基于视觉与信息反演的室内LED照明技术

　　LED作为新兴光源，得到了广泛的重视。目前业界的研究重点在于其光学与热学性能的改善，本文试图从视觉工效学与智能照明的角度探索LED用于室内照明的优越性。

　　作为近年来发展迅猛的光源，LED与传统光源相比存在超长寿命、高光效、响应快、艺术性、安全、灵活、可靠性等显著的优势。但目前LED主要应用场合还是背光源领域和路灯、景观灯等室外照明领域，在室内照明领域，其依然存在着一些不足，例如成本高、显色性不佳、高亮度、一致性有待提高。综合LED以上优缺点，从应用角度来说，在室内照明中，我们应充分利用LED的优势，并避免其缺点。未来，LED必将在室内照明得到广泛的应用，其技术与照明控制相结合可以取得更为良好的效果。

　　LED与照明控制结合的关键

　　照明控制是利用计算机、无线通讯数据传输或电力载波通讯技术以及电器控制等技术组成的分布式照明测控系统，来实现对灯光亮度的强弱调节、定时控制，实现照明场景的区域化、个性化控制[1]。一般采用总线控制方式，要求受控灯具可以数字调光，并具有较好的快速响应特性。
 
　　目前照明控制一般是采用总线形式，对卤素灯、具有数字调光整流器的荧光灯等进行数字调光，实现区域内灯具组合调光，环境照度调节，或者通过不同色温的荧光灯进行色温调节，照明表现手法尚比较单一。RGB混光LED技术的出现，使环境光色的调节成为可能，并且非常方便。LED调节一般采用PWM占空比调节方式，该方式可以很方便地用数字形式实现。只要在驱动器上预留数字接口，即容易实现与其它数字系统的通讯，使系统构建非常简单。如图1所示。

　　LED与照明控制结合的关键在于利用其灵活性与艺术性，选择合适的系统拓扑结构。LED照明系统一般节点数目、通信信道较多，系统规模较大，并且对系统响应速度要求较高。
 
　　目前照明控制系统很多采用RS485总线控制，这是一种基于主从结构的控制方式，控制器通过主从应答方式和定时巡查，发出控制指令或者查询传感器探测值。RS485只规定物理层，便于与厂商对系统通讯的自定义。照明控制领域通行的做法是每个LED灯具内置一片MCU控制并通过RS485接口芯片连接到总线上。该方式简单可靠，但应用层标准不统一，工程应用配置较为不便。
 
　　另一种应用较广的是基于DALI总线的控制方式，该方式对系统内节点进行编址，数据信号由指令和地址组合而成，不同照明单元可以灵活分组，实现多种组合方式，并可设置16种照明场景，系统的可靠性、稳定性、兼容性很好。但是每个DALI网络节点不超过 64个，不便于大规模照明场合的应用。此外，DALI系统中刷新速度较慢，限制了LED的艺术表现能力。
 
　　LED控制领域目前应用较广的为DMX512协议，该协议以帧为单位，每帧数据由同步头和512个字节组成，以符合EIA 485标准的串行方式进行数据发送和接收，数据传输速率为250KBit/s。该方式传输速度快，系统规模大，被广泛应用于舞台灯光和户外LED景观照明等。但是该协议是单向传输模式，系统无法接收灯具信息或外部传感器信号，无法满足室内照明的封闭式、智能化需求。
 
　　经研究，我们认为，可以在室内照明中采用基于Zigbee无线通讯的分布式拓扑结构。工作频率为 2.4GHz无线频段，可以同时容纳60,000多个节点，控制范围最远可达10,000米，能应用于家居、酒店、商业照明等多种室内照明场所 [2]，Zigbee网络具有低功耗，自组织，方便定位等优点，用于构建无线传感与照明控制网络具有相当的优势。
 
　　系统采用中央控制器控制的星型网络结构。主控制器进行照明场景的设置、反馈信息的处理工作，通过无线网络接收各传感器的数据，并对所采集的数据进行相关算法计算，得到各节点的调节指令，并通过网络把指令参数发送到相应节点。除了灯具节点和传感器节点外，还有手持式遥控器进行简单的控制操作。

　　各节点配备无线通讯模块，Zigbee模块具有协议简单、低速率、低功耗的特点。由于协议相对简单，对控制芯片要求较低，因而无线模块成本较低，其传输速率约为10k~250Kb/s，正适用于照明控制这种数据量相对较少的应用场合。模块功耗低，使用纽扣电池或普通干电池供电可工作六个月到两年，非常适合室内各无线节点工作方式。系统框图如图2所示。

　　视觉舒适性的应用
 
　　在室内工作与生活中，人们不但要求视觉功能性的满足，对视觉舒适度也有很高的要求。要求合理控制眩光，选择合适的色温和光色等。
 
　　在要求视场的眩光方面，对白光LED既是优势又是挑战。与传统光源相比，等光通情况下，LED发光点体积非常小，光束角也较小，因此其光出射方向容易控制，但另一方面，通常LED表面亮度极高，光强较为集中，最大光强分布处若处理不当则容易对观测者造成眩光。研究表明，不舒适眩光不但会引起工作效率的下降，同时也会造成视觉疲劳和头痛等不良反应。因此在室内应用中，对其灯具的一次和二次光学设计有很高的要求。
 
　　此外，由于LED为窄光谱光源，白光LED产生的白光缺乏红、黄成分，与人们所习惯的荧光灯白光有较大的区别，色温也通常偏高。若使用RGB混光LED，虽能形成任意色温的白光，但较大的色差会影响视场整体的舒适和美观。除了提高涂粉工艺和选择高质量芯片外，可以在应用中尽量使用间接照明，或选择光源的色温与要求的照度相适应。图3所示是照度与色温对应的舒适区域[3]。

　　控制方面，光色传感器、红外传感器、照度传感器等与LED的结合和灵活的系统配置可以有效提高用户舒适性感受。可通过检测外界照度自动调光实现恒照度照明或者结合时间变化调节LED光强、光色或色温，实现照度、色温对自然光变化的模拟，使照明符合人体生理节律曲线。也可以通过人员感应器等，以及对不同光色的搭配，使照明符合特定应用场景的用户功能需求和心理需求，即所谓情景照明。