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。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*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日出=180+时区*15-经度-ostan10547π81000*cos⁡(2π*日期+9365*tan纬度*π180*180/π)/15日落时间=(180+时区*15-经度+os(tan(10547π/81000*cos(2π*(日期+9)/365))*tan(纬度*π/180))*180/π)/15t日落=(180+时区*15-经度+ostan10547π81000*cos2π*日期+9365*tan纬度*π180*180π/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。。当环境