ＰＷＭ输出模块ＰＷＭｏｕｔ ＬＥＤｏｕｔ１（．……，．ｐｗｍ（ｐｗｍ１），．ｐｗｍｏｕｔ（ｌｅｄｏｕｔ１））；ＰＷＭｏｕｔ ＬＥＤｏｕｔ２（．……，．ｐｗｍ（ｐｗｍ２），．ｐｗｍｏｕｔ（ｌｅｄｏｕｔ２））；//调用ＰＷＭ信号产生模块 ……３ 结 语与原有的智能照明系统相比，设计的ＬＥＤ智能照明系统实现了基于照度检测的照明控制，仿真结果理想，并在实际的场景应用中实现了照明要求，得到了良好的照明效果. 对于不同环境的智能控制，该系统可以通过不同环境的ＬＥＤ光源分布与照明需求灵活地调整，达到所需的智能照明控制要求.