應(yīng)用ARM的高顯色性色溫可調(diào)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡奕彬，鄭新旺

（集美大學(xué)誠毅學(xué)院,福建 廈門 362021）

光源的色溫變化對人的晝夜生物規(guī)律有重要的影響，良好的顯色性可以還原物體真實(shí)的顏色，給予人良好的視覺體驗(yàn)，因此高顯色性及色溫連續(xù)變化的白光可以有效提高照明環(huán)境品質(zhì)[1-2]。與傳統(tǒng)熒光燈、白熾燈等光源相比，LED具有高效率、直流低壓驅(qū)動、壽命長、光譜豐富等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于各種照明場合。LED發(fā)光亮度與其PWM調(diào)制占空比大小成正比關(guān)系，利用這個特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)亮度精確調(diào)節(jié)、色溫調(diào)節(jié)、彩色照明、提高顯色性等效果[3]。

近年來，無線傳感與嵌入式技術(shù)在照明控制領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用。其中Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有低功耗、低速率和低成本等特點(diǎn)，Zigbee與LED照明相結(jié)合，有效地利用了其在短距離無線傳輸?shù)膬?yōu)勢，在便于控制的同時(shí)具有維護(hù)方便、節(jié)約成本等特點(diǎn)?；贏RM的嵌入式系統(tǒng)具有低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，以ARM平臺作為照明控制終端，可利用QT、GTK+等圖形用戶界面庫開發(fā)友好的用戶交互環(huán)境。LED照明技術(shù)與智能控制技術(shù)結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、多樣化的照明環(huán)境提供了基礎(chǔ)。本文介紹的照明控制系統(tǒng)采用基于ARM嵌入式Linux平臺作為用戶控制終端，Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建照明系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，采用多基色LED作為光源，實(shí)現(xiàn)具有控制便捷、色溫可調(diào)、高顯色性的高品質(zhì)照明系統(tǒng)[4]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)總體圖

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為控制模塊、發(fā)送模塊（協(xié)調(diào)器）、接收模塊（照明節(jié)點(diǎn)），系統(tǒng)原理圖如圖1所示。其中圖1（a）為控制模塊，采用的是基于ARM的嵌入式平臺，其主要功能是提供人機(jī)交互界面、接收調(diào)光指令，并將調(diào)光指令、調(diào)光參數(shù)等發(fā)送至發(fā)送模塊（協(xié)調(diào)器），同時(shí)支持PC機(jī)、手機(jī)等設(shè)備作為控制模塊。例如對某個照明節(jié)點(diǎn)的色溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，則根據(jù)預(yù)先存儲的參數(shù)計(jì)算出實(shí)現(xiàn)顯色指數(shù)最高的調(diào)光配比。

圖1（b）為發(fā)送模塊（協(xié)調(diào)器），主要由Zigbee協(xié)調(diào)器、MSP430微控制器、以太網(wǎng)控制模塊。以太網(wǎng)模塊接入無線路由器；MSP430控制器負(fù)責(zé)配置以太網(wǎng)模塊，建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端等待控制模塊客戶端的接入，并通過UART將控制終端發(fā)來的調(diào)光指令發(fā)送給Zigbee協(xié)調(diào)器；Zigbee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建Zigbee網(wǎng)絡(luò)，并將調(diào)光指令廣播至照明節(jié)點(diǎn)。

圖1（c）為接收模塊，接收模塊由若干個照明節(jié)點(diǎn)組成，每個照明節(jié)點(diǎn)由Zigbee節(jié)點(diǎn)、MSP430微控制器、LED驅(qū)動電源、多基色LED光源模塊組成。其中Zigbee節(jié)點(diǎn)加入由Zigbee協(xié)調(diào)器組建的網(wǎng)絡(luò)，并接收調(diào)光命令，若是本節(jié)點(diǎn)的指令則將參數(shù)發(fā)送至MSP430微控制器；LED驅(qū)動電源為LED光源模塊提供直流電源；MSP430微控制器通過定時(shí)器產(chǎn)生多路PWM信號至LED驅(qū)動電源，當(dāng)接收到調(diào)光指令后，改變多路PWM信號的占空比，實(shí)現(xiàn)調(diào)光調(diào)色。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)硬件

控制終端采用九鼎科技的X210開發(fā)板，其主控芯片為三星ARM Cortex-A8架構(gòu)的S5PV210處理器，主頻高達(dá)1GHz。開發(fā)板板載512M大容量DDR內(nèi)存、4GB eMMC，可輕松運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)及QT GUI庫；板載觸摸屏及DM9000，實(shí)現(xiàn)觸摸控制及以太網(wǎng)通信。發(fā)送模塊與接收模塊的控制器具體型號為TI公司的16位單片機(jī)MSP430F5529，該芯片是目前業(yè)界功耗最低的單片機(jī)之一，且具有多個UART接口、以及具有多路PWM輸出的定時(shí)器，足以滿足系統(tǒng)需求。照明系統(tǒng)中的Zigbee協(xié)調(diào)器、節(jié)點(diǎn)采用TI公司的CC2530芯片搭建。CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、Zig-Bee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（Soc）解決方案，其集成度較高，能降低硬件成本，簡化布線工作。CC2530具有五種的運(yùn)行模式，通過運(yùn)行模式調(diào)節(jié)，可以顯著較低系統(tǒng)功耗。

2 光色度控制方案

目前已有不少具有調(diào)色調(diào)光功能的照明應(yīng)用，但是存在著顯色性低、調(diào)光不夠精確等問題。常見燈光色溫、顏色調(diào)節(jié)方案有：(1)采用紅、綠、藍(lán)三基色LED組合；(2)采用冷暖白光LED組合；(3)采用白光LED與三基色LED組合。理論上，這些方案都可以產(chǎn)生色溫動態(tài)可調(diào)的白光，但是方案1和方案2難以合成高顯色性白光，方案3不但可以合成高顯色性色溫可調(diào)白光，還可以合成各類彩色光，因此光源采用WRGB-LED[5]。

2.1 高顯色性可調(diào)色溫白光的實(shí)現(xiàn)

采用CIE推薦的光源顯色性評價(jià)方法來評價(jià)光源的顯色性，即根據(jù)14種樣品色來計(jì)算顯色指數(shù)。合成白光的光譜密度函數(shù)S(λ)可表示為：

式中Sn(λ)和Dn(λ)分別為第n種LED光源的光譜密度函數(shù)和調(diào)制占空比[6]。通過調(diào)節(jié)Dn(λ)可以改變合成白光的光譜分布，進(jìn)而得到高顯色性色溫可調(diào)白光。根據(jù)合成白光的光譜分布，可以得到合成白光的三刺激值X,Y,Z，以及色坐標(biāo)(x,y)。

在合成白光照明下，14個試驗(yàn)樣品的三刺激值Xi,Yi,Zi由式(4)計(jì)算：

系數(shù)βi(λ)為第i號試驗(yàn)樣品的反射系數(shù)，最終可以計(jì)算得到14個試驗(yàn)色的色坐標(biāo)(xi,yi)(i=1,…，14）為

得到合成白光色坐標(biāo)后，采用經(jīng)驗(yàn)公式(6)得到其色溫[7]

式中R（n）為9個特定系數(shù)；A是等溫線斜率的倒數(shù)：

根據(jù)合成白光相關(guān)色溫CCT選取參考光源，當(dāng)色溫低于5 000 K時(shí)用普朗克輻射體作為參考光源，色溫高于5 000 K時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)照明體D作為參考光源。LED合成白光光源的特殊顯色指數(shù)Ri定義為[8]

式中ΔEi為第i個色樣在標(biāo)準(zhǔn)照明體與待測白光下的色差，由式(9)計(jì)算得出：

其中(Wi,Ui,Vi)和(Wri,Uri,Vri)分別為待測白光與參考光源照明下試驗(yàn)樣品的顏色空間坐標(biāo)。其中參數(shù)Wi,Ui,Vi的計(jì)算式為：

（11）式中合成白光光源的c、d，標(biāo)準(zhǔn)參考光源的cr、dr以及合成白光照明下各顏色樣品的ci、di均由(12)計(jì)算：

式中u、v為均勻色度坐標(biāo)，與色坐標(biāo)x，y的轉(zhuǎn)換公式為

為簡化計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)參考光源的色度學(xué)參數(shù)Wri、Uri、Vri、ur、vr可以采用奧爾特斯經(jīng)驗(yàn)公式f=b+pm+qm2計(jì)算 ，式中 f為 ur、vr以及所要計(jì)算的參數(shù) Uri、Vri、和 Wri、b、p、q 為對應(yīng)參數(shù)的系數(shù)，m=104/T。

在照明光源顯色性評價(jià)中，常使用一般顯色指數(shù)Ra定義為：

根據(jù)上述顯色指數(shù)計(jì)算模型，編寫了顯色指數(shù)模擬計(jì)算程序，根據(jù)光譜分布計(jì)算出光源顯色指數(shù)，并通過遍歷的方式得到顯色指數(shù)較高的光譜分布組合。采用遠(yuǎn)方HAAS-2000光譜分析系統(tǒng)測得暖白、紅色、綠色和藍(lán)色4種LED在滿電流下的光譜功率分布，將光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入模擬計(jì)算軟件，選擇合適的范圍進(jìn)行遍歷計(jì)算，挑選出顯色指數(shù)大于93的組合。表1為部分模擬計(jì)算結(jié)果，模擬計(jì)算表明，采用WRGB-LED組合、PWM調(diào)制的方式可以獲得色溫介于2 600～9 000 K，色溫連續(xù)變化，顯色指數(shù)介于94至96的高顯色性白光。

表1 部分模擬計(jì)算結(jié)果

2.2 燈光顏色調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)

彩色照明可以有效渲染環(huán)境氛圍，光源顏色調(diào)節(jié)可通過改變?nèi)獾谋戎貋韺?shí)現(xiàn)。目前照明產(chǎn)品常見的顏色調(diào)控方案有：（1）直接調(diào)節(jié)三基色比重；（2）內(nèi)置固定幾種顏色；（3）通過屏幕取色。方案（3）依據(jù)觸摸的屏幕像素點(diǎn)的三基色比例來調(diào)節(jié)三基色光源的配比，以此發(fā)出相應(yīng)顏色的光。但是當(dāng)顯示屏像素與照明光源三基色單色光通量、色坐標(biāo)差異較大時(shí)，照明光源顏色會與顯示屏顏色存在較大差異。因此，采用在控制終端引入CIE色度圖，通過在色度圖上取點(diǎn)的方式來控制燈光的顏色，同時(shí)也保留其他取色方式。

根據(jù)混光定理，三種顏色混合光的色坐標(biāo)必定在三種單色光色坐標(biāo)所圍成的三角形內(nèi)，因此三角形內(nèi)的色坐標(biāo)對應(yīng)顏色為混合光色坐標(biāo)可取值的范圍。如圖2所示，在控制終端的CIE色度圖中，以三色單色光色坐標(biāo)為頂點(diǎn)畫出三角形，區(qū)域內(nèi)為可合成的顏色。

首先測得三基色光源的色坐標(biāo)和滿電流光通量，然后根據(jù)色坐標(biāo)在色度圖中繪制合成光可實(shí)現(xiàn)的區(qū)域，最后根據(jù)選中的像素點(diǎn)在色度圖中對應(yīng)的色坐標(biāo)，由式(15)～(17)計(jì)算出三基色對應(yīng)的PWM 調(diào)制占空比，式中 Xn、Yn、Zn分別為三基色的三刺激值，(xn,yn)、Ln和Dn分別色坐標(biāo)、光通量、調(diào)制占空比,(xm,ym)為合成光的色坐標(biāo)。

圖2 混光計(jì)算示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 MSP430控制器程序設(shè)計(jì)

圖3和圖4分別為發(fā)送模塊與接收模塊的MSP430程序流程圖。其中，發(fā)送模塊中的MSP430負(fù)責(zé)初始化以太網(wǎng)模塊，建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，若接收到數(shù)據(jù)則通過串口發(fā)送至Zigbee協(xié)調(diào)器；接收端的MSP430接收Zigbee節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)并且調(diào)節(jié)LED燈亮度。對于MSP430F5529，可以通過定時(shí)器TA0的比較模式產(chǎn)生多路占空比可調(diào)的方波，其中，寄存器TA0CCR0用于設(shè)置計(jì)數(shù)周期，其值與定時(shí)器參考時(shí)鐘共同決定PWM信號的周期；寄存器TA0CCR2-TA0CCRn等決定多路PWM信號的占空比。為了降低功耗，可以將MSP430設(shè)置工作在低功耗模式。

圖3 發(fā)送模塊MSP430單片機(jī)程序流程圖

圖4 接收模塊MSP430單片機(jī)程序流程圖

3.2 ARM控制端程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求，采用QT Creator編寫測試用控制終端程序，然后通過交叉編譯，生成可以在ARM平臺上運(yùn)行的程序?？刂平K端程序具備這幾個功能：(1)觸摸屏控制；(2)網(wǎng)絡(luò)通信功能，作為客戶端連接局域網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)端；(3)單個或多個照明節(jié)點(diǎn)控制；(4)燈光亮度、顏色、色溫等參數(shù)調(diào)節(jié)。借助QT Creator的UI設(shè)計(jì)器可以快速地完成程序界面設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)界面添加需要的窗口組件，由設(shè)計(jì)器自動生成相應(yīng)的代碼。首先自定義并實(shí)例化一個繼承自QT提供的基本窗口類QWidget的窗口對象類MyWidget，該對象作為控制軟件的主窗口，也是其他組件的父組件。其他界面組件還包括(1)QLabel：負(fù)責(zé)加載CIE色度圖、色溫條、顯示文字標(biāo)題等；(2)QPushbutton：實(shí)現(xiàn)按鍵控制功能；(3)QRadiobutton：實(shí)現(xiàn)控制照明節(jié)點(diǎn)的選擇；(4)QVerticalScrollBar：通過拖動滑桿實(shí)現(xiàn)WRGB光源的比重控制。網(wǎng)絡(luò)通信通過QTcpSocket類來實(shí)現(xiàn)，其connectToHost()方法實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的連接。

通過綁定相應(yīng)的信號與槽函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)按鍵按下、滑桿拖動等事件處理。要實(shí)現(xiàn)觸摸CIE色度圖、色溫圖上實(shí)現(xiàn)燈光顏色、色溫調(diào)節(jié)，需要識別觸點(diǎn)的坐標(biāo)。因此定義一個繼承自QLabel的類MyLabel，實(shí)例化該類用于加載色度圖和色溫圖，同時(shí)重寫該類鼠標(biāo)按下事件處理函數(shù)mousePressEvent(QMouseEvent*evt)，通過變量evt可得到觸點(diǎn)坐標(biāo)，從而得到觸點(diǎn)在色度圖中的坐標(biāo)或色溫圖的中位置；同時(shí)需要重寫該類的繪圖事件處理函數(shù)paintEvent(QPaintEvent*event)，在該函數(shù)中繪制三角形區(qū)域。具體的調(diào)光調(diào)色方法在上文已闡述，其中所需要的光譜功率分布、光通量、色坐標(biāo)等參數(shù)可以通過配置文件的形式存儲于系統(tǒng)中，若光源改變了則修改相應(yīng)的配置文件。圖5為控制軟件在ARM平臺上運(yùn)行效果圖。

4 實(shí)驗(yàn)測試

4.1 燈光顏色調(diào)節(jié)測試

采用遠(yuǎn)方HAAS-2000光譜分析系統(tǒng)對燈光顏色調(diào)節(jié)進(jìn)行了測試，將WRGBLED光源模塊放置于光譜分析系統(tǒng)的積分球內(nèi)，此時(shí)光源模塊中的白光LED處于熄滅狀態(tài)。隨機(jī)在CIE色度圖上選擇幾個目標(biāo)點(diǎn)，光源發(fā)出與其對應(yīng)的顏色。表2為所選擇點(diǎn)坐標(biāo)以及對應(yīng)的測試結(jié)果，可以看出所選擇的目標(biāo)色坐標(biāo)與實(shí)驗(yàn)測得的色坐標(biāo)基本一致，誤差非常小，可見該光源顏色調(diào)節(jié)方法是可行的。

圖5 ARM終端燈光控制程序

表2 CIE色度圖取色理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2 高顯色性白光色溫調(diào)節(jié)測試

同時(shí)對高顯色性白光色溫調(diào)節(jié)進(jìn)行了測試，根據(jù)表1的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，表3為試驗(yàn)測試結(jié)果。從模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，模擬計(jì)算在色溫為8 173 K時(shí)獲得最佳顯色指數(shù)95.65，實(shí)驗(yàn)測得的色溫和顯色指數(shù)分別為8 184 K、95.6。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測得的顯色指數(shù)Ra平均值分別為94.54、94.55，色溫的理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)測量值平均誤差為19.4 K，顯色指數(shù)Ra平均誤差為0.16，理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)測量值的差值都較小，可見理論模型的正確性。圖6為實(shí)驗(yàn)中其中4組HAAS-2000測試報(bào)告，該測試報(bào)告給出包括15種特殊顯色指數(shù)在內(nèi)的詳細(xì)光學(xué)參數(shù)。由于采用的調(diào)光策略是獲得最佳的一般顯色指數(shù)Ra，因此個別特殊顯色指數(shù)存在較低數(shù)值，對于對單一特殊顯色指數(shù)有特殊要求的應(yīng)用場合，同樣可以采用本文的調(diào)光方案[9-10]。從圖6的光譜功率分布圖可以明顯看出，WRGB-LED合成白光在中心波長495 nm左右的比重較低，因此，若是在光源模塊種增加波長在490 nm左右的青色光LED，有望進(jìn)一步提高白光的顯色指數(shù)。

表3 色溫調(diào)節(jié)測試結(jié)果

續(xù)表3

圖6 實(shí)驗(yàn)中4組HAAS-2000測試報(bào)告

4.3 誤差分析

通過表2～3具體數(shù)據(jù)可得，顯色指數(shù)、色溫、色坐標(biāo)色溫調(diào)節(jié)理論與實(shí)際檢測值仍存在一定的誤差，產(chǎn)生偏差的主要原因如下：

（1）由于LED結(jié)溫升高會引起光譜漂移、出光效率降低，從而導(dǎo)致測試時(shí)光譜分布與理論計(jì)算采用的光譜分布不一致。增加散熱片或等待光源溫度穩(wěn)定再測試光譜分布等方法可以降低溫度引起的誤差。

（2）本文近似地認(rèn)為PWM的占空比與光通量呈完全線性關(guān)系，但是實(shí)際上由于不同PWM占空比的驅(qū)動電流對LED溫度、導(dǎo)通電阻的影響并不同，因此公式(2)線性疊加表示混合白光光譜雖然簡單，卻會帶來一定誤差。該方面的誤差可以通過文獻(xiàn)[11]所述的通過實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)擬合PWM占空比與光通量的方法來降低。

5 結(jié)論

針對現(xiàn)代生活對高品質(zhì)照明環(huán)境的新需求，本文設(shè)計(jì)了一種高顯色性色溫可調(diào)、顏色可調(diào)的照明控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以ARM平臺作為照明控制終端，Zigbee技術(shù)組建無線照明控制網(wǎng)絡(luò)，多基色LED作為可調(diào)光源。同時(shí)考慮到現(xiàn)在家庭都具備網(wǎng)絡(luò)路由器，因此ARM終端與Zigbee終端都接入同一個局域網(wǎng)，為拓展其他控制設(shè)備如手機(jī)、電腦提供了便利。在調(diào)光算法方面，建立了顯色指數(shù)計(jì)算模型，得到各個色溫段獲得最佳顯色指數(shù)的調(diào)光配比并存儲于控制終端中。搭建樣機(jī)并根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，得到了2 600～9 000 K范圍內(nèi)色溫可調(diào)、同時(shí)Ra保持94.5左右的高顯色指數(shù)LED白光。該系統(tǒng)具有控制便捷、色溫可調(diào)、顯色性高、色彩豐富等特點(diǎn)，為現(xiàn)代高品質(zhì)智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)參考。