何铭洋 柴广跃,2 蒋福春 田劲东 刘文 傅晓明



基于ZigBee的实验室LED光源与自然光互补照明技术研究*

何铭洋1柴广跃1,2蒋福春1田劲东1刘文1傅晓明1

（1.深圳大学教育部光电器件与系统重点实验室 2.深圳技术大学）

研究在实验室环境下电光源与自然光的互补照明，电光源采用基于ZigBee技术的智能控制LED灯具，光检测模块也采用ZigBee技术与控制系统组网，并据此建立实验室照明模型和实验环境。运用DIALux软件对实验室照明环境进行仿真，根据仿真结果研究LED光源与自然光互补照明算法，编制LED智能控制软件，初步实现按时给光，按需补光的目的，达到节约能源的效果。

ZigBee；LED；智能照明；室内调光；DIALux

0　引言

随着LED照明技术的普及，智能照明技术也应运而生。智能照明是指利用物联网、通讯、计算机嵌入式智能化信息处理以及节能控制等技术来实现照明设备的智能化控制[1]。

本文利用实验室现有基于ZigBee技术控制的LED光源系统，增加若干组光强传感模块，根据自然光照条件控制实验室内不同地点LED光源的光强，初步实现与自然光互补的智能照明系统。系统可根据外界光照条件自动调节室内各点光源的光照强度。

1　现有实验室照明状况

1.1　实验室照明系统存在的问题

本文所讨论的实验室照明灯具分布如图1所示。实验区域面积约为20 m2，照明灯具为LED日光灯，2排2列共4组均匀排布，每组2只灯管。现有实验室照明系统存在的主要问题有[2-3]：

1）天气晴朗时，照明灯具全部打开，实验室窗帘关闭，没有合理利用自然光，造成能源浪费；

2）天气晴朗时，照明灯具全部打开，实验室窗帘打开，靠窗附近的光照很强，容易出现眩光，对眼睛损害较大；

3）实验室内远离窗户的地方，光强明显比靠窗地方暗得多，实验室内部光照强度严重分布不均匀。

图1　实验室照明灯具分布

由此可见，现有实验室照明环境存在外亮内暗的问题，不利于照明的舒适性，同时造成电能浪费。

1.2　实验室照明光强测量

对实验室照明环境进行实地测量。在实验区域内选择6个典型点（如图1所示）进行测量，其中1~4号测量点位于每组灯正下方；5号测量点在4组灯的中间位置；6号测量点在窗口处。测量条件为夏季晴朗天气，测量仪器是SPIC-200光谱彩色照度计，测量时间为9:00至17:00，测量结果如表1所示。

分析表1数据，可得到以下结论：

1） 1号和2号测量点靠近门口，照度比靠窗处的3号和4号测量点小20%~30%；

2） 5号测量点是室内最暗点，在整个测试时间段内，几乎达不到国标最低要求（300 lx），自然光照明对其基本没有影响；

表1　照度计测得室内某天的光照强度 (单位：lx)

3） 5号和6号测量点在11:00至14:00，照度在284.5 lx~583.8 lx之间，两点间的照度相差较大，横向分布不合理；

4） 6号测量点的照度值在整个室内是最高的，特别是在12:00左右其照度达到871 lx，光线刺眼，不适合在此照明条件下长时间阅读或工作，此时只能关闭窗帘，使用LED灯照明。

由表1数据可知，在11:00至14:00之间，6号测量点照度远高于国标要求，需关闭窗帘，使用室内LED光源。其他时间段可打开窗帘借助自然光辅助照明。但在其他时间段，不同点的室内照度分布不均匀，不仅影响室内照明环境，还造成电能使用不合理等问题。因此，建立上述照度数据间的关系，采用LED光源与自然光互补的照明技术是一种较好的解决方案。

2　LED光与自然光的互补算法研究

目前，普通的实验室照明场所需通过照明计算和方案设计使其达到国家规定的照明标准。而在实际使用中，希望照明不仅能满足人们工作、学习和生活的视觉条件，同时也能符合国家绿色健康照明的倡议。因此，本文的控制系统通过不同点自然光的反馈，调节该点LED光源的输出光通量，根据需要实时调整光源，使光照强度基本恒定。

2.1　建立LED光与自然光互补算法模型

目前大多数照明控制采用人工手动开关，虽然简单易操作，但对于实验室环境，依赖人为干预，会带来不便。如多云天气时，自然光不稳定，导致工作面的照度不稳定等。对此，本文针对实验室照明环境设计了一种简单可控的方案，LED照明控制系统工作流程图如图2所示。

图2　LED照明控制系统工作流程图

根据以上控制流程图得出如下描述公式：

若()+的值小于零，表示不需要LED光源输出，即(+1)=0。当然，如果周围环境的光照强度突然发生变化，系统也可根据内部设置做出相应的调整。

2.2　LED光与自然光互补算法

本文采用BH1750FVI测量自然光及LED照明灯光混合环境下的光照强度，并将测量数据反馈到控制单元与系统设定的光照强度比较，产生一个误差；系统根据误差信号和当前LED光源的输出，计算新的输出信号；该信号通过电源模块调节光照强度[4]。

3　实验模拟及分析

3.1　建筑照明设计标准

由于自然光受太阳位置、日照时间和天气等因素的影响，室内传感器实时测得的数据也会有所变化。因此，在实验室内采用自然光和LED灯光互补的方式使照度稳定，并达到我国现行的《建筑设计标准 GB50034-2013》的建筑照明标准[5]，该标准如表2所示。

表2　建筑照明设计标准

3.2　仿真与分析

采用DIALux照明软件，根据《建筑照明设计标准》的要求，对实验室内照明环境进行模拟并分析仿真结果[6]。其中，通过DIALux软件自带的灯光调节模拟实验室内各点光强。DIALux室内照明模拟图如图3所示。

图3 (a)　平面图

(b)　空间图

通过DIALux软件模拟实验环境，基本参数设置：墙壁反射系数为60%；窗户反射系数为10%，透射系数为90%；地板反射系数为70%；桌面反射系数为40%。LED灯具功率为30 W；输出光通量为2000 lm，色温为3000 K，测试高度为0.75 m。由软件计算可得到效果图如图4所示，运用DIALux软件计算得到模拟数据如表3所示。

(a)无日光照

(b)有日光照

图4不同光照情形下的伪色图

表3　DIALux模拟实验室内所得数据 (单位：lx)

对比表1与表3可知，运用DIALux软件模拟计算出的环境与实测数据基本一致。由图4和表3可以得出，光照强度从靠墙处向门口呈递减的趋势。由于距离原因，靠门处的照度比窗边小很多，造成室内光照分布不均。根据DIALux软件的模拟结果，使用自然光算法控制基于ZigBee的LED光源，可以得到如表4所示的数据。

4　实验搭建

根据仿真结果，搭建一套基于ZigBee控制的实验室LED光源与自然光互补照明系统，主要包括ZigBee协调器、LED照明终端和光强传感器等部分，实物如图5所示。

表4　加上算法后的实验室内照明模拟数据　

(a)协调器

(b)终端

(c)　传感器

实验时，将传感器安装在各灯具下的工作台面上。实验室内的照度经传感器采集后传送给终端；然后终端处理数据；最后根据实验室内所需要的照明标准进行灯光亮度调节。所得实测数据如表5所示，其中在11:00至14:00关上窗帘。系统控制时，对某些突发情况，有延时处理。如有人经过时，会对周围的光强产生影响，这时算法会有一个短暂的延时，但系统仍处于稳定状态。

表5　实验室内照明实测数据

由表5可知，使用不同补光量的LED光源后，室内照明的照度均匀性得以改善，但在5号测量点（即四盏灯的中间处）的光照强度仍然远低于其他几个测量点。若使工作面的照度分布更均匀，必须对室内的灯具做相应的优化，即利用电脑软件仿真，模拟在天花板中央加装一盏同一标准的控制灯具，图6为优化后的照明效果图，表6为优化模拟数据。

图6　优化后效果图

5　结语

本文采用DIALux软件模拟了实验室的照明情况，与实测结果基本一致。从仿真结果可以发现，通过软件模拟调整LED的亮度可使实验室达到国家相关的照明标准，同时达到照度基本均匀的目的。

根据计算机仿真结果进行了LED光源与自然光互补的算法研究，在已有的ZigBee智能照明控制系统的基础上引入光强传感器模块，初步实现了实验室LED光源与自然光的互补照明，实验结果与模拟结果基本一致。在实验过程中，发现了实验室现有照明系统布局存在的潜在缺陷，主要表现在室内横向照度分布不均及部分地方照度值仍然达不到国家标准最低值，本文利用DIALux软件模拟提出了相应优化改进方案。

[1] 范聪.基于ZigBee的智能照明的研究与实现[D].成都:电子科技大学,2015.

[2] 关高庆.多媒体教室分区化自然采光设计研究[D].天津:河北工业大学,2014.

[3] 陈泉,李长庚,陈志涛,等.基于自然采光的教室光环境研究[J].照明工程学报,2016,27(6):28-32.

[4] 邱鹏.混合光室内照明系统的研究与设计[D].上海:复旦大学,2014.

[5] 中华人民共和国建设部.GB 50034—2013建筑照明设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[6] 官旭军,徐永.DIALux对阶梯教室照明环境的设计和优化[J].照明工程学报,2016,27(6):37-42.

Research of LED Light Source and Natural Light Complementary Lighting Technology in Laboratory Based on ZigBee

He Mingyang1Chai Guangyue1,2Jiang Fuchun1Tian Jindong1Liu Wen1Fu Xiaoming1

(1. Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems, Education Ministry, Shenzhen University 2.Shenzhen Technical University)

This paper mainly studies the complementary illumination of artificial electric light source and natural light in laboratory environment. The electric light source adopts LED lamp with intelligent light control based on ZigBee technology. The light detection module also uses ZigBee technology and control system network, and then establishes the laboratory Lighting model and test environment. The DIALux software is used to simulate the lighting environment of the laboratory. According to the simulation results, studying the light source based on LED and complementary illumination algorithm of the natural light, compiling the software of LED intelligent control, the purpose of giving light on-time and on-demand has been achieved, therefore saving energy and bring more convenience for students in a laboratory environment.

ZigBee; LED; Intelligent Lighting; Indoor Adjustable Light; DIALux

何铭洋，男，1992年生，硕士，主要研究方向：室内智能照明。E-mail: 550813617@qq.com

柴广跃（通信作者），男，1959年生，学士，教授，主要研究方向：半导体光电子器件、光电混合集成、光通信子系统、功率型光电子器件的设计、工艺、应用技术等。E-mail: gychai@szu.edu.cn

广东省前沿与关键技术创新专项资金（重大科技专项）项目（2014B010120004）