基于智能色温调节的生物钟调控系统.docx

精品文档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2700K6500K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。0 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Silk Light、Philips的hue智能LED灯泡和yeelight等产品。 图1 Philips智能LED灯图2 Yeelight智能LED灯图3 Silk Light智能LED灯图4 Huntkey 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。1 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。2 实现方式2.1 色温调节方式针对色温调节有两种方法，一种是通过RGB LED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RGB LED，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RGB LED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：R=227*系数+255*1-系数G=233*系数+174*1-系数B=255*系数+84*1-系数图5 色温和RGB值对应关系2.2 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(Pulse Width Modulation, 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2.3 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。t日出=180+时区*15-经度-arccostan1054781000*cos(2*日期+9365*tan纬度*180*180/)/15日落时间=(180+时区*15-经度+arccos(tan(10547/81000*cos(2*(日期+9)/365)*tan(纬度*/180)*180/)/15t日落=(180+时区*15-经度+arccostan1054781000*cos2*日期+9365*tan纬度*180*180/15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3 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RGB50255174845.10.04254176915.20.08253179985.30.122521811055.40.162511831115.50.22491861185.60.242481881255.70.282471911325.80.322461931395.90.3624519514660.42441981526.10.442432001596.20.482422021666.30.522402051736.40.562392071806.50.62382091876.60.642372121936.70.682362142006.80.722352162076.90.7623421921470.8233221221170.823322122117.10.7623421921417.20.7223521620717.30.6823621420017.40.6423721219317.50.623820918717.60.5623920718017.70.5224020517317.80.4824220216617.90.44243200159180.424419815218.10.3624519514618.20.3224619313918.30.2824719113218.40.2424818812518.50.224918611818.60.1625118311118.70.1225218110518.80.082531799818.90.0425417691190255174844 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5 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。6 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