基于視覺與信息反演的室內(nèi)LED照明技術(shù)

　　LED作為新興光源，得到了廣泛的重視。目前業(yè)界的研究重點(diǎn)在于其光學(xué)與熱學(xué)性能的改善，本文試圖從視覺工效學(xué)與智能照明的角度探索LED用于室內(nèi)照明的優(yōu)越性。

　　作為近年來發(fā)展迅猛的光源，LED與傳統(tǒng)光源相比存在超長壽命、高光效、響應(yīng)快、藝術(shù)性、安全、靈活、可靠性等顯著的優(yōu)勢。但目前LED主要應(yīng)用場合還是背光源領(lǐng)域和路燈、景觀燈等室外照明領(lǐng)域，在室內(nèi)照明領(lǐng)域，其依然存在著一些不足，例如成本高、顯色性不佳、高亮度、一致性有待提高。綜合LED以上優(yōu)缺點(diǎn)，從應(yīng)用角度來說，在室內(nèi)照明中，我們應(yīng)充分利用LED的優(yōu)勢，并避免其缺點(diǎn)。未來，LED必將在室內(nèi)照明得到廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)與照明控制相結(jié)合可以取得更為良好的效果。

　　LED與照明控制結(jié)合的關(guān)鍵

　　照明控制是利用計(jì)算機(jī)、無線通訊數(shù)據(jù)傳輸或電力載波通訊技術(shù)以及電器控制等技術(shù)組成的分布式照明測控系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光亮度的強(qiáng)弱調(diào)節(jié)、定時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)照明場景的區(qū)域化、個(gè)性化控制[1]。一般采用總線控制方式，要求受控?zé)艟呖梢詳?shù)字調(diào)光，并具有較好的快速響應(yīng)特性。

　　目前照明控制一般是采用總線形式，對(duì)鹵素?zé)簟⒕哂袛?shù)字調(diào)光整流器的熒光燈等進(jìn)行數(shù)字調(diào)光，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)燈具組合調(diào)光，環(huán)境照度調(diào)節(jié)，或者通過不同色溫的熒光燈進(jìn)行色溫調(diào)節(jié)，照明表現(xiàn)手法尚比較單一。RGB混光LED技術(shù)的出現(xiàn)，使環(huán)境光色的調(diào)節(jié)成為可能，并且非常方便。LED調(diào)節(jié)一般采用PWM占空比調(diào)節(jié)方式，該方式可以很方便地用數(shù)字形式實(shí)現(xiàn)。只要在驅(qū)動(dòng)器上預(yù)留數(shù)字接口，即容易實(shí)現(xiàn)與其它數(shù)字系統(tǒng)的通訊，使系統(tǒng)構(gòu)建非常簡單。如圖1所示。

　　LED與照明控制結(jié)合的關(guān)鍵在于利用其靈活性與藝術(shù)性，選擇合適的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。LED照明系統(tǒng)一般節(jié)點(diǎn)數(shù)目、通信信道較多，系統(tǒng)規(guī)模較大，并且對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)速度要求較高。

　　目前照明控制系統(tǒng)很多采用RS485總線控制，這是一種基于主從結(jié)構(gòu)的控制方式，控制器通過主從應(yīng)答方式和定時(shí)巡查，發(fā)出控制指令或者查詢傳感器探測值。RS485只規(guī)定物理層，便于與廠商對(duì)系統(tǒng)通訊的自定義。照明控制領(lǐng)域通行的做法是每個(gè)LED燈具內(nèi)置一片MCU控制并通過RS485接口芯片連接到總線上。該方式簡單可靠，但應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，工程應(yīng)用配置較為不便。

　　另一種應(yīng)用較廣的是基于DALI總線的控制方式，該方式對(duì)系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編址，數(shù)據(jù)信號(hào)由指令和地址組合而成，不同照明單元可以靈活分組，實(shí)現(xiàn)多種組合方式，并可設(shè)置16種照明場景，系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、兼容性很好。但是每個(gè)DALI網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不超過 64個(gè)，不便于大規(guī)模照明場合的應(yīng)用。此外，DALI系統(tǒng)中刷新速度較慢，限制了LED的藝術(shù)表現(xiàn)能力。

　　LED控制領(lǐng)域目前應(yīng)用較廣的為DMX512協(xié)議，該協(xié)議以幀為單位，每幀數(shù)據(jù)由同步頭和512個(gè)字節(jié)組成，以符合EIA 485標(biāo)準(zhǔn)的串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，數(shù)據(jù)傳輸速率為250KBit/s。該方式傳輸速度快，系統(tǒng)規(guī)模大，被廣泛應(yīng)用于舞臺(tái)燈光和戶外LED景觀照明等。但是該協(xié)議是單向傳輸模式，系統(tǒng)無法接收燈具信息或外部傳感器信號(hào)，無法滿足室內(nèi)照明的封閉式、智能化需求。

　　經(jīng)研究，我們認(rèn)為，可以在室內(nèi)照明中采用基于Zigbee無線通訊的分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。工作頻率為 2.4GHz無線頻段，可以同時(shí)容納60,000多個(gè)節(jié)點(diǎn)，控制范圍最遠(yuǎn)可達(dá)10,000米，能應(yīng)用于家居、酒店、商業(yè)照明等多種室內(nèi)照明場所 [2]，Zigbee網(wǎng)絡(luò)具有低功耗，自組織，方便定位等優(yōu)點(diǎn)，用于構(gòu)建無線傳感與照明控制網(wǎng)絡(luò)具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。

　　系統(tǒng)采用中央控制器控制的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。主控制器進(jìn)行照明場景的設(shè)置、反饋信息的處理工作，通過無線網(wǎng)絡(luò)接收各傳感器的數(shù)據(jù)，并對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)算法計(jì)算，得到各節(jié)點(diǎn)的調(diào)節(jié)指令，并通過網(wǎng)絡(luò)把指令參數(shù)發(fā)送到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)。除了燈具節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)外，還有手持式遙控器進(jìn)行簡單的控制操作。

　　各節(jié)點(diǎn)配備無線通訊模塊，Zigbee模塊具有協(xié)議簡單、低速率、低功耗的特點(diǎn)。由于協(xié)議相對(duì)簡單，對(duì)控制芯片要求較低，因而無線模塊成本較低，其傳輸速率約為10k~250Kb/s，正適用于照明控制這種數(shù)據(jù)量相對(duì)較少的應(yīng)用場合。模塊功耗低，使用紐扣電池或普通干電池供電可工作六個(gè)月到兩年，非常適合室內(nèi)各無線節(jié)點(diǎn)工作方式。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　視覺舒適性的應(yīng)用

　　在室內(nèi)工作與生活中，人們不但要求視覺功能性的滿足，對(duì)視覺舒適度也有很高的要求。要求合理控制眩光，選擇合適的色溫和光色等。

　　在要求視場的眩光方面，對(duì)白光LED既是優(yōu)勢又是挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)光源相比，等光通情況下，LED發(fā)光點(diǎn)體積非常小，光束角也較小，因此其光出射方向容易控制，但另一方面，通常LED表面亮度極高，光強(qiáng)較為集中，最大光強(qiáng)分布處若處理不當(dāng)則容易對(duì)觀測者造成眩光。研究表明，不舒適眩光不但會(huì)引起工作效率的下降，同時(shí)也會(huì)造成視覺疲勞和頭痛等不良反應(yīng)。因此在室內(nèi)應(yīng)用中，對(duì)其燈具的一次和二次光學(xué)設(shè)計(jì)有很高的要求。

　　此外，由于LED為窄光譜光源，白光LED產(chǎn)生的白光缺乏紅、黃成分，與人們所習(xí)慣的熒光燈白光有較大的區(qū)別，色溫也通常偏高。若使用RGB混光LED，雖能形成任意色溫的白光，但較大的色差會(huì)影響視場整體的舒適和美觀。除了提高涂粉工藝和選擇高質(zhì)量芯片外，可以在應(yīng)用中盡量使用間接照明，或選擇光源的色溫與要求的照度相適應(yīng)。圖3所示是照度與色溫對(duì)應(yīng)的舒適區(qū)域[3]。

　　控制方面，光色傳感器、紅外傳感器、照度傳感器等與LED的結(jié)合和靈活的系統(tǒng)配置可以有效提高用戶舒適性感受。可通過檢測外界照度自動(dòng)調(diào)光實(shí)現(xiàn)恒照度照明或者結(jié)合時(shí)間變化調(diào)節(jié)LED光強(qiáng)、光色或色溫，實(shí)現(xiàn)照度、色溫對(duì)自然光變化的模擬，使照明符合人體生理節(jié)律曲線。也可以通過人員感應(yīng)器等，以及對(duì)不同光色的搭配，使照明符合特定應(yīng)用場景的用戶功能需求和心理需求，即所謂情景照明。