CN111465135A - 基于昼夜节律的智能照明控制*** - Google Patents

Abstract

本发明一种基于昼夜节律的智能照明控制***，包括控制输入参数模块、智能照明控制***模块、物联网主控制单元、物联网照明终端节点集合和终端照明灯具集合；输入参数模块包括多种控制输入参数包括但不限于设备控制事件、色温传感器、亮度传感器和GPS传感器；物联网主控制单元通过负责智能照明控制***模块和物联网照明终端节点之间实现通信。使用昼夜节律来调节色温，人工与***相结合的方式来调节亮度使用数据分类预测技术来实现人工亮度调节的预测。使用智能手机自带的传感器，实施更方便，成本更低。

Description

基于昼夜节律的智能照明控制***

技术领域

本发明涉及智能照明领域，具体涉及一种基于昼夜节律的智能照明控制***。

背景技术

昼夜节律(circadian rhythm)是指生命活动以24小时左右为周期的变动。又称近日节律。人体生理功能，学习与记忆能力、情绪、工作效率等也有明显的昼夜节律波动。昼夜节律与人类的活动关系密切。生理节律遭扰乱，会导致人体生理功能，学习与记忆能力、情绪、工作效率等也有明显的昼夜节律波动。

人类在长期的进化过程中，已经适应了自然光的昼夜节律变化，在人体内形成一个特殊的器官，具有控制生物节律的作用，称作生物钟。生物钟时刻接受着来自外界的明暗周期信号，调整自身的生理周期，以适应外界环境。

但是随着人类的发展，城市化进程的发展，人们的活动空间慢慢以室内为主。研究表示，自然光照的缺乏是导致人体生理节奏紊乱，心里情绪障碍以及其他身体疾病的原因之一。

所以，健康、高品质的照明***应考虑人体昼夜节律的变化。研发动态的照明***，能够根据一天内不同的时间对照度、色温、光谱等参数进行自动调节，以适应人体昼夜节律的变化。

关于昼夜节律方面的研究非常多，主要有以下几个研究方向：

一、照明硬件装置的改进

2、提供一套照明硬件改进的装置实现照明设备满足昼夜节律的功能。

二、模拟自然界光谱来调节照明使其吻合人体昼夜节律。

3、提供一套***通过分析自然界的光谱来动态调整照明参数，主要应该在医院。

三、关于人体昼夜节律状态的检测及量化

提供一套方法检测人的昼夜节律的是否与自然界的昼夜节律状态是否匹配，并可量化匹配度。

现有技术的重点是在灯具设备硬件设施的改进上，其成本会相对较高。

现有技术主要针对照射不到自然光的密闭区域的研究(如医院)，通过人力大量的采集光谱数据，效率低下。

现有技术采集数据的方式不易实际推广。

现有技术是针对RGBW彩灯的控制，没有针对普通LED灯。

现有技术主要是针对色温的调节，未结合亮度的调节。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于昼夜节律的智能照明控制***来模拟太阳光的亮度和色温，综合使用多种传感器，大大降低数据采集的难度。本发明的重点在软件***的设计上，而非硬件层面，更通用。通过利用多种传感器借助物联网实现数据的采集，成本低，简单易行。通过传感器实时采集数据，数据更全面也更科学。主要针对普通的LED照明灯具，应用范围更广泛，使用场景也更多，如学校、办公等等；使用昼夜节律来调节色温，人工与***相结合的方式来调节亮度使用数据分类预测技术来实现人工亮度调节的预测。使用智能手机自带的传感器，实施更方便，成本更低。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于昼夜节律的智能照明控制***，包括控制输入参数模块、智能照明控制***模块、物联网主控制单元、物联网照明终端节点集合和终端照明灯具集合；输入参数模块包括多种控制输入参数包括设备控制事件、色温传感器、亮度传感器和GPS传感器；所述智能照明控制***模块包括前端配置客户端模块、昼夜节律时间表、人工调节亮度数据库模块和后台服务程序模块；物联网主控制单元通过负责智能照明控制***模块和物联网照明终端节点之间实现通信；物联照明终端节点集合为配置在各个灯具设备上面的物联网模块实现照明设备和物联网主控制单元之间的通信；终端设备集合为多个灯具设备。

在其中一个实施例中，所述智能照明***模块包括：

模块一：前端配置客户端模块，此模块用来配置昼夜节律时间表、以及手动调节灯具色温；

模块二：昼夜节律时间表，此模块用来作为灯具色温调节的基准依据；

模块三：人工调节亮度数据库模块，此模块用来记录人工调节亮度的历史纪录以作为后期自动调节依据；

模块四：后台服务程序模块，由智能算法引擎负责执行昼夜节律方案，根据输入参数并结合人工调节亮度数据计算出合适的灯具照明色温值和亮度值进行照明控制。

在其中一个实施例中，所述智能算法引擎具体流程包括：

步骤1：先通过颜色传感器计算出当前的目标色温CCT1；

步骤2：通过GPS传感器定位的位置信息；检索天气开关配置参数，如果天气开关打开，则通过天气api接口获取当前的天气信息，再匹配昼夜节律表获取所对应的合适的色温CCT2；反之，如果天气开关关闭，则匹配昼夜节律表的基准的时候则不考虑天气影响；

步骤3：计算CCT1和CCT2的色温误差绝对值，即DNL1＝|CCT1-CCT2|，当超过误差时，则***自动调节灯具的色温为CCT2；反之，则无需修正灯具色温；

步骤4：最后通过亮度调节模型智能调节。

在其中一个实施例中，亮度调节需要结合人工调节的历史数据来动态调整，通过数据挖掘的分类方法来实现亮度是否需要调节，分类步骤有二：

第一步：训练阶段：

步骤1：建立训练数据集，数据集由一组数据元组构成，将一天分成24个时段，日期以周历的形式展现，每个数据源组都有一个标签分类“Yes”或“No”；

步骤2：统计每个时段的人工调节亮度的操作次数，并规定预设操作频率的操作时段内如果产生了人工调节亮度的动作，则就将此条数据标记为“Yes”，反之标记为“No”；

第二步：评估阶段：

步骤1：评估阶段需要使用第一阶段建立的模型对检验集数据元组进行分类，从而评估分类模型的预测准确率；

步骤2：使用训练模型对未知数据元组进行分类。

第三步：计算最终亮度。

在其中一个实施例中，第三步：计算最终亮度，具体包括：

步骤1：数据分类之后，即给每条人工调节亮度的操作数据贴上标签“Yes”

或“No”；

步骤2：如果为“No”，则无需调节灯具亮度；如果为“Yes”，则进入步骤3；

步骤3：获取当前人工调节亮度Lux1；

步骤4：亮度传感器获取当前环境亮度Lux2；

步骤5：计算Lux1和Lux2的亮度误差绝对值，即DNL2＝|Lux1-Lux2|；当超过误差时，则***自动调节灯具的亮度为Lux1；反之，则无需修正灯具的亮度。

在其中一个实施例中，训练集数据从已有的数据中挑选2/3，剩下的1/3作为检验数据集。

在其中一个实施例中，通过智能手机中的传感器来代替上述的颜色传感器和GPS传感器。

在其中一个实施例中，GPS传感器用来通过接收卫星定位信息来获取当前的地区的经纬度信息，以及日落日出时间和气候情况；在一定范围内只需要安装一个GPS传感器即可，位置信息获取一次即可。

在其中一个实施例中，位置信息的获取也可以通过在线地图来获取或者通过手持GPS设备来获取。

在其中一个实施例中，物联终端节点支持主流的通信协议，包括Wi-Fi、RF2.4、433M、Zigbee。

本发明的有益效果：

利用物联网技术和智能算法的配合使用，综合昼夜节律调节色温，人工调节亮度与***自动调节亮度相结合更优化；综合多种输入参数，决策更全面、更科学；智能控制让昼夜节律决定色温，人工调节亮度与***自动调节亮度相结合，更符合实际场景需求和未来发展的需求；结合智能手机避免安装相关硬件实施更方便，应用场景更广泛。

附图说明

图1是本发明基于昼夜节律的智能照明控制***的结构框图。

图2是本发明基于昼夜节律的智能照明控制***的智能算法引擎流程图。

图3是本发明基于昼夜节律的智能照明控制***中的数据挖掘训练阶段示意图。

图4是本发明基于昼夜节律的智能照明控制***中的数据挖掘评估阶段示意图。

图5是本发明基于昼夜节律的智能照明控制***中的亮度调节示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参阅图1，本发明公开了一种基于昼夜节律的智能照明控制***，其包括控制输入参数模块，智能照明控制***模块、物联网主控制单元，物联网照明终端节点集合，终端照明灯具集合，效果反馈模块。输入参数模块包括多种控制输入参数包括但不限于设备控制事件、色温传感器、亮度传感器、GPS传感器等；智能照明***模块由前端配置客户端模块、后台服务程序模块和人工调节亮度数据库模块组成；物联网主控制单元通过负责智能照明控制***模块和物联网照明终端节点之间实现通信；物联照明终端节点集合为配置在各个灯具设备上面的物联网模块实现照明设备和物联网主控制单元之间的通信；终端设备集合为多个灯具设备。

昼夜节律智能照明控制***的意图是通过***自动模拟自然光的色温，也就是色温由节律来动态决定；照明的亮度由人工调节和***自动干预相结合。

一、控制输入参数模块：

控制输入参数功能说明表：

RGB颜色传感器作用:

众所周知，自然光的光谱都可以通过三原色(RGB)来表示出来，因此模拟自然光的色温首先是要获取自然光的三原色，而RGB颜色传感器便可以采集自然光的三原色并转化为针对灯具照明的XYZ的三刺激值并通过下属方程计算出灯具照明的色温(CCT)值。

X＝0.16104R+0.12455G+0.08469B-4.87662 (1)

Y＝0.01451R+0.30386G+0.02684B-2.95881 (2)

Z＝-0.0128R-0.19843G+0.69963B-361108 (3)

x＝X/(X+Y+X) (4)

y＝Y/(X+Y+X) (5)

n＝(x-0.3320)/(y-0.1858) (6)

CCT＝-437n³+3607n²-6861n+5514.31 (7)

以上(1)-(7)的方程为RGB计算灯具色温的转换方程(此方程为业内相关研究已验证方法)。

GPS传感器作用：

GPS传感器用来通过接收卫星定位信息来获取当前的地区的经纬度信息，以及日落日出时间和气候情况。在一定范围内只需要安装一个GPS传感器即可，位置信息获取一次即可。当然位置信息的获取也可以通过在线地图来获取或者通过手持GPS设备来获取(这个需要一定的配置工作，相对比较繁琐)。但是安装GPS传感器更方便，成本也不高且增加了移动性。

智能手机的集成：

现如今智能手机的功能是越来越强大，并且都配备了很多传感器，其中就包括颜色传感器以及GPS传感器。因此也可以结合智能手机通过智能手机中的传感器来代替上述的颜色传感器和GPS传感器。

二、智能照明***模块主要由四个模块组成：

模块一：前端配置客户端模块，此模块用来配置昼夜节律时间表、以及手动调节灯具色温。

模块二：昼夜节律时间表，此模块用来作为灯具色温调节的基准依据。

昼夜节律时间表作为公知的常识可以作为调节色温的基准。注意昼夜节律是跟时区以及天气都是相关的，上表只是提供了不同时区昼夜节律表的公共信息，省略位置等信息。

模块三：人工调节亮度数据库模块，此模块用来记录人工调节亮度的历史纪录以作为后期自动调节依据。

模块四：后台服务程序模块，由智能算法引擎负责执行昼夜节律方案，根据输入参数并结合人工调节亮度数据计算出合适的灯具照明色温值和亮度值进行照明控制。

参阅图2，所述智能算法引擎具体流程包括：

步骤1：先通过颜色传感器计算出当前的目标色温CCT1；

步骤2：通过GPS传感器定位的位置信息；检索天气开关配置参数，如果天气开关打开，则通过天气api接口获取当前的天气信息，再匹配昼夜节律表获取所对应的合适的色温CCT2；反之，如果天气开关关闭，则匹配昼夜节律表的基准的时候则不考虑天气影响(例如：只考虑晴好天气的色温)；

步骤3：计算CCT1和CCT2的色温误差绝对值，即DNL1＝|CCT1-CCT2|。(此处可以设置一个误差门限，如100K)，当超过误差时，则***自动调节灯具的色温为CCT2；反之，则无需修正灯具色温；

步骤4：最后通过亮度调节模型智能调节(见下面数据挖掘分类预测流程图3和图4)。

亮度调节需要结合人工调节的历史数据来动态调整，通过数据挖掘的分类方法来实现亮度是否需要调节，分类步骤有二：

第一步：训练阶段：

步骤1：建立训练数据集，训练集数据从已有的数据中挑选2/3，剩下的1/3作为检验数据集。数据集由一组数据元组构成即(时间段、周一、周二、周三、周四、周五、周六、周日)，将一天分成24个时段(可以更细粒度细分，如30分钟一段)，日期以周历的形式展现，每个数据源组都有一个标签分类“Yes”或“No”；

步骤2：统计每个时段的人工调节亮度的操作次数，并规定预设操作频率，比如操作频率最高的Top3(这个排名也可以定义，如Top10)的操作时段内如果产生了人工调节亮度的动作，则就将此条数据标记为“Yes”，反之标记为“No”。

第二步：评估阶段：

步骤1：评估阶段需要使用第一阶段建立的模型对检验集数据元组进行分类，从而评估分类模型的预测准确率；

步骤2：使用训练模型对未知数据元组进行分类。

参阅图5，第三步：计算最终亮度：

步骤1：数据分类之后，即给每条人工调节亮度的操作数据贴上标签“Yes”或“No”；

步骤2：如果为“No”，则无需调节灯具亮度；如果为“Yes”，则进入步骤3；

步骤3：获取当前人工调节亮度Lux1；

步骤4：亮度传感器获取当前环境亮度Lux2；

步骤5：计算Lux1和Lux2的亮度误差绝对值，即DNL2＝|Lux1-Lux2|。(此处可以设置一个误差门限，如10％)，当超过误差时，则***自动调节灯具的亮度为Lux1；反之，则无需修正灯具的亮度。

三、物联网主控制单元模块

物联网主控制单元负责智能照明***和物联网终端节点之间通信。物联网主控制单元支持主流的通信协议如Wi-Fi、RF2.4、433M、Zigbee等。

四、物联网照明终端节点集合模块

物联照明终端节点集合为配置在各个灯具设备上面的物联网模块，实现灯具设备和物联网主控制单元之间的通信。物联终端节点支持主流的通信协议如Wi-Fi、RF2.4、433M、Zigbee等。

五、终端设备集合模块

终端设备集合为受控的灯具设备。

下面给出本发明的一个应用场景：

以教室作为应用场景举例：

教室配备了如下物联网设备：照明灯具、GPS传感器、亮度传感器、颜色传感器，其中GPS传感器、亮度传感器、颜色传感器作为智能照明控制***的控制输入参数；照明灯具作为智能照明控制***的受控设备。智能照明控制***部署在第三方云服务器上(或者学校的IDC机房)，学校部署了GPS传感器信息。

学校后勤人员可以通过PC电脑登录智能照明控制***客户端，上传昼夜节律时间表(同时可以将此昼夜节律时间表应用于多个学校或教室区域)，基础数据配置DNL1＝100K，DNL2＝10％：

1、颜色传感器获取当前教室所在区域的目标色温CCT1。通过GPS传感器定位的位置信息再匹配昼夜节律表中当前位置当前时间当前天气所对应的合适的色温CCT2，天气可以通过在线api接口获取；

2、***自动计算CCT1和CCT2的色温误差绝对值，即DNL1＝|CCT1-CCT2|。当超过误差时，则***自动调节灯具的色温为CCT2；反之，则无需修正灯具色温；

3、亮度调节模型模块采用数据挖掘分类预测模型动态给数据分类标记；

4、当检索到人工调节亮度的数据标记为“No”时，则无需调节灯具亮度；当检索到人工调节亮度的数据标记为“Yes”时，获取当前的人工调节亮度数据Lux1；

5、通过亮度传感器获取当前实际的亮度数据Lux2；

6、计算Lux1和Lux2的亮度误差绝对值，即DNL2＝|Lux1-Lux2|。当超过误差时，则***自动调节灯具的亮度为Lux1；反之，则无需修正灯具的亮度。

智慧照明控制***后台服务程序会去动态运行值守。随着***的数据量的增加以及长时间使用的积累，数据的分类预测也会更科学，用户的使用体验也会更舒适。

以上应用场景仅为本专利的典型应用场景，同样适用于其他行业(如酒店、办公室、商场等)的室内节能。

说明：GPS传感器、颜色传感器的功能可以通过智能手机来代替。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于昼夜节律的智能照明控制***，其特征在于，包括控制输入参数模块、智能照明控制***模块、物联网主控制单元、物联网照明终端节点集合和终端照明灯具集合；输入参数模块包括设备控制事件、色温传感器、亮度传感器和GPS传感器；所述智能照明控制***模块包括前端配置客户端模块、昼夜节律时间表、人工调节亮度数据库模块和后台服务程序模块；物联网主控制单元通过负责智能照明控制***模块和物联网照明终端节点之间实现通信；物联照明终端节点集合为配置在各个灯具设备上面的物联网模块实现照明设备和物联网主控制单元之间的通信；终端设备集合为多个灯具设备。

2.如权利要求1所述的基于昼夜节律的智能照明控制***，其特征在于，所述智能照明***模块包括：

模块一：前端配置客户端模块，此模块用来配置昼夜节律时间表、以及手动调节灯具色温；

模块二：昼夜节律时间表，此模块用来作为灯具色温调节的基准依据；

模块三：人工调节亮度数据库模块，此模块用来记录人工调节亮度的历史纪录以作为后期自动调节依据；

模块四：后台服务程序模块，由智能算法引擎负责执行昼夜节律方案，根据输入参数并结合人工调节亮度数据计算出合适的灯具照明色温值和亮度值进行照明控制。

3.如权利要求2所述的基于昼夜节律的智能照明控制***，其特征在于，所述智能算法引擎具体流程包括：

步骤1：先通过颜色传感器计算出当前的目标色温CCT1；

步骤2：通过GPS传感器定位的位置信息；检索天气开关配置参数，如果天气开关打开，则通过天气api接口获取当前的天气信息，再匹配昼夜节律表获取所对应的合适的色温CCT2；反之，如果天气开关关闭，则匹配昼夜节律表的基准的时候则不考虑天气影响；

步骤3：计算CCT1和CCT2的色温误差绝对值，即DNL1＝|CCT1-CCT2|，当超过误差时，则***自动调节灯具的色温为CCT2；反之，则无需修正灯具色温；

步骤4：最后通过亮度调节模型智能调节。

4.如权利要求3所述的基于昼夜节律的智能照明控制***，其特征在于，亮度调节需要结合人工调节的历史数据来动态调整，通过数据挖掘的分类方法来实现亮度是否需要调节，分类步骤有二：

第一步：训练阶段：

步骤1：建立训练数据集，数据集由一组数据元组构成，将一天分成24个时段，日期以周历的形式展现，每个数据源组都有一个标签分类“Yes”或“No”；

步骤2：统计每个时段的人工调节亮度的操作次数，并规定预设操作频率的操作时段内如果产生了人工调节亮度的动作，则就将此条数据标记为“Yes”，反之标记为“No”；

第二步：评估阶段：

步骤1：评估阶段需要使用第一阶段建立的模型对检验集数据元组进行分类，从而评估分类模型的预测准确率；

步骤2：使用训练模型对未知数据元组进行分类；

第三步：计算最终亮度。

5.如权利要求4所述的基于昼夜节律的智能照明控制***，其特征在于，

第三步：计算最终亮度，具体包括：

步骤1：数据分类之后，即给每条人工调节亮度的操作数据贴上标签“Yes”或“No”；

步骤2：如果为“No”，则无需调节灯具亮度；如果为“Yes”，则进入步骤3；

步骤3：获取当前人工调节亮度Lux1；

步骤4：亮度传感器获取当前环境亮度Lux2；

步骤5：计算Lux1和Lux2的亮度误差绝对值，即DNL2＝|Lux1-Lux2|；当超过误差时，则***自动调节灯具的亮度为Lux1；反之，则无需修正灯具的亮度。

6.如权利要求4所述的基于昼夜节律的智能照明控制***，其特征在于，训练集数据从已有的数据中挑选2/3，剩下的1/3作为检验数据集。

7.如权利要求1所述的基于昼夜节律的智能照明控制***，其特征在于，通过智能手机中的传感器来代替上述的颜色传感器和GPS传感器。

8.如权利要求1所述的基于昼夜节律的智能照明控制***，其特征在于，GPS传感器用来通过接收卫星定位信息来获取当前的地区的经纬度信息，以及日落日出时间和气候情况；在一定范围内只需要安装一个GPS传感器即可，位置信息获取一次即可。

9.如权利要求1所述的基于昼夜节律的智能照明控制***，其特征在于，位置信息的获取也可以通过在线地图来获取或者通过手持GPS设备来获取。

10.如权利要求1所述的基于昼夜节律的智能照明控制***，其特征在于，物联终端节点支持主流的通信协议，包括Wi-Fi、RF2.4、433M、Zigbee。

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