CN101563959A - 用于控制光源的装置 - Google Patents

Abstract

一种照明系统(1)，包括：至少一个光源(2)；控制系统(3)，其用于控制该光源，该控制系统包括具有至少一个光传感器(5)的传感器系统(4)，该光传感器用于感测环境光(L1)以及生成表示感测到的光水平的传感器输出信号(M)，其中该控制系统被设计用于与传感器输出信号相关地控制光源(2)。该控制系统自动校准传感器系统。该控制系统测量校准时刻的环境照明水平(M_MIN)并且将该测得的环境照明水平存储到存储器(7)中。该控制系统优选地具有处于关闭状态的光源，其监测环境照明水平并且将该水平与存储值进行比较，并且当环境照明水平达到低于存储值的新的最小值时自动执行校准过程。

Description

用于控制光源的装置

技术领域

本发明总体涉及控制房间内照明的领域。更具体地，本发明涉及一种控制系统，其能够调整光源从而保持某一恒定的照明水平，和/或能够响应于房间内是否存在人的探测结果打开或者关闭光源。该控制系统例如用于办公室中，在办公室中所希望的是在办公室工作人员的办公桌上具有恒定的光水平，并且将针对这种应用更详细地描述本发明，但是应当注意本发明不限于该应用。

背景技术

在希望将照明水平保持恒定的房间中，当大量日光进入房间中时可以将光源会调暗甚至关闭，并且应当在房间变暗时打开该光源或者提高到较高的输出水平。为了能够实现这种控制特性，一种控制系统包括测量环境照明水平的传感器系统。该传感器系统接收从表面(例如桌面)反射的光。

发明内容

问题是即使在环境光水平保持恒定时，由该传感器系统“观察”到的光强度可以随着房间中环境的变化而变化。传感器系统接收到的光量取决于房间中物体的反射系数，这又取决于房间中的情况，例如是否存在办公家具、办公家具的颜色等等。这样，因为这些反射系数取决于应用的位置并且因此不可预知，所以需要在已经重新安装之后对传感器系统进行校准。因此，该传感器系统能够以校准模式工作。到目前为止，通过使传感器系统在所有灯关闭时，优选的是在没有日光的条件下进行测量以及使该传感器在所有灯打开时进行测量来完成校准；差值对应于房间中安装的灯的功率，这是已知的(对于典型的办公用途而言，该水平为500勒克斯)。

目前，在夜晚用手完成该校准过程。通常，抵靠天花板安装该传感器，并且实施该校准过程的操作者必须手动打开和关闭灯，并且必须手动使传感器进入其校准模式。为此，传感器设有需要由操作者按压的校准按钮，这样就需要操作者不得不爬上梯子以接近传感器，然后他必须移开梯子和他自己，以便不干扰实际的反射系数(可替代地，该传感器设有遥控器，但是这样更加昂贵)。必须对于每个传感器重复该过程。而且，在大多数情况下，操作者必须等到房间外黑暗。总而言之，该校准过程是非常繁琐的过程。

本发明的目的是消除或者至少减少以上的问题。

更具体地，本发明旨在提供一种能够自动校准的传感器系统。

在设有自动校准设备的传感器中，实际的校准过程能够保持相同。该传感器的重要方面是限定执行校准过程的适当时间。

根据本发明，一种传感器系统被设置为识别外界黑暗的时刻。该识别过程基于以下事实，外界光通常具有白天/夜晚模式，其中在夜晚光水平最小。因此，根据本发明的系统监测作为时间函数的照明水平，并且当照明水平达到最小时，该传感器则假设天已经黑了。在优选实施例中，将光源关闭。这对应于普通情况，即在晚上办公室无人使用并且灯关闭，以及随着太阳落下而变黑直到第二天早晨，随着太阳升起外界光水平再次升高。

在从属权利要求中提到了其他有利的详尽细节。

需要注意的是，DE-196.06674公开了一种在预定时间执行自动校准的方法，其中将至少一个光源用作基准光源。然而，使用固定的预定时间无法保证实际黑暗。而且，使用一个光源作为基准光源意味着不可能对照明水平执行绝对测量。

附图说明

通过以下参照附图对一个或多个优选实施例的描述进一步阐述本发明的这些及其它方面、特征和优点，在附图中相同的附图标记表示相同或者相似的部件，并且其中：

图1示意性示出具有根据本发明的照明系统的房间。

图2是示意性示出具有传感器系统的控制系统的结构图。

图3是示出用于启动校准过程的传感器系统操作的流程图。

图4是示出用于启动另一个校准过程的传感器系统操作的流程图。

具体实施方式

图1示意性示出具有地板22和天花板23的房间20。办公家具示例性示出为桌子25。该房间设有照明系统1，其包括多个可控光源2；在图1的实例中，仅示出两个光源2。该光源可以包括白炽灯、气体放电灯、LED或者任何其它适当类型的光源；下面，将光源简要表示为“灯”。

该照明系统1还包括用于控制光源2的控制系统3；更具体地，该控制系统3能够打开和关闭该灯，或者使灯变暗。根据灯的类型，该控制系统3可以包括灯切换装置，例如功率继电器，但是该控制系统3还可以包括用于为灯提供控制信号S_C的输出端，以使得包括专用灯驱动器的灯将由该控制信号进行控制。

在特定的实施方案中，该控制系统3能够根据环境光水平并且响应于探测器来打开或者关闭灯，该探测器例如为探测房间20中是否有人的红外运动探测器。假设当房间中存在至少一个人时，所希望的是该环境光水平至少高于预定阈值水平(例如500勒克斯)。如果房间中没有人，则光源关闭。如果环境光水平低于阈值水平，同时至少一个人进入房间中，则灯自动打开。例如，该灯可以提供500勒克斯。如果在该灯打开的情况下环境光水平在第二预定阈值水平以上(例如在本实例中为1100勒克斯；例如这是由于太阳光造成的)，同时房间中至少有一个人，则该灯自动关闭(从而导致光水平降低500勒克斯，在本实例中房间中还剩下600勒克斯)。

在另一个特定实施方案中，根据进入该房间中的外部光量，按照使环境光水平基本上保持恒定(例如500勒克斯)的方式，使该灯或多或少地变暗。在这两个实施方案中，校准传感器系统是重要的，与第一种实施方案相比，在第二种实施方案中更是如此。

图2是示出包括传感器系统4的控制系统3的结构图，该传感器系统包括光传感器5、比较器6和能够调整该传感器系统4(特别是传感器5)的控制器9。该光传感器5接收L1水平(或强度)的光，并且根据公式(1)生成与接收到的光水平L1成正比的输出信号M，

M＝β·L1+γ(1)

其中β表示传感器响应系数，并且其中γ表示零水平(补偿)。由比较器6接收传感器输出信号M，该比较器将接收到的传感器输出信号M与至少一个基准值Vref进行比较。根据比较结果，该比较器6发出输出信号So。控制器9接收该传感器输出信号M和比较器输出信号So。

该基准值Vref对应于某个光水平Lref。在可能的实施方案中，可以操作如下。

如果用户在明亮的白天进入房间，则传感器5接收到的日光可能使得输出信号M高于基准值Vref；在这种情况下，该控制系统3保持灯2关闭。

当日光减少并且因此传感器5的输出信号M变低时，输出信号M会降低到基准值Vref以下；在这种情况下，控制系统3以暗淡状态打开灯2，使得日光与灯光的组合产生了对应于基准值Vref的传感器输出信号M。

当日光进一步减少时，将灯2切换到更亮以保持照明水平。当最终灯完全打开时，无法再补偿日光的进一步减少。

最终当用户离开该房间时，关闭灯2(典型地在某个延迟之后)。

图1还示出本发明潜在的问题。将灯2的实际光强度表示为L0。通过反射，传感器5接收到光强度L1＝α·L0，其中α表示房间20的“整体”反射系数，其具有0与1之间的值。事先，在应用位置α的实际值是未知的，并且因此传感器响应系数β的值可能太高或太低。

为了解决这个问题，控制器9能够在日光的影响为零或者至少很小时并且优选地在房间中没有人时执行自动的校准过程。该校准过程包括两个测量。当所有灯关闭时执行第一测量。就该传感器而言，在黑暗环境下其输出信号M应当为零，因此根据公式(1)，该第一测量满足以下公式：

M(1)＝β·L1(1)+γ＝0(2)

其中L1(1)表示(未知的)背景光量。

当所有灯100％打开时执行第二测量。目前，该输出信号M应当对应于该照明系统1的安装光功率，在该系统中该光功率是已知的并且表示为L_INST。因此，根据公式(1)，该第二测量满足以下公式：

M(2)＝β·α·(L1(1)+L_INST)+γ＝M_INST    (3)

其中M_INST表示当房间20中的光水平等于照明系统1的安装光功率L_INST时经校准或者期望的测量值。

注意到，为了执行该第二测量，通常仅需要在短暂时刻打开灯。为了考虑到某些类型的灯花费较多的时间达到稳态输出水平，可以对控制器9进行编程以打开灯，等待预定的延迟时间，然后执行第二测量。该延迟时间的范围可以从几秒到几分钟。可替代地，可以确定打开之后即刻的照明水平与稳态期间的照明水平之间的固定比，并可以在执行校准时将该比率考虑在内。

在公式(3)中，可以忽略L1(1)和γ，M_INST是固定的，并且L_INST是已知的。α是未知的反射系数。控制器9被设计用于修改传感器响应系数β，使得其测量信号M(2)等于M_INST。可替代地，如果传感器响应系数β是太低或太高的因数，则可以由相同的因数调整该基准电平Vref，使得最终在正确的环境光水平下对打开还是关闭灯作出决定。

γ取零是可能的。在这种情况下，传感器输出信号将响应于第一测量情况下的(未知)背景光量而不等于零。然而，如果已经设定了β，则控制器9可被设计用于修改零水平γ，使得测量信号M(1)等于零。然而，这与校正后的β值有很小的或没有因果关系。

在说明性实例中，安装光水平等于500勒克斯，该值M_INST等于4V，并且存在两个基准电平Vref1＝4V和Vref2＝10V。这意味着当照明水平等于或者大于1250勒克斯时关闭灯以及当照明水平低于500勒克斯时打开灯。

如上所述，在现有技术中，通过手动用户命令启动校准过程，或者在固定时间或响应于照明水平变得低于基准水平而执行校准过程。根据本发明，该控制器9被设计用于探测一天中最黑暗的时刻，如参照图3所述的，该图是示意性示出传感器在为校准过程确定适当的开始时刻的操作的流程图。

在第一步骤101中，控制器9检查是否已经关闭全部光；这可以由用户完成，或者由控制器自身响应于探测到房间中没有人留下来完成。如果控制器9发现用户已经关闭了所有光，则在步骤102中该控制器通过将传感器输出信号M与存储在存储器位置7(参见图2)中的最低历史值M_Min相比较来监测由该传感器输出信号M表示的照明水平。只要该输出信号M保持高于该最低历史值M_Min，则不启动(新的)校准过程。

如果在步骤102中，控制器9发现当前的测量值M低于最低历史值M_Min，则这表示明显在未完全黑暗的时刻执行最后的校准，并且现在接近更黑暗的时刻并因此可以实现更好的校准。在步骤103中，该控制器监测降低的测量值M(其表示仍然在变暗)，并且确定该测量值M达到最小值(对应于最黑暗的时刻)的时刻。该控制器通过等待直到测量值M开始再次上升为止来完成上述过程，但是该控制器还可以使用更加复杂的算法来计算最小M的时刻。注意到，用于分析测量信号以及计算其何时达到最小或最大的算法本身是已知的，并且能够用于实现本发明，因此这里无需对该算法进行更加详细的讨论。只说一点就足够，在正常环境下，傍晚和夜晚当中黑暗的周期持续相对较长，从而使得有关最小M的精确时刻的决定不是非常关键，其可以具有几分钟的容差或者甚至可能是一个小时量级的容差。在可能的实施例中，有规则地采样测量值M，例如每5分钟一次，并且计算时间导数dM/dt作为两个连续测量之差。只要光水平减少，时间导数dM/dt就为负的。如果时间导数dM/dt符号改变或者如果绝对值|dM/dt|小于预定阈值，则能够认为M已经达到其最小值。

在无论以何种方式确定的最小值M时刻，在步骤104中该控制器9将M的当前值作为最低历史值M_MIN存储在存储器位置7中，并且执行校准过程(步骤105-106)。该校准过程具体地包括打开灯2的步骤(步骤105)，以及调整β使得测量结果M等于预定值M_INST的步骤(步骤106)。注意，可以跳过第一测量(参见公式(2))。

注意，将传感器响应系数β以及可选地(如果零水平γ未固定等于零)还将该零水平γ存储在传感器5的系数存储器8中。

在该校准过程之后，传感器照常工作：一旦用户再次打开灯，则控制系统3根据传感器信号控制照明值，其中目前该计算参数β具有不同的值。

无论何时关闭灯都重复以上过程，该时刻典型地表示每个傍晚/夜晚。只要先前的最黑暗的时刻未被更黑暗的时刻取代，则不执行校准。如果出现比先前最黑暗时刻更黑暗的时刻，则在光水平下一个最小值时执行新的校准。所希望的是，在普通环境下，在安装之后的几天内适当地校准传感器。

在上述实施例中，假设在最小光水平时刻房间中是黑暗的。在这种情况下，能够将第二测量的结果直接用于调整传感器响应系数β。然而，还可能的是，在达到最小光水平时的时刻，房间中未完全黑暗。例如，这可能是由于房间外的光源造成的，或者例如由于极圈内的适当位置没有日落造成的。本发明还提供了一种解决这个问题的方案，如图4所示。

同样，控制器9等待最黑暗的时刻(步骤101-104)，然后在光关闭的情况下实施第一测量(步骤211；参见公式(2))以及在光打开的情况下实施第二测量(步骤212-213；参见公式(3))。如果需要，降低传感器响应系数β，使得M(2)在传感器范围内。

现在，根据公式4，差值M(2)-M(1)应当对应于预定值M_INST：

M(2)-M(1)＝β·α·L_INST＝M_INST    (4)

为了对此进行检查，控制器9计算该差值M(2)-M(1)，并且根据公式5将该差值与M_INST进行比较(步骤214)：

CE＝(M(2)-M(1))/M_INST    (5)

其中CE表示校准误差。如果校准是准确的，则该校准误差等于1。

在下一个步骤215中，控制器9调整传感器响应系数β，使得CE等于1。如果零水平γ取0，则这意味着可以将传感器响应系数β除以在步骤214中获得的校准误差CE。可替代地，如前所述，可以将比较器的(多个)基准电平乘以在步骤214中获得的校准误差CE。

总而言之，本发明提供了一种照明系统1，其包括：

-至少一个光源2；

-控制系统3，其用于控制该光源，该控制系统包括具有至少一个光传感器5的传感器系统4，该光传感器用于感测环境光L1以及生成表示感测到的光水平的传感器输出信号M，其中该控制系统被设计用于与传感器输出信号相关地控制光源。

该控制系统自动校准传感器系统。

该控制系统测量校准时刻的环境照明水平M_MIN并且将该测得的环境照明水平存储到存储器7中。

该控制系统监测环境照明水平并且将该水平与存储的值进行比较，并且当环境照明水平达到低于存储值的最小值时自动执行校准过程。

尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但是本领域技术人员应当清楚，这些说明和描述应被认为是示例性的或者说明性的，而非限定性的。本发明不限于所公开的实施例；相反地，在所附权利要求书限定的本发明保护范围内的多种改变和修改都是可能的。

例如，尽管将传感器5和比较器6显示为独立的单元，但是这两个设备可以集成。

而且，尽管将比较器6和控制器9显示为独立的单元，但是这两个设备可以集成。

而且，取代调整传感器响应系数β，控制器可以调整基准电平Vref。

而且，应当注意，可以由传感器系统4或者由控制系统3的控制器9或者由照明系统的较高等级控制器来执行该校准操作。

而且，尽管优选的是在光关闭的情况下执行对环境光水平的监测以找到最小值，但是在本发明的范围内可以在光打开的情况下执行这种监测。

而且，参照图4，步骤211和212/213的顺序可以颠倒。

而且，该系统可以仅具有一个光源。

而且，该系统可以设有时钟信号，并且可以对该系统编程以将校准过程仅限制到预定的时间窗口，例如仅在20.00点与04.00点之间，或者仅在周末期间。而且，可以对该系统编程以通过注意两次连续校准之间的预定时间间隔来避免快速的重复校准，例如一个小时。

而且，以上是针对一种响应于存在探测而自动将灯打开和关闭的系统解释了本发明。然而，还可以响应于用户命令将灯打开和关闭。如果用户在工作日结束时关闭灯，则监测过程如参照图3和4所述的那样，并且为了执行测量该系统需要短暂地打开灯。然而，用户可能在没有关闭灯的情况下离开房间。在这种情况下，通过探测环境光的最小值仍能够执行校准过程(即跳过图3和4中的步骤101)，并且为了执行测量该系统需要短暂地关闭灯。

本领域技术人员在实施所要保护的发明时通过研究附图、说明书公开和所附的权利要求能够理解和实现对所公开实施例的各种变化。在权利要求中，文字“包括”不排除其它元件或者步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。单一的处理器或者其它单元可以实现权利要求中叙述的几个项目的功能。某些措施在相互不同的从属权利要求中被叙述，这个起码的事实不表示这些措施的组合不能被有利地使用。可以将计算机程序存储/分布在适当的介质上，例如随同其它硬件或者作为其它硬件一部分而提供的光学存储介质或者固态介质，而且也可以以其它形式分发，例如通过因特网或者其它有线或无线通信系统。权利要求中的任何附图标记不应被解释为对其范围的限制。

在上面，已经参照结构图阐述了本发明，这些图阐释了根据本发明的设备的功能块。应当理解，可以通过硬件实现这些功能块中的一个或多个，起着由单独的硬件部件实现该功能块的功能，但是也可以由软件实现这些功能块中的一个或多个，使得由计算机程序或者可编程设备的一个或多个程序行来执行该功能块的功能，该可编程设备例如微处理器、微控制器、数字信号处理器等。

Claims (7)

1.一种照明系统(1)，包括：

-至少一个光源(2)；

-控制系统(3)，其用于控制该光源(2)，该控制系统(3)包括具有至少一个光传感器(5)的传感器系统(4)，该光传感器用于感测环境光(L1)以及生成表示感测到的光水平的传感器输出信号(M)，其中该控制系统(3)被设计用于与传感器输出信号(M)相关地控制光源(2)；

其中该控制系统(3)被设计用于自动校准传感器系统(4)；

其中该控制系统(3)被设计用于测量校准时刻的环境照明水平(M_MIN)并且将该测得的环境照明水平存储到存储器(7)中；

其中该控制系统(3)被设计用于监测环境照明水平并且将该水平与存储在所述存储器(7)中的值(M_MIN)进行比较，并且如果比较结果表明环境照明水平低于存储在所述存储器(7)中的值(M_MIN)，则确定环境照明水平何时达到新的最小值并且当环境照明水平达到该新的最小值时自动执行校准过程。

2.根据权利要求1所述的系统，其中该控制系统(3)被设计用于计算传感器输出信号(M)的时间导数(dM/dt)，并且当该时间导数(dM/dt)小于预定阈值时确定环境照明水平达到新的最小值。

3.根据权利要求1所述的系统，其中该控制系统(3)具有表示在环境照明水平对应于组合光源(2)的安装光输出的情况下传感器输出信号(M)的预期值的预定值(M_INST)；

其中该光传感器(5)根据以下公式生成传感器输出信号(M)：

M＝β·L1+γ

其中L1表示环境光水平，

其中β表示传感器响应系数，并且

其中γ表示可以等于零的零水平；

并且其中该控制系统(3)在校准过程中被设计为：

*测量光关闭时的环境光以获得第一测量结果(M(1))；

*测量光打开时的环境光以获得第二测量结果(M(2))；

*调整传感器响应系数β，使得M(2)-M(1)＝M_INST为真。

4.根据权利要求3所述的系统，其中传感器系统(4)还包括接收传感器输出信号(M)并接收至少一个基准信号(Vref)的比较器(6)；

其中该控制系统(3)在校准过程中被设计为：

*测量光关闭时的环境光以获得第一测量结果(M(1))；

*测量光打开时的环境光以获得第二测量结果(M(2))；

*根据以下公式计算校准误差(CE)：

CE＝(M(2)-M(1))/M_INST

*以及，取代调整传感器响应系数β，通过乘以CE来调整该至少一个基准信号(Vref)。

5.根据权利要求1所述的系统，其中该控制系统(3)被设计为在开始监测环境照明水平之前检查光源(2)处于关闭状态。

6.根据权利要求5所述的系统，其中该控制系统(3)具有表示在环境照明水平对应于组合光源(2)的安装光输出的情况下传感器输出信号(M)的预期值的预定值(M_INST)；

其中该光传感器(5)根据以下公式生成传感器输出信号(M)：

M＝β·L1+γ

其中L1表示环境光水平，

其中β表示传感器响应系数，并且

其中γ表示可以等于零的零水平；

并且其中该控制系统(3)在校准过程中被设计用于打开光源(2)并且调整传感器响应系数β，使得M＝M_INST为真。

7.根据权利要求6所述的系统，其中传感器系统(4)还包括接收传感器输出信号(M)并接收至少一个基准信号(Vref)的比较器(6)；

其中该控制系统(3)在校准过程中被设计用于打开光源(2)并且测量环境光以获得测量结果(M)；根据以下公式计算校准误差(CE)：CE＝M/M_INST

以及取代调整传感器响应系数β，通过乘以CE来调整该至少一个基准信号(Vref)。

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