基于非视觉光生物效应的智能LED照明系统的制作方法

本实用新型涉及LED智能调光系统，尤其涉及一种基于非视觉光生物效应的智能LED照明系统。

背景技术：

随着照明技术的发展，健康节能的智能照明已经成为一大趋势，近年来非视觉生物效应研究表明光照不仅会产生视觉效应，还会引起某些非视觉效应，人的多项生理参数均呈昼夜节律变化，照明光可以影响人的疲劳度、工作和学习效率等。人们在设计照明系统时不仅应该考虑其视觉功效，更应该考虑其对人体健康的影响。不同的人群需要不同的光照环境，同时人们在不同的生活环境、不同的时间段中也需要不同的光照，而我们现在所用到的照明灯几乎都是恒定照度和色温，少数可调灯具也只能间断地调节几种固定的模式，少见有考虑到光生物效应和能满足个性化需求的照明设计。

目前光生物效应的研究日渐受到业界重视，各种基于褪黑素、皮质醇、血压、体温等参数的模型相继被提出，但始终没有一个公认的评价模型；同时每个人都有个体参数差异，对光照需求也有一定的差别。有研究表明人体对光照的主观感受能在一定程度上反映光生物效应的影响，因此，从主观感受出发基于光生物效应模型构建微调系统，能使调光系统更加科学、更加符合人们的差异化需求，而建立在微调系统数据上的数据分析与挖掘，能有效地建立针对某个群体或个体的最佳舒适度照明模式。

智能化是当今电气设备发展的主流方向，如何让照明设备在现有的基础上更加符合人们的健康照明需要，是照明领域的一个重要发展反向。当前照明技术已经进入半自动化时期，但基于非视觉生物效应的智能化调节还远未实现。影响人体生理状态的因素很多，如自然光、室温、季节、人体活动等，而目前设计的照明系统很少考虑到这些因素，所以有必要去设计一种可以智能识别环境因素并进行自适应调光的智能调光系统，该调光系统通过多路传感器及控制器与家具设备互联采集外部信息，经系统分析与模式识别，判断用户的活动状态，并以此为依据来进行调光。

目前主流的调光方式主要有可控硅调光、模拟调光、PWM调光等，在LED可调光系统领域，PWM调光应用得比较广泛。PWM调光原理大致为对单一光源通过改变一个PWM信号计数周期有效电平的占空比来控制光源的亮度，对多色光源通过改变各种色光的比例来调节光源总体色温。然而，现阶段PWM调光还不成熟，应用场合也比较有限，市场还有待开发，首要原因是利用普通PWM调光在调节色温及照度的过程中二者会相互影响，不能有效分离对二者的调节控制。单通道照度调节过程中电流的频繁通断以及多通道色温调节过程引起的电流幅度多级跳变，容易导致电源驱动单元的损坏，大规模使用时供电主干电流会产生高次谐波污染，对电网极为有害。同时，PWM调光过程中，二极管的连续开关容易引起高频噪声，LED灯的连续亮灭会引起光源的频闪现象，虽然人眼无法察觉灯光的高频闪烁，但长久积累对视力也会有很大损伤。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种基于非视觉光生物效应的智能LED照明系统，综合考虑不同人群在不同生活模式，不同时间和环境因素下的照明需求，利用一种高精度调光方式实现对光源的动态调节，并利用基于深度学习的反馈调节实现满足个体差异化需求的照明系统。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种基于非视觉光生物效应的智能LED照明系统，包括：调光系统服务器、WIFI单元、用于控制调节整个照明子系统的系统控制单元、用于处理LED照明系统的各种参数信息的多路传感器模块、桌面控制台、用于驱动LED灯并对其进行调光控制的调光驱动电路单元和LED灯，所述调光系统服务器通过WIFI单元与系统控制单元进行通信连接，所述多路传感器模块、桌面控制台均通过ZigBee无线网络与系统控制单元连接，所述LED灯通过调光驱动电路单元与系统控制单元连接；

其中，所述调光系统服务器用于建立基于光生物效应研究的调光模型，存储和分析来自各个系统控制单元的调光数据，利用机器学习算法建立符合个体差异的照明模型，配置和优化各个控制系统。

进一步地，所述系统控制单元采用STM32主控制器，所述STM32主控制器包括分频器单元、实时时钟单元、定时器单元和PWM信号发生器单元。

进一步地，所述多路传感器模块包括光照度传感器、温度传感器、红外人体感应传感器、视图像传感器和用于进行语音控制的语音输入输出模块。

进一步地，所述桌面控制台包括：用于显示光照参数并提供人机交互界面的显示器，以及用于监测工作面光照参数的光参数监测器。

进一步地，所述调光驱动电路包括通道选择电路和LED驱动电路，所述LED灯包括至少三路色光LED灯，所述通道选择电路包括与门芯片，所述与门芯片连接三路色光LED灯；所述LED驱动电路包括整流桥电路和DC-DC降压恒流单元，DC-DC降压恒流单元连接整流桥电路与三路色光LED灯，所述DC-DC降压恒流单元用于将电压降低至合适值并为LED灯提供稳定的直流驱动；所述整流桥电路连接外部电路，用于将交流电转换为直流电。

采用上述技术方案后，本实用新型至少具有如下有益效果：

（1）本实用新型以人体健康为出发点，兼顾考虑LED照明的视觉效应和非视觉效应，提供了一种基于非视觉光生物效应的LED智能照明系统，并根据不同人群、不同时间、不同环境的照明需求，设计了一种具有自适应功能的智能调光控制系统；

（2）本实用新型提供一种混合PWM调光与模拟调光的新型调光方法，在调节光源照度和色温时，能够保证二者相对独立，实现对光源的准确调节。同时，该方法能够解决PWM调光过程中的高频噪声问题和频闪问题，有效防止PWM调光大规模使用过程中，驱动电流产生的高次谐波污染对电网的危害；

（3）本实用新型提供一种基于云端调光系统服务器的数据分析与挖掘方法，在现有光生物效应评价模型及光谱响应函数的基础上，利用统计模式识别法，综合计算出一个标准化的光生物效应调光模型，能有效解决现阶段光生物评价模型不一的问题。同时，主控制器在用户长期照明过程中采集用户微调数据并发送至服务器，机器学习系统利用决策树算法和SVM算法研究用户个体差异，并据此制定满足不同人群需求的差异化照明模式；

（4）本实用新型提供的智能照明系统将主调光系统设置在服务器端，STM32主控制器系统为中间调光系统，这样能大大减少用户端设备成本和复杂度，丰富调光系统功能，使用户利用相对简洁的调光系统获得节能高效的智能照明服务。同时，主调光系统设置在调光系统服务器端有利于系统的更新维护，将STM32主控制器接入以太网便能获取最新的调光模型，并对控制器系统进行功能扩展和优化升级。

附图说明

图1为本实用新型基于非视觉光生物效应的LED智能照明系统的结构方框示意图；

图2为本实用新型基于非视觉光生物效应的LED智能照明系统的调光驱动单元的结构图；

图3为本实用新型基于非视觉光生物效应的LED智能照明系统的三路PWM信号控制图；

图4.1、图4.2为普通PWM调光与本实用新型在驱动电流幅值和光照度幅值上的对比示意图；

图5为本实用新型基于非视觉光生物效应的智能LED照明系统的控制方法实现结构图；

图6.1、图6.2为本实用新型基于的光谱响应函数模型和人眼对可见光响应函数模型图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

本实用新型提供一种基于非视觉光生物效应的智能LED照明系统，如图1所示，包括调光系统服务器、STM32主控制器、WIFI单元、多路传感器模块、桌面控制台、调光驱动电路和LED灯，其中STM32主控制器通过WIFI单元连接调光系统服务器，多路传感器模块和桌面控制台与STM32主控制器直接相连，LED灯通过调光驱动电路与STM32主控制器连。LED灯包括至少三路色光LED灯，三路色光LED灯光谱覆盖全部可见光光谱，并且光谱分布相对均匀，它们的驱动电压基本相同，三路色光LED灯外置大小不同的电阻，保证在相同驱动电压下，三种LED灯照度基本相同。调光驱动电路单元用于驱动LED灯并对其进行调光控制，如通过改变驱动电路PWM信号脉宽进行色温调节，通过改变驱动电路电流进行照度调节，通过改变多路色温灯具控制信号调整光谱分布，达到对显色性的调节。

本系统的多路传感器模块包括光照度传感器、温度传感器、红外人体感应传感器、视图像传感器和语音输入输出模块等，多路传感器模块通过有线或ZigBee无线网络连接STM32主控制器；光照度传感器用于采集周围光环境参数，温度传感器用于采集周围环境温度，红外人体传感器用于监测人体位置，视图像传感器用于人物识别和人物活动识别，语音输入输出模块用于进行语音控制。

如图2所示，本实用新型的一种混合PWM调光与模拟调光的新型调光电路图，STM32主控制器通过三个同步定时器产生三路PWM信号，三路PWM信号有效电平在一个计数周期分时复用，通过与门芯片连接三路PWM信号与LED驱动电路，便能达到三路色光LED灯分时亮灭。通过STM32主控制器改变三路PWM信号脉宽比例调节光源色温，通过STM32主控制器控制LED驱动电路电流大小来调节光源照度。

图3所示为本实用新型的三路PWM信号控制图，定时器设定为向上计数模式，并取参数Ccr1与Ccr2，当计数器值在0到Ccr1之间时，通道二输出高电平；当计数器值在Ccr1到Ccr2之间时，通道一输出高电平；当计数器值在Ccr2到Arr之间时，通道三输出高电平，如此形成三路在一个计数周期分时取高电平的PWM信号。

如图4.1与4.2所示，为本实用新型与普通PWM调光在驱动电流幅值和光照度幅值上的对比示意图。图4.1中，普通PWM调光三路PWM信号相互叠加，导致驱动电流相互叠加，光源照度也会相互叠加，如此便会引起驱动电路总电流的多级跳变，光源照度也会发生多级跳变。而图4.1中，本实用新型的一种混合PWM调光与模拟调光的新型调光电路使三路PWM信号分时复用，并分离了LED驱动电路与PWM控制信号，能够保证驱动电流总体稳定与光源照度的基本恒定。同时，普通PWM调光无法有效分离对光源照度与色温的调节，通过增加某一种色光PWM波脉冲宽度来对色温进行调节的同时，不可避免的增加了光源照度。而本实用新型的一种混合PWM调光与模拟调光的新型调光电路能够独立的调节光源照度及色温，使控制单元能够通过调节三路PWM信号在一个周期内的占比来调节色温，通过调节驱动电路的电流来调节光源照度，实现二者的分离控制。

下面是几种常见调光方式的特性比较表：

如图5所示，为基于调光系统服务器主调光系统功能实现结构图。STM32主控制器一方面负责处理由多路传感器采集到的信号，并对整个系统进行调节控制；另一方面监测用户调光数据，并发送至调光系统服务器进行分类存储。其中STM32主控制器是搭载意法半导体公司的STM32F4系列芯片来实现的，STM32主控制器部分的设计思路是：通过嵌入UCOSIII作为基本的操作系统，并搭载LWIP轻型TCP/IP协议栈以支持以太网通信。调光系统服务器采用Windows Server 2012的Hyper-V作为服务器基本平台运行多个服务器系统，主要包括数据库服务器，深度学习服务器。其中数据库服务器为客户应用提供服务，深度学习服务器，所用算法主要包括统计模式识别法，决策树算法，SVM算法。STM32主控制器通过WIFI与调光系统服务器相连，多路传感器模块通过ZigBee无线通信方式与STM32主控制器相连。STM32主控制器在智能调控整个照明系统的同时，定时将采集到的用户调光数据传送到调光系统服务器，调光系统服务器进行存储，此外机器学习系统利用决策树算法和SVM算法研究用户个体差异照明，并根据其制定符合个体差异化的照明调光模型。

调光系统服务器包含数据存储中心、数据分析与挖掘中心，其中数据分析挖掘中心在现有光生物效应评价模型及光谱响应函数基础上，利用统计模式识别法算法，综合计算出一个标准的光生物效应调光模型。

其中评价模型主要包括：

（1）光生物效应强弱的节律因子模型（acv模型）

（2）不同年龄人眼的节律因子模型（K_C(N)模型）

（3）褪黑激素的抑制程度模型（CL_A模型）

光谱响应函数如图6.1-6.2所示，主要包括人眼明视觉光谱响应曲线、暗视觉光谱响应曲线、非视觉光谱响应曲线、蓝光危害曲线模型等。

本实用新型还提供了一种基于非视觉光生物效应的LED智能照明控制方法，所述方法包括以下步骤：

（1）用户通过向STM32主控制系统设置时间特性、人群特性、区域特性等特性参数，初始化STM32主控制系统，如1号控制路线设置为书房，主要照明人群设置为中学生。

（2）STM32主控制器通过多路传感器采集光信号、温度信号、人体位置信号、语音信号等，进一步设置不同光照环境、不同室温、不同人群、不同区域、不同用户要求下的各种光照模式。

（3）通过光参数监测器实时采集工作面光照参数并发送至主控制器，主控制器在此基础上进行校准与反馈；同时用户在系统预设的不同模式光照下进行手动微调，以达到最契合个体的生活或工作光照环境。

（4）STM32主控制系统在长期的工作过程中定时采集用户调光数据，并发送到调光系统服务器。调光系统服务器进行存储、分析、综合改进光照模型并反馈给用户主控制系统，进行系统优化及更新。长期监控分析用户开关灯时间可以让系统自适应用户作息时间，并在恰当的时间替用户完成开关灯的操作等，系统通过跟踪分析用户的微调数据可以逐步确定其最佳舒适度照明模式，为用户提供契合个体的光照环境。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同范围限定。