基于分区可控吸顶灯的公共宿舍混合照明系统、方法及优化方法技术方案

本发明专利技术公开了基于分区可控吸顶灯的公共宿舍混合照明系统、方法及优化方法，系统包括用户接口单元、可调光灯组、位置识别单元、用户身份识别单元、调光变换单元和控制单元；灯组由各分区可独立调光的分区可控吸顶灯及工作台灯组成，基于各灯的照明分布及各用户在入睡、学习等作息模式时对光色参数的评价，控制单元通过多目标优化方法，对各分区/灯的出光参数进行寻优，最后将寻优结果通过调光变换单元转换为驱动电流值分别发送给各灯驱动器执行调光，从而协调公共宿舍内不同用户、不同作息对光照的要求，实现公共宿舍的自动优化混合照明。本发明专利技术还通过用户接口单元的操作或与日光色的对比，能实现优化结果的调节，从而使照明效果更符合用户需求。

Hybrid Lighting System, Method and Optimum Method for Public Dormitories Based on Controllable Roof Lighting

【技术实现步骤摘要】
基于分区可控吸顶灯的公共宿舍混合照明系统、方法及优化方法
本专利技术涉及智能照明领域，具体涉及一种基于分区可控吸顶灯的公共宿舍混合照明系统、方法及优化方法。
技术介绍
在我国学校、机关、企事业单位，大量存在单身职工、学生居住的公共宿舍或集体宿舍。这些宿舍的居住人数类型有双人房间、三人房间、四人房间、六人房间、八人房间不等。随着经济发展、社会进步、以人为本的体现，现在的集体宿舍公寓化硬件不断更新、设施不断完善、环境不断优化。以学校的学生公共宿舍为例，宿舍是大多数在校学生每天待的时间最长的地方之一，一般来说，同学们在宿舍除了睡觉之外，还会进行看书、学习、上网、看电视等活动。在大学宿舍，随着选修课在国家政策要求下的日益增多，同一宿舍不同学生的个人培养计划差别非常明显，比如早上第一二节课有人有课有人没课；加之个性化时代每个人的时间安排都各有特点，因此，作息时间相比过去的相对单调一致而变得越来越参差不齐。公共宿舍内，作息时间、作息规律的差别为共用同一个宿舍环境的不同个体带来了很多困扰。在这些困扰因素中，声音可以通过佩戴耳机来缓解，但光线的矛盾则难以协调。比如，有些人早睡早起，有些人在名义上的统一熄灯时间后还要学习一两个小时，要学习的人总是需要开灯的，而不可调节的灯光对则会抑制想要入睡的人的睡意甚至将他们吵醒后使得他们难以继续入睡。现有研究中，对公共宿舍照明的研究，主要在于结构设计和采光调查方面。如，南京大学2015年的硕士论文《南京大学生宿舍天然采光及照明研究》通过实地测量和问卷调研分析了南京大学生宿舍的采光情况及其存在的问题，为改善宿舍采光环境提供了参考依据。而发表在《电力需求侧管理》杂志2010第12卷第3期的《北京市高校照明现状调查与分析》，则通过对北京市55所高校教室、图书馆、食堂和宿舍照明产品使用情况的调查和典型教室照度的测试，为照明节能提供基础数据。光环境对人的生理、心理都会产生显著的影响。首先，光是正常的人产生视觉的必要条件。如果没有充足的光线，人就不能发挥视觉功效，无法识别环境，以致影响自己的判断和行为。这说明光环境条件差，会导致视觉失误，影响正常学习或操作。因此光环境与人们的生存和人身安全有着直接关系。在光环境中，光刺激对于人体血压、脉搏、呼吸、筋肉紧张等也有很大影响，能够引起自律神经系统和大脑皮质的活动。其次，在光刺激对人体生理活动造成影响的基础上，光色还通过与人的视觉体验及生活经验相结合，影响人的生理感受。比如，柔和偏暖色的灯光使人觉得心情平静，而冷色偏蓝的灯光使人思想集中、思维活跃。在公共宿舍中，学习与入睡两种重要作息活动对灯光的不同要求，使得不同个体间因灯光控制的问题而产生矛盾。夜间，当入睡用户准备休息时，经常会进行一些过渡性的活动，如工作计划安排、睡前阅读，当前还有更多的年轻人会用智能手机或平板看一些让人放松的内容。入睡前的这个阶段，用低色温低亮度的灯具或设备背光，都能对身体放松直至犯困、入睡有帮助。但对于学习用户来说，要保证学习效率，需要较高亮度和高色温的光照。这种矛盾，虽然可以通过开台灯等小灯、佩戴眼罩等方法得以缓解。但对于大灯，如吸顶灯，如果其只能通过简单的开关切换来进行控制，就可能将不同个人间的矛盾激化。反之，如果在分区可控吸顶灯与台灯进行混合照明的公共宿舍内，能根据学习、入睡等活动自动调节分区可控吸顶灯的出光，照顾不同个体的感受，则能协调不同照明需求，大大减小公共宿舍内对光需求的矛盾。基于以上因素，目前需要一种能根据宿舍用户不同作息活动进行需求协调并自动对灯具出光进行调节的照明系统。
技术实现思路
环境照明对人类的生活、学习、入睡都有着直接的影响。人们通过视觉从外界获取信息，并且迅速作出反应，工作和学习效率都直接受制于环境的照明条件，而维持基本的视觉功能也依赖于照明。同时，人体与其他生物一样，都受到日夜这种自然节律的影响。对比研究表明，按照生物节律来安排一天、一周、一月、一年的作息制度，能提高工作效率和学习成绩，减轻疲劳，预防疾病防止意外事故的发生。人眼视网膜上的第三类感光细胞即本征感光视网膜神经结细胞被发现后，已被证明它可以通过对进入人眼的可见光辐射产生一系列化学生物反应来控制人的生理节律。医学研究表明，视觉系统不仅传递给大脑光的信号，而且把外界光环境的明暗信息传递给大脑的松果体。松果体产生褪黑激素来控制了人的觉醒水平。黑暗环境会刺激松果腺合成并释放褪黑激素进入血液中，明亮环境则抑制褪黑激素的产生。光线中的蓝光能抑制松果体分泌褪黑素，白天蓝光最强，人精神抖擞；夜间蓝光最弱，脑内松果体分泌褪黑素，进入血液中的褪黑素促进人体泛困、入睡和深眠。由于影响学习效率与入睡的环境照明因素有很多方面，其中比较重要的有：照度水平、照度分布、颜色显现、光影光色等。而这些因素对不同个体的学习、入睡的影响程度是有区别的。对于光照环境与学习效率、入睡速度之间存在一种什么约束关系，这是一个多因素的映射问题。要描述它们之间的关系，可以通过离线数据的记录与统计，计算出每种光色组合条件下个体的学习效率与入睡效率评分，并将这些评分用表格形式存储。本专利技术专利首先基于位置识别单元、用户身份识别单元识别公共宿舍内各用户的作息活动，查找其当前活动对应的光色评分表，对多目标优化处理中个体分别进行评价值计算，并基于该评价值进行寻优，最后将最优个体所表示的光色参数变换为灯具的驱动电流值。其中，优化处理中所述个体，以全局照明的分区可控吸顶灯、局部照明的工作台台灯组成的混合照明灯组各自出光的色温或颜色、亮度等光色参数为待寻优参数集；所述多目标优化处理包括两个阶段，第一阶段对分区可控吸顶灯中能影响入睡用户的第一类分区的参数进行寻优，第二阶段基于第一阶段的寻优结果再对工作台灯、及分区可控吸顶灯中不影响入睡用户的第二类分区参数进行寻优。寻优所依据的评价函数F为公共宿舍内各用户评价值的加权和，由于光色参数寻优涉及到多个因素，这是一个多目标优化问题，对于多目标优化问题，其优化解被称为Pareto解。通过多目标遗传优化算法即MOGA来求解该问题。经过优化求解后，获得总评价值高的光色参数。然后，调光变换单元将该优化出的光色参数变换为灯组各驱动电流通道的驱动电流值，并将所述电流值传送给灯组内的驱动器，从而实现公共宿舍内多需求自动优化的照明。调光变换单元将光色参数转换为灯组驱动电流的变换，可以基于多种手段。首先，可以基于一个事先生成的光色空间至驱动电流空间的查找表；其次，可以基于经最小二乘法回归生成的光色空间至驱动电流空间的变换多项式；或者，还可以基于一个BP神经网络，该BP网络以工作面照度、色温、以及颜色的xyz色度值共5个光色参数作为输入量，以灯组的所有驱动电流通道的电流值作为输出量。本专利技术的技术解决方案之一是，提供一种以下结构的基于分区可控吸顶灯的公共宿舍混合照明系统，其包括：用户接口单元、照明灯组、位置识别单元、用户身份识别单元、调光变换单元和控制单元，所述用户接口单元包括总开关和多个分布于不同宿舍用户位置的用户操作终端，所述照明灯组包括对应于宿舍用户个数的工作台灯，以及分区可控吸顶灯，所述工作台灯及分区可控吸顶灯，均具有在色温、颜色之中至少一种光性质可调且亮度可调的特性，所述分区可控吸顶灯包括多个分区且其中每个分区均可独立控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于分区可控吸顶灯的公共宿舍混合照明系统，其包括：用户接口单元、照明灯组、位置识别单元、用户身份识别单元、调光变换单元和控制单元，所述用户接口单元包括总开关和多个分布于不同宿舍用户位置的用户操作终端，所述照明灯组包括对应于宿舍用户个数的工作台灯，以及分区可控吸顶灯，所述工作台灯及分区可控吸顶灯，均具有在色温、颜色之中至少一种光性质可调且亮度可调的特性，所述分区可控吸顶灯包括多个分区且其中每个分区均可独立控制出光，所述位置识别单元用来检测宿舍用户的位置，所述用户身份识别单元用来对宿舍用户进行身份识别，所述调光变换单元将工作台灯、分区可控吸顶灯的光色参数变换为其各自的驱动电流，所述控制单元分别与用户接口单元、照明灯组、位置识别单元和用户身份识别单元相连；所述控制单元包括处理模块、存储器、输入输出模块，并且其被配置为：离线状态下，通过用户接口单元及用户身份识别单元，接受宿舍用户的注册，并将用户注册表保存在存储器中，所述用户注册表包括用户识别号、用户身份识别特征、工作台位置号、床位号，对每一个经注册的用户，通过用户接口单元，输入一个光色评分表并将其保存在存储器中，所述光色评分表的每条记录中，包括作息模式、色温、颜色、照度、评分值，其中色温和颜色两个字段可以有一个为空，在存储器中预先对灯组中分区可控吸顶灯、各工作台灯分别设置一个照明分布表，所述照明分布表为亮度到照度的变换列表，表中记录有各灯/分区的不同亮度及该亮度所对应的宿舍中每个工作台、床位的照度，在线控制时，处理模块根据用户从用户操作终端输入的作息模式、以及通过位置识别单元检测到的用户位置，基于所述灯组的照明分布表、用户的光色评分表，通过多目标优化算法，第一阶段，针对当前宿舍中的所有入睡用户，将分区可控吸顶灯的各个分区根据该分区是、否对入睡用户有照明影响而将其分别列入第一类分区、第二类分区，针对所述第一类分区中的每个分区，基于该分区范围内不同入睡用户的光色评分，对该分区的亮度、及色温或颜色进行寻优，第二阶段，针对当前宿舍中所有学习用户，扣除分区可控吸顶灯的第一类分区已寻优结果对应的出光后，在工作台灯、及分区可控吸顶灯的第二类分区的光色参数可取值空间范围内，对工作台灯、及分区可控吸顶灯的第二类分区的亮度、及色温或颜色进行寻优，处理模块将寻优结果传输给调光变换单元，调光变换单元将寻优结果变换为工作台灯、分区可控吸顶灯各自的驱动电流值，并将所述电流值传送给对应灯的驱动器。...

【技术特征摘要】
2018.12.30 CN 2018116554443;2019.01.03 CN 201910021.基于分区可控吸顶灯的公共宿舍混合照明系统，其包括：用户接口单元、照明灯组、位置识别单元、用户身份识别单元、调光变换单元和控制单元，所述用户接口单元包括总开关和多个分布于不同宿舍用户位置的用户操作终端，所述照明灯组包括对应于宿舍用户个数的工作台灯，以及分区可控吸顶灯，所述工作台灯及分区可控吸顶灯，均具有在色温、颜色之中至少一种光性质可调且亮度可调的特性，所述分区可控吸顶灯包括多个分区且其中每个分区均可独立控制出光，所述位置识别单元用来检测宿舍用户的位置，所述用户身份识别单元用来对宿舍用户进行身份识别，所述调光变换单元将工作台灯、分区可控吸顶灯的光色参数变换为其各自的驱动电流，所述控制单元分别与用户接口单元、照明灯组、位置识别单元和用户身份识别单元相连；所述控制单元包括处理模块、存储器、输入输出模块，并且其被配置为：离线状态下，通过用户接口单元及用户身份识别单元，接受宿舍用户的注册，并将用户注册表保存在存储器中，所述用户注册表包括用户识别号、用户身份识别特征、工作台位置号、床位号，对每一个经注册的用户，通过用户接口单元，输入一个光色评分表并将其保存在存储器中，所述光色评分表的每条记录中，包括作息模式、色温、颜色、照度、评分值，其中色温和颜色两个字段可以有一个为空，在存储器中预先对灯组中分区可控吸顶灯、各工作台灯分别设置一个照明分布表，所述照明分布表为亮度到照度的变换列表，表中记录有各灯/分区的不同亮度及该亮度所对应的宿舍中每个工作台、床位的照度，在线控制时，处理模块根据用户从用户操作终端输入的作息模式、以及通过位置识别单元检测到的用户位置，基于所述灯组的照明分布表、用户的光色评分表，通过多目标优化算法，第一阶段，针对当前宿舍中的所有入睡用户，将分区可控吸顶灯的各个分区根据该分区是、否对入睡用户有照明影响而将其分别列入第一类分区、第二类分区，针对所述第一类分区中的每个分区，基于该分区范围内不同入睡用户的光色评分，对该分区的亮度、及色温或颜色进行寻优，第二阶段，针对当前宿舍中所有学习用户，扣除分区可控吸顶灯的第一类分区已寻优结果对应的出光后，在工作台灯、及分区可控吸顶灯的第二类分区的光色参数可取值空间范围内，对工作台灯、及分区可控吸顶灯的第二类分区的亮度、及色温或颜色进行寻优，处理模块将寻优结果传输给调光变换单元，调光变换单元将寻优结果变换为工作台灯、分区可控吸顶灯各自的驱动电流值，并将所述电流值传送给对应灯的驱动器。2.根据权利要求1所述的基于分区可控吸顶灯的公共宿舍混合照明系统，其特征在于：其还包括一个光色传感单元，对于公共宿舍内的每个用户，对应其学习、入睡两种作息模式，所述控制单元中均分别建立有一个人工神经网络，所述神经网络替换光色评分表来作为光色评分的依据，其输入变量包括色温、照度，输出变量为光色评分值，所述控制单元还被配置为：采集神经网络训练样本时，所述处理模块对光色传感单元采集的信号进行处理，对于学习、入睡两种作息模式，分别获取学习时工作台的、入睡时入睡位置的照度、色温共2个光色参数，并由用户对光色参数进行评分，处理模块通过输入输出模块向照明灯组发出调光信号后，对变化后的光环境基于光色传感单元反复获取训练样本集，并基于所述样本集对所述神经网络进行离线训练，在线控制时，在多目标优化算法处理过程中，经训练的神经网络代替光色评分表对不同光色参数条件下的光色评分值进行计算。3.根据权利要求1所述的基于分区可控吸顶灯的公共宿舍混合照明系统，其特征在于，所述用户接口单元中包括至少一个用户操作终端，所述位置识别单元包括与每个用户工作台位置相对应的位置传感器，所述用户操作终端包括底板、键盘、显示屏和滑动输入器，所述键盘用来供公共宿舍用户输入注册信息和各种参数，所述滑动输入器上有一个游标，在所述用户操作终端上，还设置有一个用户身份识别单元所包括的指纹输入器，指纹输入器用来进行用户身份识别，所述控制单元还被配置为：在多目标优化处理过程中，根据光色评分表对不同光色参数条件进行光色评分值计算后，再根据用户对滑动输入器进行操作后游标的位置，对所述评分值进行调整：f′＝f·(1+η·Δ)，其中，L为待评分的光的亮度，L0为当前光的亮度且其对应于滑动输入器上正中间的位置，当游标朝滑动输入器左右两边滑动时左右两端位置分别对应于L0的0.9和1.1倍亮度，Ln为用户操作后游标位置对应的亮度，Δ为按亮度进行评分调整的设定阈值，η为调整系数，f和f′分别为调整前后的评分值。4.根据权利要求1所述的基于分区可控吸顶灯的公共宿舍混合照明系统，其特征在于，用户接口单元中包括至少一个床位操作终端、以及与每个床位置相对应的光电传感器，所述光电传感器用来检测床帘是否拉上，所述床位操作终端包括上盖板、下盖板、入睡按键、时旋钮、分旋钮和模式键，所述时旋钮、分旋钮和模式键用来进行起床时间设置，所述分区可控吸顶灯的每个分区均包括一个蓝光分量通道，所述控制单元还被配置为：当检测到一个用户的入睡按键被按下或床帘拉上时，对所述用户的作息模式设定为入睡，并且当公共宿舍内所有用户都不处于学习模式时，将分区可控吸顶灯和所有工作台灯熄灭，对影响入睡用户的可控吸顶灯的分区，在寻优完成后调光变换单元还将所述分区的蓝光分量通道关闭，在存储器中对每个用户还设置有一个起床模式光色评分表，当某用户起床时间到时，基于其起床模式光色评分表、以及其他入睡用户的光色评分表中的入睡模式子表，通过多目标优化算法，对分区可控吸顶灯、工作台灯的光色进行寻优，调光变换单元根据寻优结果进行调光，其中，多目标优化算法处理过程中将起床用户的评分权值设定得比入睡用户的评分权值高。5.基于分区可控吸顶灯的公共宿舍混合照明变换装置，其包括变换输入模块、变换规划模块、变换确定模块、变换存储模块和变换输出模块，变换输入模块又包括光色参数输入部和驱动电流参数输入部，所述光色参数输入部从外部控制设备接收灯出光的亮度、色温、颜色的xyz色坐标值共5个光色参数，所述驱动电流参数输入部从外部控制设备接收由公共宿舍内工作台灯、分区可控吸顶灯组成的外部可调光灯组的w个驱动电流通道的电流参数，所述变换确定模块中建立有一个BP神经网络，所述BP神经网络的输入量为所述5个光色参数值，输出量为所述w个驱动电流通道的电流参数，所述变换规划模块，在外部控制设备向灯组发出调光信号后，通过所述光色参数输入部、驱动电流参数输入部采集不同光环境下，神经网络的训练样本集；并用所述训练样本集离线训练所述神经网络，调整神经网络的连接权值，将连接权值保持在所述变换存储模块中，在现场环境中，光色参数输入部从从外部控制设备接收经外部控制设备优化搜索到的具有公共宿舍混合照明高评分值的光色参数，由所述变换确定模块中经训练的BP神经网络将所述光色参数值变换为灯组各驱动电流通道的驱动电流值，并通过变换输出模块输出，所述BP神经网络的模型为：隐含层第j个节点输出为输出层第p个节点输出为其中，f()函数取为sigmoid函数，wij和vjp分别为输入层到隐含层的连接权值和隐含层到输出层的连接权值，ai和bp分别为隐含层和输出层阈值，k为隐含层节点数，采用梯度下降法进行网络训练。6.基于分区可控吸顶灯的公共宿舍混合照明优化方法，其包括以下步骤：S1、确定评价标准，假设在公共宿舍内共有m1个入睡用户，m2个学习用户，以及待优化出光的一个分区可控吸顶灯的S个分区和m2个工作台灯，其中S个分区种有S1个分区对入睡用户有照明影响，S2个分区对入睡用户无照明影响，且对于第i个入睡用户，有si个分区对其有照明影响，对公共宿舍内的每个用户，均在存储器中预设有一个光色评分表，所述光色评分表记录有用户在入睡或学习等作息模式下对作息位置各种色温、照度等光色参数组合的评分值，建立基于分区可控吸顶灯的公共宿舍照明光照总体评价函数F，其中，wi为设定的加权系数，fi为各因素评价值，如，对所有入睡用户，fi为：分区可控吸顶灯单独照明时，其第1至si分区的混合出光的亮度根据照明分布表对应到在第i个入睡用户位置处的照度、以及其混合出光的色温两个光色参数的组合，对应该入睡用户的光色评分表的入睡模式子表中进行查表，获得的评分值；对所有学习用户，fi为：m2个工作台灯组成的灯集合、以及分区可控吸顶灯混光照明时，总出光的照度、以及总出光色温两个光色参数的组合，对应在第i个学习用户的光色评分表的学习模式子表中进行查表，获得的评分值；S2、初始化进化种群规模、交叉概率、变异概率等参数，确定分区可控吸顶灯各分区、各工作台灯色温、亮度光色参数的取值区间和编码策略以及每代群体...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹细勇，张维特，徐伟，杨凯，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33