基于智能色温调节的生物钟调控系统.docx
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基于智能色温调节的生物钟调控系统
基于智能色温调节的生物钟调控系统
摘要:
21世纪以来,人类对灯光的依赖越来越高,各种新型的灯光系统出现在生活中。
然而,灯光系统带来的光污染给人类自身的生物钟带来了极大的问题。
针对LED灯色温高导致干扰人体生物钟的问题,本文开发了一种LED照明色温自动调节系统,除了使用手机应用程序控制亮度和色温,还能根据输入的地理位置信息和当前日期计算日出、日落的时间,从而在日落之后逐渐降低色温,减少干扰生物钟的蓝光,将色温在2700K~6500K之间调节,并且根据环境温度的变化对色温进行微调,实现更加符合人体生物钟规律、使人感到舒适的照明,特别是对于由于照明原因而睡眠质量不佳的人。
关键词:
LED照明;色温控制;生物钟调节。
1引言
为了解决LED在夜间发出的蓝光干扰生物钟的问题[1],已经有一些厂商做出尝试来解决这个问题,比如LED厂商Saffron的SilkLight、Philips的hue智能LED灯泡和yeelight等产品。
图1Philips智能LED灯
图2Yeelight智能LED灯
图3SilkLight智能LED灯
图4Huntkey智能LED灯
但是这些产品具有一些共同的局限性,尽管这些LED灯泡可以使用app控制进行调节,但大多只是在固定的时间进行调节,而日出、日落的时间会随着季节的变化而变化,调节色温的作用也会减弱,无法起到效果。
同时不同色温还能对人对于温度的感受产生影响,色温较低的光线偏黄,使人感到温暖,而色温较高的光线偏蓝,使人感到凉爽,这样的特性是被考虑得较少的,因此这就是一个值得考虑的地方,LED灯可以通过一些方法获得环境温度,从而对色温进行微调,获得使人更加舒适的照明效果。
这样在夏天就不会因为色温过暖使人感到燥热,冬天则能使人感到温暖。
2研究背景
随着LED照明技术的发展,LED因为发光效率高、寿命长的优点而逐渐普及,但白光LED发出的光线中含有大量蓝光成分。
太阳光中含有蓝色光线,而大量蓝色光线在夜间会对人的生物钟造成干扰,抑制褪黑激素,导致失眠等问题,或者导致失眠问题加重。
通过在夜间降低LED发光色温可以减少蓝光成分,有效地缓解这些问题。
3实现方式
3.1色温调节方式
针对色温调节有两种方法,一种是通过RGBLED的红、绿、蓝这三种颜色的比例来调节,另一种是使用色温为6500K和色温为2700K的白光LED,调节两种LED的亮度,从而起到调节色温的作用。
因为本项目只需调节色温,显然后一种方案较为合适。
但是模块中只有RGBLED,因为按照色温与RGB值一一对应的关系改变红、绿、蓝三种颜色比例的方法调节色温过于复杂,所以暂时采用RGBLED模拟高、低色温LED的方法,将两组RGB数值乘以各自的系数来实现平滑的色温调整效果。
RGB值由以下公式计算得到:
图5色温和RGB值对应关系
3.2亮度调节方式
现在调节LED的亮度主要有两种方式,脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,PWM)和线性调光。
PWM调光通过改变通过LED电流的占空比来改变通过LED的平均电流实现调光,优点是电路简单,并且调光不会对LED发光色温造成影响,但会造成频闪现象。
线性调光通过改变通过LED的电流实现调光,优点是没有频闪,但会导致色温改变[2]。
由于本项目对色温精确度要求较高,所以采用PWM调光。
PWM调光的频闪问题可通过发光周期互补缓解。
设调节色温的系数为k,则白光LED(色温为6500k)的占空比设为k/255,黄光LED的占空比设为1-k/255。
图6发光周期互补
3.3日出、日落时间计算与色温调节
日出、日落时间可通过手机app向LED控制器提供的经纬度信息和当前的日期、时间计算获得。
日落时间=(180+时区*15-经度+arccos(tan(10547π/81000*cos(2π*(日期+9)/365))*tan(纬度*π/180))*180/π)/15
公式中经度、纬度的单位为度,东经、北纬为正,西经、南纬为负;东时区为正,西时区为负;日期为公历日期,单位为天;角度单位为角度制;计算结果为小时。
经过分析可以得到:
上述公式中三角函数使用弧度制,公式可以直接在程序中使用。
在日出前2小时,色温将会逐渐上升;在日出后2小时,色温将会逐渐下降。
由于模块中没有实时时钟模块,无法获取当前时间,所以暂时使用一段程序模拟时间的变化。
图7色温和时间的关系
2.4环境温度和色温联动
环境温度由LED控制器上的环境温度传感器获得。
当环境温度升高时,自动在原有基础升高色温;当环境温度降低时,自动在原有基础上降低色温。
当环境温度达到30℃时,升高色温幅度最大;当环境温度到达10℃时,降低色温幅度最大。
这样就可以做到随温度变化而调节色温,在环境温度较高时不至于因为色温过暖而使人感到燥热。
图8色温修正值和温度的关系
2.5自动控制、手动控制的切换
为了方便使用,这个LED灯采用两种控制方式,使用射频遥控器切换。
在切换到自动模式后,LED的色温根据上文所述的方法自动调整;在
2.6使用的模块
这个项目使用了主控模块、监测模块、信号模块,为了方便调试,使用显示模块来显示一些调试数据。
LED灯原本使用全彩LED模块,但在实际使用时发现全彩LED的发光颜色误差严重,根本无法正常表现颜色,所以换成使用信号模块上的LED灯,颜色的准确度得到了大幅提高。
2.5程序流程图
如图,首先使用时钟模块获取当前时间值,利用程序计算当前的日出、日落的时间。
随后,根据前文设定的公式,计算当前时间与灯光系数之间的关系。
利用灯光系数决定最终的颜色表现。
最后,将灯光系数和环境温度结合在一起,进一步拟合环境对人体的影响,达到最舒适的光照环境控制。
图9流程图
4实验数据
实验数据如下图,这是基于上海地区的一次RGB值计算实验。
根据光照公式和温度公式,这个数据下LED光线对人的正向影响最好,起到调节生物钟的作用。
时间(时)
系数
R
G
B
5
0
255
174
84
5.1
0.04
254
176
91
5.2
0.08
253
179
98
5.3
0.12
252
181
105
5.4
0.16
251
183
111
5.5
0.2
249
186
118
5.6
0.24
248
188
125
5.7
0.28
247
191
132
5.8
0.32
246
193
139
5.9
0.36
245
195
146
6
0.4
244
198
152
6.1
0.44
243
200
159
6.2
0.48
242
202
166
6.3
0.52
240
205
173
6.4
0.56
239
207
180
6.5
0.6
238
209
187
6.6
0.64
237
212
193
6.7
0.68
236
214
200
6.8
0.72
235
216
207
6.9
0.76
234
219
214
7
0.8
233
221
221
17
0.8
233
221
221
17.1
0.76
234
219
214
17.2
0.72
235
216
207
17.3
0.68
236
214
200
17.4
0.64
237
212
193
17.5
0.6
238
209
187
17.6
0.56
239
207
180
17.7
0.52
240
205
173
17.8
0.48
242
202
166
17.9
0.44
243
200
159
18
0.4
244
198
152
18.1
0.36
245
195
146
18.2
0.32
246
193
139
18.3
0.28
247
191
132
18.4
0.24
248
188
125
18.5
0.2
249
186
118
18.6
0.16
251
183
111
18.7
0.12
252
181
105
18.8
0.08
253
179
98
18.9
0.04
254
176
91
19
0
255
174
84
5项目图片
为了更好地使用本产品,为色温控制系统制作了外壳系统。
下图是外壳系统的CAD设计图及完成图。
图10外壳设计图
图11、12外壳示意图
6总结
随着LED的普及,就会不可避免地产生一些问题,比如蓝光干扰生物钟的问题。
本项目不及能够缓解这个问题,还涉足了一些未曾被涉及过的方法,比如根据日出日落时间、环境温度调整色温。
将来还可以整合更多因素,比如天气变化、室内外亮度变化等因素。
7参考文献:
[1]夜间光照与褪黑激素抑制的非视觉光感受通路模型及量化计算[J].孟扬,尹健,张天浩.南开大学学报(自然科学版).2010(05)
[2]人类的第三种光感受器(上)[J].杨公侠,杨旭东.光源与照明.2006(02)
[3]健康照明探讨[J].陈仲林.重庆建筑大学学报.2000(01)
[4]LED照明中蓝光的光生物安全问题[J].张跃敏,乔更新.中国照明电器.2013(06)
[5]白光LED的光生物作用特性[J].陈超中,施晓红,刘磊.中国照明电器.2013(04)
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