LED光譜色溫可調(diào)照明系統(tǒng)及其優(yōu)化算法研究

倪凱凱，沈海平，江 磊，林澤文，朱雪菘，劉木清

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200433)

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LED光譜色溫可調(diào)照明系統(tǒng)及其優(yōu)化算法研究

倪凱凱，沈海平，江 磊，林澤文，朱雪菘，劉木清

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200433)

利用多種單色LED的混光，通過(guò)自主研發(fā)的Zigbee控制系統(tǒng)在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)光譜色溫可調(diào)照明系統(tǒng)?；趩紊獿ED的實(shí)測(cè)參數(shù),借助迭代程序的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)Zigbee智能控制給各單色LED施加相應(yīng)的電流，最終實(shí)現(xiàn)光通量和顯色性可控、色溫可調(diào)(2700～6400K)的室內(nèi)照明。開(kāi)展了基于光通量最高或顯色指數(shù)最高為目標(biāo)的光譜匹配算法研究及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明工作面照度均大于200lx，照度均勻度大于0.85，色溫均勻度大于0.9，滿足科學(xué)實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)辦公的需求。

LED；光通量；一般顯色指數(shù)；Zigbee

引言

近年來(lái)，LED憑借高光效、長(zhǎng)壽命、易控制等諸多特點(diǎn)，在道路照明中已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用[1]，在室內(nèi)照明領(lǐng)域也具備很大的應(yīng)用前景[2,3]。在LED發(fā)光效率達(dá)到一定水平時(shí)，LED通過(guò)智能控制既可實(shí)現(xiàn)色溫可調(diào)，又可實(shí)現(xiàn)光通量和顯色性可控[4]，人們根據(jù)心情選擇最佳的氣氛照明，極大地提高生活品質(zhì)。目前已有較多研究采用白光或單色LED的混光來(lái)實(shí)現(xiàn)色溫可調(diào)[5-9]，但沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用到室內(nèi)照明。

本文利用多種單色LED的混光來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)光譜色溫可調(diào)照明系統(tǒng)。根據(jù)程序迭代計(jì)算結(jié)果，通過(guò)Zigbee控制給各單色LED施加相應(yīng)的電流值，最終實(shí)現(xiàn)光譜色溫可調(diào)?？紤]到目前市場(chǎng)上LED燈具常見(jiàn)的色溫范圍均在2700～6400K，本文將重點(diǎn)圍繞此色溫范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)光譜色溫可調(diào)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 光學(xué)設(shè)計(jì)

如圖1所示，本光譜色溫可調(diào)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)由單色LED模組和PMMA光學(xué)擴(kuò)散板兩部分組成，PMMA光學(xué)擴(kuò)散板的透過(guò)率為85%，而且霧度高，可減少光損失并提升擴(kuò)散效果。擴(kuò)散板距離單色LED模組0.7米，根據(jù)實(shí)測(cè)的色溫均勻度，證實(shí)能實(shí)現(xiàn)很好的混光效果。

圖1 光譜色溫可調(diào)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)Fig.1 Optical design of spectrally tunable system

1.2 光譜色溫可調(diào)Zigbee控制系統(tǒng)

圖2 光譜色溫可調(diào)Zigbee控制系統(tǒng)[4]Fig.2 Spectrally tunable Zigbee control system

1.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境布置

如圖3所示，整個(gè)房間長(zhǎng)6.15米，寬4.82米，面積近30平方米，頂高3.47米。均勻布置6個(gè)單燈系統(tǒng)，每個(gè)單燈系統(tǒng)包含七個(gè)單色LED模組，并另外設(shè)置3盞用于普通照明的白光LED室內(nèi)照明燈(也可單獨(dú)調(diào)節(jié)照度)。

2 軟件算法

2.1 單色LED參數(shù)

本文開(kāi)展了以光通量最大為目標(biāo)和以一般顯色指數(shù)最高為目標(biāo)的光譜色溫可調(diào)優(yōu)化算法研究，針對(duì)兩個(gè)目標(biāo)選擇了不同峰值波長(zhǎng)的單色LED。

表1列舉了所有8種單色LED的測(cè)試參數(shù)。

以光通量最大為目標(biāo)的光譜色溫可調(diào)系統(tǒng)選擇了除6號(hào)以外的7種單色LED，而以一般顯色指數(shù)最高為目標(biāo)的光譜色溫可調(diào)系統(tǒng)舍棄了1號(hào)和8號(hào)單色LED，并增加了6號(hào)單色LED來(lái)進(jìn)一步提升一般顯色指數(shù)，考慮到6號(hào)LED的峰值功率較低，所以一個(gè)單燈系統(tǒng)包含了兩個(gè)6號(hào)單色LED模組。

2.2 一般顯色指數(shù)計(jì)算

矩陣A和B的剖面廣義交叉乘法可以壓縮矩陣的階數(shù)，譬如，例1.1的剖面廣義交叉乘法的乘積矩陣的階數(shù)與普通矩陣乘法的乘積矩陣行列階數(shù)一致;但矩陣A和B的左半張量積在矩陣A的列數(shù)和矩陣B的行數(shù)互質(zhì)時(shí)，將增加矩陣的階數(shù)，譬如，本例的左半張量積的乘積矩陣的階數(shù)，就是矩陣A和B的張量乘積的乘積矩陣的階數(shù)，而所用的乘法不是張量乘積，與左半張量積的“半”字不吻合。一般左半張量積不能擴(kuò)充成張量乘積，很難理解為張量乘積的壓縮，即稱為“半”個(gè)張量積。而事實(shí)上，矩陣乘法、矩陣Hadrnard乘法都是張量乘積的壓縮，是可以通過(guò)張量乘積兩邊乘以某個(gè)矩陣計(jì)算而得到，但一般左半張量積很難這樣做。

在待測(cè)光源k和參照照明體r照明下，同一顏色樣品i的色差按式(1)計(jì)算。

(1)

特殊顯色指數(shù)Ri和一般顯色指數(shù)Ra按式(2)和式(3)計(jì)算[10]。

Ri=100-4.6ΔEi

(2)

(3)

2.3 光譜色溫可調(diào)軟件算法

光譜色溫可調(diào)軟件算法基于迭代法，即用a、b、c、d、e、f、g這7個(gè)參數(shù)依次表征各單色LED

表1 8種單色LED的測(cè)試參數(shù)Table 1 Testing parameters of the 8 LEDs

的權(quán)重，然后利用for循環(huán)語(yǔ)句使每個(gè)參數(shù)的值從0開(kāi)始，以0.1的間隔往上加，考慮到程序龐大的計(jì)算時(shí)間，每個(gè)參數(shù)值只加到特定值。7個(gè)參數(shù)都如此變化，構(gòu)成7層for循環(huán)。以目標(biāo)色溫或色差作為篩選條件，選取符合要求的參數(shù)值并計(jì)算相應(yīng)的一般顯色指數(shù)或光通量。然后將符合要求的參數(shù)值和對(duì)應(yīng)的一般顯色指數(shù)或光通量分別存儲(chǔ)在七維數(shù)組h[10000][7]和一維數(shù)組j[10000]中。等7個(gè)參數(shù)值遍歷結(jié)束，對(duì)存儲(chǔ)一般顯色指數(shù)值或光通量值的數(shù)組j[10000]進(jìn)行遍歷，尋找出最高一般顯色指數(shù)值或最高光通量值，從而找出最高一般顯色指數(shù)值或最高光通量值下的7個(gè)參數(shù)值。

根據(jù)7個(gè)參數(shù)值，最終計(jì)算出各單色LED的電流值，7個(gè)參數(shù)值中最大的參數(shù)對(duì)應(yīng)電流350mA，其余6個(gè)參數(shù)按比例自動(dòng)對(duì)應(yīng)電流值，從而將7個(gè)參數(shù)值轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電流值。

3 以光通量最大為目標(biāo)的光譜色溫可調(diào)

3.1 迭代程序計(jì)算結(jié)果

根據(jù)光譜色溫可調(diào)軟件算法，編寫(xiě)C++程序進(jìn)行迭代計(jì)算，計(jì)算出各目標(biāo)色溫情況下最大光通量對(duì)應(yīng)的a、b、c、d、e、f、g這7個(gè)參數(shù)值。

將最大光通量下的7個(gè)參數(shù)值轉(zhuǎn)換為7個(gè)單色LED相應(yīng)的電流值。各目標(biāo)色溫情況下各單色LED電流值如表2所示。

表2 各目標(biāo)色溫情況下各單色LED電流值Table 2 Current of LED with the aiming color temperature

表2中，a對(duì)應(yīng)1號(hào)藍(lán)光LED，b對(duì)應(yīng)2號(hào)藍(lán)光LED，c對(duì)應(yīng)3號(hào)藍(lán)光LED，d對(duì)應(yīng)4號(hào)綠光LED，e對(duì)應(yīng)5號(hào)綠光LED，f對(duì)應(yīng)7號(hào)紅光LED，g對(duì)應(yīng)8號(hào)紅光LED。

3.2 實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)以光通量最大為目標(biāo)的迭代計(jì)算結(jié)果，通過(guò)Zigbee控制給各單色LED施加相應(yīng)的電流。

房間長(zhǎng)6.15米，寬4.82米，對(duì)整個(gè)房間均勻取35個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行各目標(biāo)色溫情況下工作面上的色溫和照度實(shí)測(cè)，關(guān)注工作面上的實(shí)測(cè)色溫、色溫均勻度、照度平均值和照度均勻度這四個(gè)參數(shù)，其中工作面距離地面0.7米，實(shí)測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 以光通量最大為目標(biāo)的實(shí)測(cè)結(jié)果Table 3 Testing results with the aim of max flux

根據(jù)表3的實(shí)測(cè)結(jié)果，房間35個(gè)工作點(diǎn)上的實(shí)測(cè)色溫全部與目標(biāo)色溫相差200K以內(nèi)。照度平均值維持在200lx以上，可以滿足工作的照度需求。色溫均勻度和照度均勻度都較高，分別維持在90%以上和85%以上。

如圖4所示，在各目標(biāo)色溫情況下，實(shí)測(cè)色溫與計(jì)算色溫接近。目標(biāo)色溫越高，實(shí)測(cè)色溫與計(jì)算色溫越接近。

圖4 以光通量最大為目標(biāo)的實(shí)測(cè)色溫與計(jì)算色溫Fig.4 Measured CCT and calculated CCT with the aim of max flux

4 以一般顯色指數(shù)最高為目標(biāo)的光譜色溫可調(diào)

4.1 迭代程序計(jì)算結(jié)果

根據(jù)光譜色溫可調(diào)軟件算法，編寫(xiě)C++程序進(jìn)行迭代計(jì)算。

將最高一般顯色指數(shù)下的7個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)換為7個(gè)單色LED相應(yīng)的電流值。各目標(biāo)色溫情況下各單色LED電流值如表4所示。

表4中，a對(duì)應(yīng)2號(hào)藍(lán)光LED，b對(duì)應(yīng)3號(hào)藍(lán)光LED，c對(duì)應(yīng)4號(hào)綠光LED，d對(duì)應(yīng)5號(hào)綠光LED，e對(duì)應(yīng)2條6號(hào)黃光LED，f對(duì)應(yīng)7號(hào)紅光LED。

表5顯示了各目標(biāo)色溫情況下的計(jì)算最佳Ra和程序計(jì)算色溫。

表4 各目標(biāo)色溫情況下各單色LED電流值Table 4 Electric current of LED with various color temperature

表5 各目標(biāo)色溫情況下的最佳Ra和程序計(jì)算色溫Table 5 The best Ra and calculated CCT

4.2 實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)以一般顯色指數(shù)最高為目標(biāo)的迭代計(jì)算結(jié)果，通過(guò)Zigbee控制給各單色LED施加相應(yīng)的電流。

房間長(zhǎng)6.15米，寬4.82米，對(duì)整個(gè)房間均勻取35個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行各目標(biāo)色溫情況下工作面上的色溫和照度實(shí)測(cè)，關(guān)注工作面上的色溫均勻度、照度平均值和照度均勻度這三個(gè)參數(shù)，其中工作面距離地面0.7米，實(shí)測(cè)結(jié)果如表6所示。

根據(jù)表6的實(shí)測(cè)結(jié)果，各目標(biāo)色溫情況下的實(shí)測(cè)顯色指數(shù)與程序計(jì)算顯色指數(shù)較接近。在各目標(biāo)色溫情況中，2700K目標(biāo)色溫情況下的實(shí)測(cè)顯色指數(shù)最低，而6400K目標(biāo)色溫情況下的實(shí)測(cè)顯色指數(shù)最高。總體而言，各目標(biāo)色溫情況下的實(shí)測(cè)顯色指數(shù)都高于80，可以滿足工作的顯色性要求。

表6 以一般顯色指數(shù)最大為目標(biāo)的實(shí)測(cè)結(jié)果Table 6 Testing results with the aim of max Ra

另外，各目標(biāo)色溫情況下的工作面照度都超過(guò)了200lx，可以滿足工作的照度需求。各目標(biāo)色溫情況下的照度均勻度和色溫均勻度都較高，分別維持在85%和90%以上。

如圖5所示，在各目標(biāo)色溫情況下，實(shí)測(cè)色溫與計(jì)算色溫接近，實(shí)測(cè)Ra與計(jì)算Ra接近。目標(biāo)色溫越高，實(shí)測(cè)色溫與計(jì)算色溫越接近，實(shí)測(cè)Ra和計(jì)算Ra也越接近。

圖5 以一般顯色指數(shù)最高為目標(biāo)的實(shí)測(cè)色溫和計(jì)算色溫、實(shí)測(cè)Ra與計(jì)算RaFig.5 Measured and calculated CCT and Ra with the aim of max Ra

6 結(jié)論

本文利用多種單色LED的混光，開(kāi)展了基于光通量最高或顯色指數(shù)最高為目標(biāo)的光譜匹配算法研究，自主研發(fā)了基于Zigbee無(wú)線技術(shù)的智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)常見(jiàn)光譜色溫(2700～6400K)的可調(diào)。在各目標(biāo)色溫情況下，工作面照度都超過(guò)了200lx，照度和色溫均勻度都較高，分別維持在85%和90%以上，滿足了科學(xué)實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)辦公的需求。尤其通過(guò)一般顯色指數(shù)最高下的實(shí)測(cè)結(jié)果，可以看出本光譜色溫可調(diào)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)室內(nèi)色溫的同時(shí)也能保持很高的顯色性，對(duì)于營(yíng)造最佳的氣氛照明、提高人們生活品質(zhì)都具有積極的意義。

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Spectrally Tunable LED Lighting System and Its Optimization Algorithm

Ni Kaikai,Shen Haiping,Jiang Lei,Lin Zewen,Zhu Xuesong,Liu Muqing

(InstituteforElectricLightingSources,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

The article mixes the light of several monochrome LEDs and uses Zigbee control system to achieve spectrally tunable indoor lighting system. Based on the measured parameters of monochrome LEDs and the computing results of iterative algorithm, all monochrome LEDs are applied corresponding current by means of Zigbee. Finally, the indoor lighting is achieved, in which the flux or CRI is controllable and the CCT (2700～6400K) is tunable. The spectral matching algorithm and the spectrally tunable LED lighting system are achieved based on the maximum flux or CRI. The test result shows that the illuminance on the working surface is above 200 lx and the uniformity of illuminance and CCT is above 0.85 and 0.9 respectively, which meets the needs of the scientific research or work indoors.

LED; flux; CRI; Zigbee

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.009