LED光谱色温可调照明系统及其优化算法研究

倪凯凯，沈海平，江 磊，林泽文，朱雪菘，刘木清

(复旦大学电光源研究所，上海 200433)



LED光谱色温可调照明系统及其优化算法研究

倪凯凯，沈海平，江 磊，林泽文，朱雪菘，刘木清

(复旦大学电光源研究所，上海 200433)

利用多种单色LED的混光，通过自主研发的Zigbee控制系统在室内实现光谱色温可调照明系统。基于单色LED的实测参数,借助迭代程序的计算结果，通过Zigbee智能控制给各单色LED施加相应的电流，最终实现光通量和显色性可控、色温可调(2700～6400K)的室内照明。开展了基于光通量最高或显色指数最高为目标的光谱匹配算法研究及系统实现，实测结果表明工作面照度均大于200lx，照度均匀度大于0.85，色温均匀度大于0.9，满足科学实验和室内办公的需求。

LED；光通量；一般显色指数；Zigbee

引言

近年来，LED凭借高光效、长寿命、易控制等诸多特点，在道路照明中已经获得广泛的应用[1]，在室内照明领域也具备很大的应用前景[2,3]。在LED发光效率达到一定水平时，LED通过智能控制既可实现色温可调，又可实现光通量和显色性可控[4]，人们根据心情选择最佳的气氛照明，极大地提高生活品质。目前已有较多研究采用白光或单色LED的混光来实现色温可调[5-9]，但没有实际应用到室内照明。

本文利用多种单色LED的混光来实现室内光谱色温可调照明系统。根据程序迭代计算结果，通过Zigbee控制给各单色LED施加相应的电流值，最终实现光谱色温可调。考虑到目前市场上LED灯具常见的色温范围均在2700～6400K，本文将重点围绕此色温范围来实现光谱色温可调。

1 系统设计

1.1 光学设计

如图1所示，本光谱色温可调系统的光学设计由单色LED模组和PMMA光学扩散板两部分组成，PMMA光学扩散板的透过率为85%，而且雾度高，可减少光损失并提升扩散效果。扩散板距离单色LED模组0.7米，根据实测的色温均匀度，证实能实现很好的混光效果。

图1 光谱色温可调系统的光学设计Fig.1 Optical design of spectrally tunable system

1.2 光谱色温可调Zigbee控制系统

图2 光谱色温可调Zigbee控制系统[4]Fig.2 Spectrally tunable Zigbee control system

1.3 实验环境布置

如图3所示，整个房间长6.15米，宽4.82米，面积近30平方米，顶高3.47米。均匀布置6个单灯系统，每个单灯系统包含七个单色LED模组，并另外设置3盏用于普通照明的白光LED室内照明灯(也可单独调节照度)。

2 软件算法

2.1 单色LED参数

本文开展了以光通量最大为目标和以一般显色指数最高为目标的光谱色温可调优化算法研究，针对两个目标选择了不同峰值波长的单色LED。

表1列举了所有8种单色LED的测试参数。

以光通量最大为目标的光谱色温可调系统选择了除6号以外的7种单色LED，而以一般显色指数最高为目标的光谱色温可调系统舍弃了1号和8号单色LED，并增加了6号单色LED来进一步提升一般显色指数，考虑到6号LED的峰值功率较低，所以一个单灯系统包含了两个6号单色LED模组。

2.2 一般显色指数计算

矩阵A和B的剖面广义交叉乘法可以压缩矩阵的阶数，譬如，例1.1的剖面广义交叉乘法的乘积矩阵的阶数与普通矩阵乘法的乘积矩阵行列阶数一致;但矩阵A和B的左半张量积在矩阵A的列数和矩阵B的行数互质时，将增加矩阵的阶数，譬如，本例的左半张量积的乘积矩阵的阶数，就是矩阵A和B的张量乘积的乘积矩阵的阶数，而所用的乘法不是张量乘积，与左半张量积的“半”字不吻合。一般左半张量积不能扩充成张量乘积，很难理解为张量乘积的压缩，即称为“半”个张量积。而事实上，矩阵乘法、矩阵Hadrnard乘法都是张量乘积的压缩，是可以通过张量乘积两边乘以某个矩阵计算而得到，但一般左半张量积很难这样做。

在待测光源k和参照照明体r照明下，同一颜色样品i的色差按式(1)计算。

(1)

特殊显色指数Ri和一般显色指数Ra按式(2)和式(3)计算[10]。

Ri=100-4.6ΔEi

(2)

(3)

2.3 光谱色温可调软件算法

光谱色温可调软件算法基于迭代法，即用a、b、c、d、e、f、g这7个参数依次表征各单色LED

表1 8种单色LED的测试参数Table 1 Testing parameters of the 8 LEDs

的权重，然后利用for循环语句使每个参数的值从0开始，以0.1的间隔往上加，考虑到程序庞大的计算时间，每个参数值只加到特定值。7个参数都如此变化，构成7层for循环。以目标色温或色差作为筛选条件，选取符合要求的参数值并计算相应的一般显色指数或光通量。然后将符合要求的参数值和对应的一般显色指数或光通量分别存储在七维数组h[10000][7]和一维数组j[10000]中。等7个参数值遍历结束，对存储一般显色指数值或光通量值的数组j[10000]进行遍历，寻找出最高一般显色指数值或最高光通量值，从而找出最高一般显色指数值或最高光通量值下的7个参数值。

根据7个参数值，最终计算出各单色LED的电流值，7个参数值中最大的参数对应电流350mA，其余6个参数按比例自动对应电流值，从而将7个参数值转化成对应的电流值。

3 以光通量最大为目标的光谱色温可调

3.1 迭代程序计算结果

根据光谱色温可调软件算法，编写C++程序进行迭代计算，计算出各目标色温情况下最大光通量对应的a、b、c、d、e、f、g这7个参数值。

将最大光通量下的7个参数值转换为7个单色LED相应的电流值。各目标色温情况下各单色LED电流值如表2所示。

表2 各目标色温情况下各单色LED电流值Table 2 Current of LED with the aiming color temperature

表2中，a对应1号蓝光LED，b对应2号蓝光LED，c对应3号蓝光LED，d对应4号绿光LED，e对应5号绿光LED，f对应7号红光LED，g对应8号红光LED。

3.2 实测结果

根据以光通量最大为目标的迭代计算结果，通过Zigbee控制给各单色LED施加相应的电流。

房间长6.15米，宽4.82米，对整个房间均匀取35个点，进行各目标色温情况下工作面上的色温和照度实测，关注工作面上的实测色温、色温均匀度、照度平均值和照度均匀度这四个参数，其中工作面距离地面0.7米，实测结果如表3所示。

表3 以光通量最大为目标的实测结果Table 3 Testing results with the aim of max flux

根据表3的实测结果，房间35个工作点上的实测色温全部与目标色温相差200K以内。照度平均值维持在200lx以上，可以满足工作的照度需求。色温均匀度和照度均匀度都较高，分别维持在90%以上和85%以上。

如图4所示，在各目标色温情况下，实测色温与计算色温接近。目标色温越高，实测色温与计算色温越接近。

图4 以光通量最大为目标的实测色温与计算色温Fig.4 Measured CCT and calculated CCT with the aim of max flux

4 以一般显色指数最高为目标的光谱色温可调

4.1 迭代程序计算结果

根据光谱色温可调软件算法，编写C++程序进行迭代计算。

将最高一般显色指数下的7个参数转换为7个单色LED相应的电流值。各目标色温情况下各单色LED电流值如表4所示。

表4中，a对应2号蓝光LED，b对应3号蓝光LED，c对应4号绿光LED，d对应5号绿光LED，e对应2条6号黄光LED，f对应7号红光LED。

表5显示了各目标色温情况下的计算最佳Ra和程序计算色温。

表4 各目标色温情况下各单色LED电流值Table 4 Electric current of LED with various color temperature

表5 各目标色温情况下的最佳Ra和程序计算色温Table 5 The best Ra and calculated CCT

4.2 实测结果

根据以一般显色指数最高为目标的迭代计算结果，通过Zigbee控制给各单色LED施加相应的电流。

房间长6.15米，宽4.82米，对整个房间均匀取35个点，进行各目标色温情况下工作面上的色温和照度实测，关注工作面上的色温均匀度、照度平均值和照度均匀度这三个参数，其中工作面距离地面0.7米，实测结果如表6所示。

根据表6的实测结果，各目标色温情况下的实测显色指数与程序计算显色指数较接近。在各目标色温情况中，2700K目标色温情况下的实测显色指数最低，而6400K目标色温情况下的实测显色指数最高。总体而言，各目标色温情况下的实测显色指数都高于80，可以满足工作的显色性要求。

表6 以一般显色指数最大为目标的实测结果Table 6 Testing results with the aim of max Ra

另外，各目标色温情况下的工作面照度都超过了200lx，可以满足工作的照度需求。各目标色温情况下的照度均匀度和色温均匀度都较高，分别维持在85%和90%以上。

如图5所示，在各目标色温情况下，实测色温与计算色温接近，实测Ra与计算Ra接近。目标色温越高，实测色温与计算色温越接近，实测Ra和计算Ra也越接近。

图5 以一般显色指数最高为目标的实测色温和计算色温、实测Ra与计算RaFig.5 Measured and calculated CCT and Ra with the aim of max Ra

6 结论

本文利用多种单色LED的混光，开展了基于光通量最高或显色指数最高为目标的光谱匹配算法研究，自主研发了基于Zigbee无线技术的智能控制系统，实现了室内常见光谱色温(2700～6400K)的可调。在各目标色温情况下，工作面照度都超过了200lx，照度和色温均匀度都较高，分别维持在85%和90%以上，满足了科学实验和室内办公的需求。尤其通过一般显色指数最高下的实测结果，可以看出本光谱色温可调系统在调节室内色温的同时也能保持很高的显色性，对于营造最佳的气氛照明、提高人们生活品质都具有积极的意义。

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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