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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

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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。

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。

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与，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。

实现方式

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：

R=227*

G=233*

B=255*

图5色温和RGB值对应关系

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

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

t

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