LED光譜色溫可調照明系統及其優化算法研究

倪凱凱，沈海平，江 磊，林澤文，朱雪菘，劉木清

(復旦大學電光源研究所，上海 200433)

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LED光譜色溫可調照明系統及其優化算法研究

倪凱凱，沈海平，江 磊，林澤文，朱雪菘，劉木清

(復旦大學電光源研究所，上海 200433)

利用多種單色LED的混光，通過自主研發的Zigbee控制系統在室內實現光譜色溫可調照明系統。基于單色LED的實測參數,借助迭代程序的計算結果，通過Zigbee智能控制給各單色LED施加相應的電流，最終實現光通量和顯色性可控、色溫可調(2700～6400K)的室內照明。開展了基于光通量最高或顯色指數最高為目標的光譜匹配算法研究及系統實現，實測結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，滿足科學實驗和室內辦公的需求。

LED；光通量；一般顯色指數；Zigbee

引言

近年來，LED憑借高光效、長壽命、易控制等諸多特點，在道路照明中已經獲得廣泛的應用[1]，在室內照明領域也具備很大的應用前景[2,3]。在LED發光效率達到一定水平時，LED通過智能控制既可實現色溫可調，又可實現光通量和顯色性可控[4]，人們根據心情選擇最佳的氣氛照明，極大地提高生活品質。目前已有較多研究采用白光或單色LED的混光來實現色溫可調[5-9]，但沒有實際應用到室內照明。

本文利用多種單色LED的混光來實現室內光譜色溫可調照明系統。根據程序迭代計算結果，通過Zigbee控制給各單色LED施加相應的電流值，最終實現光譜色溫可調。考慮到目前市場上LED燈具常見的色溫范圍均在2700～6400K，本文將重點圍繞此色溫范圍來實現光譜色溫可調。

1 系統設計

1.1 光學設計

如圖1所示，本光譜色溫可調系統的光學設計由單色LED模組和PMMA光學擴散板兩部分組成，PMMA光學擴散板的透過率為85%，而且霧度高，可減少光損失并提升擴散效果。擴散板距離單色LED模組0.7米，根據實測的色溫均勻度，證實能實現很好的混光效果。

圖1 光譜色溫可調系統的光學設計Fig.1 Optical design of spectrally tunable system

1.2 光譜色溫可調Zigbee控制系統

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

1.3 實驗環境布置

如圖3所示，整個房間長6.15米，寬4.82米，面積近30平方米，頂高3.47米。均勻布置6個單燈系統，每個單燈系統包含七個單色LED模組，并另外設置3盞用于普通照明的白光LED室內照明燈(也可單獨調節照度)。

2 軟件算法

2.1 單色LED參數

本文開展了以光通量最大為目標和以一般顯色指數最高為目標的光譜色溫可調優化算法研究，針對兩個目標選擇了不同峰值波長的單色LED。

表1列舉了所有8種單色LED的測試參數。

以光通量最大為目標的光譜色溫可調系統選擇了除6號以外的7種單色LED，而以一般顯色指數最高為目標的光譜色溫可調系統舍棄了1號和8號單色LED，并增加了6號單色LED來進一步提升一般顯色指數，考慮到6號LED的峰值功率較低，所以一個單燈系統包含了兩個6號單色LED模組。

2.2 一般顯色指數計算

矩陣A和B的剖面廣義交叉乘法可以壓縮矩陣的階數，譬如，例1.1的剖面廣義交叉乘法的乘積矩陣的階數與普通矩陣乘法的乘積矩陣行列階數一致;但矩陣A和B的左半張量積在矩陣A的列數和矩陣B的行數互質時，將增加矩陣的階數，譬如，本例的左半張量積的乘積矩陣的階數，就是矩陣A和B的張量乘積的乘積矩陣的階數，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充成張量乘積，很難理解為張量乘積的壓縮，即稱為“半”個張量積。而事實上，矩陣乘法、矩陣Hadrnard乘法都是張量乘積的壓縮，是可以通過張量乘積兩邊乘以某個矩陣計算而得到，但一般左半張量積很難這樣做。

在待測光源k和參照照明體r照明下，同一顏色樣品i的色差按式(1)計算。

(1)

特殊顯色指數Ri和一般顯色指數Ra按式(2)和式(3)計算[10]。

Ri=100-4.6ΔEi

(2)

(3)

2.3 光譜色溫可調軟件算法

光譜色溫可調軟件算法基于迭代法，即用a、b、c、d、e、f、g這7個參數依次表征各單色LED

表1 8種單色LED的測試參數Table 1 Testing parameters of the 8 LEDs

的權重，然后利用for循環語句使每個參數的值從0開始，以0.1的間隔往上加，考慮到程序龐大的計算時間，每個參數值只加到特定值。7個參數都如此變化，構成7層for循環。以目標色溫或色差作為篩選條件，選取符合要求的參數值并計算相應的一般顯色指數或光通量。然后將符合要求的參數值和對應的一般顯色指數或光通量分別存儲在七維數組h[10000][7]和一維數組j[10000]中。等7個參數值遍歷結束，對存儲一般顯色指數值或光通量值的數組j[10000]進行遍歷，尋找出最高一般顯色指數值或最高光通量值，從而找出最高一般顯色指數值或最高光通量值下的7個參數值。

根據7個參數值，最終計算出各單色LED的電流值，7個參數值中最大的參數對應電流350mA，其余6個參數按比例自動對應電流值，從而將7個參數值轉化成對應的電流值。

3 以光通量最大為目標的光譜色溫可調

3.1 迭代程序計算結果

根據光譜色溫可調軟件算法，編寫C++程序進行迭代計算，計算出各目標色溫情況下最大光通量對應的a、b、c、d、e、f、g這7個參數值。

將最大光通量下的7個參數值轉換為7個單色LED相應的電流值。各目標色溫情況下各單色LED電流值如表2所示。

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

表2中，a對應1號藍光LED，b對應2號藍光LED，c對應3號藍光LED，d對應4號綠光LED，e對應5號綠光LED，f對應7號紅光LED，g對應8號紅光LED。

3.2 實測結果

根據以光通量最大為目標的迭代計算結果，通過Zigbee控制給各單色LED施加相應的電流。

房間長6.15米，寬4.82米，對整個房間均勻取35個點，進行各目標色溫情況下工作面上的色溫和照度實測，關注工作面上的實測色溫、色溫均勻度、照度平均值和照度均勻度這四個參數，其中工作面距離地面0.7米，實測結果如表3所示。

表3 以光通量最大為目標的實測結果Table 3 Testing results with the aim of max flux

根據表3的實測結果，房間35個工作點上的實測色溫全部與目標色溫相差200K以內。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，在各目標色溫情況下，實測色溫與計算色溫接近。目標色溫越高，實測色溫與計算色溫越接近。

圖4 以光通量最大為目標的實測色溫與計算色溫Fig.4 Measured CCT and calculated CCT with the aim of max flux

4 以一般顯色指數最高為目標的光譜色溫可調

4.1 迭代程序計算結果

根據光譜色溫可調軟件算法，編寫C++程序進行迭代計算。

將最高一般顯色指數下的7個參數轉換為7個單色LED相應的電流值。各目標色溫情況下各單色LED電流值如表4所示。

表4中，a對應2號藍光LED，b對應3號藍光LED，c對應4號綠光LED，d對應5號綠光LED，e對應2條6號黃光LED，f對應7號紅光LED。

表5顯示了各目標色溫情況下的計算最佳Ra和程序計算色溫。

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

表5 各目標色溫情況下的最佳Ra和程序計算色溫Table 5 The best Ra and calculated CCT

4.2 實測結果

根據以一般顯色指數最高為目標的迭代計算結果，通過Zigbee控制給各單色LED施加相應的電流。

房間長6.15米，寬4.82米，對整個房間均勻取35個點，進行各目標色溫情況下工作面上的色溫和照度實測，關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參數，其中工作面距離地面0.7米，實測結果如表6所示。

根據表6的實測結果，各目標色溫情況下的實測顯色指數與程序計算顯色指數較接近。在各目標色溫情況中，2700K目標色溫情況下的實測顯色指數最低，而6400K目標色溫情況下的實測顯色指數最高。總體而言，各目標色溫情況下的實測顯色指數都高于80，可以滿足工作的顯色性要求。

表6 以一般顯色指數最大為目標的實測結果Table 6 Testing results with the aim of max Ra

另外，各目標色溫情況下的工作面照度都超過了200lx，可以滿足工作的照度需求。各目標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，在各目標色溫情況下，實測色溫與計算色溫接近，實測Ra與計算Ra接近。目標色溫越高，實測色溫與計算色溫越接近，實測Ra和計算Ra也越接近。

圖5 以一般顯色指數最高為目標的實測色溫和計算色溫、實測Ra與計算RaFig.5 Measured and calculated CCT and Ra with the aim of max Ra

6 結論

本文利用多種單色LED的混光，開展了基于光通量最高或顯色指數最高為目標的光譜匹配算法研究，自主研發了基于Zigbee無線技術的智能控制系統，實現了室內常見光譜色溫(2700～6400K)的可調。在各目標色溫情況下，工作面照度都超過了200lx，照度和色溫均勻度都較高，分別維持在85%和90%以上，滿足了科學實驗和室內辦公的需求。尤其通過一般顯色指數最高下的實測結果，可以看出本光譜色溫可調系統在調節室內色溫的同時也能保持很高的顯色性，對于營造最佳的氣氛照明、提高人們生活品質都具有積極的意義。

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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