一种适于人体生物节律的室内动态照明调节方法及系统

技术领域

本发明属于照明技术领域，具体来说，涉及一种适于人体生物节律的室内动态照明调节方法及系统。

背景技术

光是人体生理节律系统的主要驱动力之一。光进入眼睛并击中视网膜上的感光器：视杆细胞、视锥细胞和固有光敏性视网膜神经节细胞(ipRGC)。其中，视杆细胞和视椎细胞主要与人眼视觉相关，而固有光敏性视网膜神经节细胞(ipRGC)主要以非视觉方式影响人体生理节律，它吸收光并以电化学信号的形式发送到大脑的不同部位，以触发机体下游的反应，从而影响人体的激素分泌水平和睡眠觉醒周期。

自古以来，天然光的明暗变化就是人体进行生理调节的外部依据。人体生理节律周期平均约为24.2小时，虽然与自然昼夜周期时间略有差异，但在接受天然光照刺激的情况下，随着人体激素分泌水平的调节，可以逐步与自然保持一致的周期节律。因此，人体的生理节律可以看作是内部和外部信号在时间上协调的结果，当两种信号发生错位时，人体生理节律会经历一种中断或去同步的错位，这种错位表现为人体生物时间(即内部信号)和天文时间(即外部信号)表达的不一致，从而导致人体生理节律发生紊乱。比如临时接受夜班或经历超过3倍以上时区的飞行，人体正常的生理节律就会因为非同步的外部信号发生节律紊乱。

所有的光，而不仅仅是天然光，都会影响人体的生理节律。当今社会，人们大部分的觉醒时间是在室内度过的，因此室内照明设计不当也会导致人体生理节律的紊乱。人体对光照持续敏感，清晨的光照会使人体的生理节律向前移动(相位提前)，而夜晚的光照会使人体的节律向后移动(相位延迟)。因此，人体在一天中的各个时段对光照的需求是不同的，为了保证人体正常的生理节律，室内照明也应由目前的静态照明方式转变为动态照明方式。

发明内容

针对现有技术存在室内照明为静态方式不适于人体生物节律的问题，本发明提供了一种能够根据时间、室外天气状况和天然光的变化动态调节室内照明的方法，该方法模拟天然光的变化规律，符合人体生物节律，不仅有利于调节和改善人的情绪，还可以提高工作效率。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种适于人体生物节律的室内动态照明调节方法，包括：

通过长期采集天然光数据分析得到天然光变化规律；

根据分析得到的天然光变化规律，结合人体生物节律曲线、室内光照度满意度和室内光环境需求，确定不同天气状况、不同时段模拟天然光变化规律的室内动态照明模式；

获取当前时间；

判定当前时间的天气状况；

获取对应当前时间和天气状况的室内动态照明模式；

实时采集当前时间室外日光色温和室内工作面水平光照度或人眼垂直光照度；

根据当前时间的室外日光色温在对应的室内动态照明模式范围内控制调节室内LED的色温；

根据当前时间的室内工作面水平光照度或人眼垂直光照度在对应的室内动态照明模式范围内控制调节室内LED的光照度。

进一步限定，所述长期采集天然光数据具体包括：

长期采集天然光的色温数据和光照度数据，并进行统计分析，分别得到不同天气状况、不同时段的天然光色温和光照度变化规律；

所述室内动态照明模式对应特定的色温参数和光照度参数的调节方式及范围。

进一步限定，所述人体生物节律曲线为人体每天不同时段褪黑素、皮质醇、警觉性和体温的周期曲线。

进一步限定，所述室内光环境需求具体为：

工作时段，生理等效照度值(EML)不低于250lx；休息时段，生理等效照度值(EML)不高于50lx。

进一步限定，所述判定当前时间的天气状况具体为：

将所在环境的天空半球划分为若干测量点单元，采集每个测量点单元的天空光谱亮度，根据国际照明委员会CIE天空亮度分布标准，结合天空半球照片和降雨信息综合判定当前的天气状况是晴天还是阴天。

进一步限定，所述不同天气状况、不同时段的室内动态照明模式包括对应特定的色温参数和光照度参数的调节方式及范围，具体为：

晨间唤醒模式，时段为上午8：00-9：00，天气状况为晴天和阴天时，对应的色温参数为6000K，对应的光照度参数为工作面水平光照度750lx，或人眼垂直光照度150lx；

天然光模拟模式1，时段为上午9：00-12：00，天气状况为晴天时，对应的色温参数为随室外日光色温实时变化，色温参数范围为4000K～6500K，对应的光照度参数为工作面水平光照度从750lx递增到2000lx，或人眼垂直光照度从150lx递增到400lx；

天然光模拟模式1，时段为上午9：00-12：00，天气状况为阴天时，对应的色温参数为6000K，对应的光照度参数为工作面水平光照度从750lx递增到2000lx，或人眼垂直光照度从150lx递增到400lx；

速降过渡模式，时段为中午12：00-12：30，天气状况为晴天和阴天时，对应的色温参数为3000K，对应的光照度参数为工作面水平光照度从2000lx下降到300lx，或人眼垂直光照度从400lx下降到60lx；

午间休息模式，时段为中午12：30-13：30，天气状况为晴天和阴天时，对应的色温参数为3000K，对应的光照度参数为工作面水平光照度300lx，或人眼垂直光照度60lx；

速升过渡模式，时段为中午13：30-14：00，天气状况为晴天和阴天时，对应的色温参数为3000K，对应的光照度参数为工作面水平光照度从300lx上升到2000lx，或人眼垂直光照度从60lx上升到400lx；

天然光模拟模式2，时段为下午14：00-18：00，天气状况为晴天时，对应的色温参数为随室外日光色温实时变化，色温参数范围为4000K～6500K，对应的光照度参数为工作面水平光照度从2000lx递减到500lx，或人眼垂直光照度从400lx递减到100lx；

天然光模拟模式2，时段为下午14：00-18：00，天气状况为阴天时，对应的色温参数为6000K，对应的光照度参数为工作面水平光照度从2000lx递减到500lx，或人眼垂直光照度从400lx递减到100lx。

其中K为色温单位开尔文，lx为光照度单位勒克斯。

进一步限定，所述根据当前时间的室外日光色温在对应的室内动态照明模式范围内控制调节室内LED的色温的过程中，还包括：

实时采集当前室外日光色温从而控制调节室内LED的色温，直到室内LED的色温满足室内动态照明模式对应特定的色温参数；

所述根据当前时间的室内工作面水平光照度或人眼垂直光照度在对应的室内动态照明模式范围内控制调节室内LED的光照度还包括：

实时采集当前室内工作面水平光照度或人眼垂直光照度从而控制调节室内LED的工作面水平光照度或人眼垂直光照度，直到室内LED的工作面水平光照度或人眼垂直光照度满足室内动态照明模式对应特定的光照度参数。

本申请的另一个发明目的是提供一种适于人体生物节律的室内动态照明调节系统，包括：

天然光数据统计模块，其通过长期采集天然光数据分析得到天然光变化规律；

室内动态照明模式模块，其根据分析得到的天然光变化规律，结合人体生物节律曲线、室内光照度满意度和室内光环境需求，确定不同天气状况、不同时段模拟天然光变化规律的室内动态照明模式；

时间模块，其用于获取当前时间；

天气模块，其用于获取当前时间的天气状况，并判定是晴天还是阴天；

获取模块，其根据当前时间和当前时间的天气状况确定对应的室内动态照明模式；

日光色温采集模块，其用于采集当前时间的室外日光色温；

室内光照度采集模块，其用于采集当前时间的室内工作面水平光照度或人眼垂直光照度；

控制模块，其根据当前时间的室外日光色温在对应的室内动态照明模式范围内控制调节室内LED的色温，以及根据当前时间的室内工作面水平光照度或人眼垂直光照度在对应的室内动态照明模式范围内控制调节室内LED的光照度。

进一步限定，所述天然光数据采集模块包括：

色温数据统计模块，其用于长期采集天然光的色温数据，并进行统计分析，得到不同天气状况、不同时段的日光色温变化规律；

光照度数据统计模块，其用于长期采集天然光的光照度数据，并进行统计分析，得到不同天气状况、不同时段的天然光照度变化规律。

进一步限定，所述控制模块还包括：

色温反馈模块，其用于实时采集当前室外日光色温从而控制调节室内LED的色温，直到室内LED的色温满足室内动态照明模式对应特定的色温参数；

光照度反馈模块，其用于实时采集当前室内工作面水平光照度或人眼垂直光照度从而控制调节室内LED的工作面水平光照度或人眼垂直光照度，直到室内LED的工作面水平光照度或人眼垂直光照度满足室内动态照明模式对应特定的光照度参数。

根据本发明提供的具体实施例，使室内色温和光照度能够随时间、天气状况和天然光的变化而变化，从而使室内照明模拟天然光的变化规律，符合人体生物节律，有效调节和改善人的情绪，还可以提高工作效率。具体为：本发明根据分析得到的天然光变化规律，结合人体生物节律曲线、室内光照度满意度和室内光环境需求、确定不同天气状况、不同时段模拟天然光变化规律的室内动态照明模式；根据时间、室外天气状况、室外日光色温、室内光照度在对应的室内动态照明模式范围内控制调节室内LED的色温和光照度，实现了适于人体生物节律的室内动态光环境，从而调节和改善用户的情绪并提高工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简要地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明适于人体生物节律的室内动态照明调节方法实施例中的流程图；

图2为全天的天然光照度曲线，其中左侧为全晴天的天然光照度曲线，右侧为全阴天的天然光照度曲线；

图3为晴天和阴天日光的色温曲线；

图4为褪黑素、皮质醇、警觉性和体温四个重要人体生理节律的示意图；

图5为天空类型为晴天时室内色温和工作面水平光照度的室内动态照明模式；

图6为天空类型为晴天时室内色温和人眼垂直光照度的室内动态照明模式；

图7为天空类型为阴天时室内色温和工作面水平光照度的室内动态照明模式；

图8为天空类型为阴天时室内色温和人眼垂直光照度的室内动态照明模式；

图9为本发明适于人体生物节律的室内动态照明调节系统实施例中的模块结构图。

图中对应标注：1-天然光数据统计模块，11-色温数据统计模块，12-光照度数据统计模块，2-室内动态照明模式模块，3-时间模块，4-天气模块，5-获取模块，6-日光色温采集模块，7-室内光照度采集模块，8-控制模块，81-色温反馈模块，82-光照度反馈模块。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种适于人体生物节律的室内动态照明调节方法，包括如下步骤：

步骤100，通过长期采集天然光数据分析得到天然光变化规律，具体包括：

长期采集需要进行室内动态照明调节所在区域的室外天然光数据，包括天然光的色温数据和光照度数据，然后进行统计分析，由于天然光时刻都在发生变化，选取天气状况比较有代表性的全晴天和全阴天进行分析，分别得到不同天气状况、不同时段的色温变化规律和光照度变化规律。

天然光时刻都在发生变化，根据活动区域所在地区的光气候观测站的长期观测数据，选取天气状况比较有代表性的全晴天和全阴天为例进行分析(这里选取了重庆大学的气候观测站)。

图2示出了全天的天然光照度曲线，其中左侧为全晴天的天然光照度曲线，右侧为全阴天的天然光照度曲线。

从图中可以看出，虽然天然光照度在一天当中受太阳高度角、云状、云量等的影响会有波动，但总体变化均比较规律，基本符合太阳的运行轨迹，晴天和阴天照度在一天中上午时段由低到高变化，下午时段由高到低变化，其最大值出现在正午前后。

图3示出了晴天和阴天日光的色温曲线，从图中可以看出晴天日光色温处于5000～8000K之间，在一天当中一直处于波动状态，很不稳定；阴天日光色温比较稳定，大致处于6000～7000K之间，早晨和傍晚日光色温变化幅度较大，早晨时日光色温急速下降，傍晚时日光色温急速上升，而在1天中的大部分时间，日光色温的变化幅度较小，基本稳定地保持在6000K的水平上。

步骤200，根据天然光色温和光照度变化规律，结合人体生物节律曲线、室内光照明满意度和室内光环境需求，确定不同天气状况、不同时段模拟天然光变化规律的室内动态照明模式。

人体生物节律曲线为人体每天不同时段褪黑素(melatonin)、皮质醇(cortisol)、体温(body temp.)和警觉性(alertness)的周期曲线，图4示出了上述四个重要人体生理节律的示意图，说明了每天同一时段褪黑素、皮质醇、警觉性和体温的生物节律，图中给出了含波峰和波谷两个完整的周期曲线(48h)。

从图4可以对褪黑素、皮质醇、警觉性和体温曲线有如下分析：

(1)褪黑素在凌晨3：00左右处于一天中的最高值，随后在3：00-9：00时段快速下降至最低值，在白天(9：00-20：00)时段稳定地处于一天中的最低值，而在夜晚20：00以后又快速地上升至最高点，上升时间6h，下降时间7h，保持平稳时间11h，波动时间和平稳时间基本持平。

(2)皮质醇在早晨8：00左右达到一天中的最高值(比褪黑素晚5h)，随后缓慢下降，在凌晨1：00左右达到一天中的最低值，然后在1：00-8：00时段快速上升至最高值，上升时间7h，下降时间17h，无平稳时间。

(3)体温在凌晨0：00左右处于一天中的最高值，随后在0：00～7：00时段快速下降至最低值，然后在7：00～24：00时段缓慢上升至最高值，上升时间17h，下降时间7h，无平稳时间，与皮质醇刚好相反(但体温最低值相位比皮质醇最高值相位提前1h)，体温比褪黑素相位提前3h(体温最低值比褪黑素最低值相位提前3h，体温最高值相位比褪黑素最高值相位提前3h)。

(4)警觉性在中午13：00处于一天中的最高值，随后缓慢下降，在凌晨3：00左右处于一天中的最低值，然后在又缓慢上升至最高值，上升时间10h，下降时间14h，无平稳时间。

室内光照度满意度：

通过分析可知，随着光照度的增加，感到“满意”的人数百分比也在增加，最大百分比对应的工作面水平光照度值约在20001x左右。光照度超过某临界值以后，对照明“满意”的人反而随着光照度的增加而减少。

室内光环境需求具体为：

人大部分时间是在室内度过的，对人体调节自身生物节律而言，室内光环境变得尤其重要。一方面，室内光环境应最大限度地利用天然光；另一方面，室内光环境本身也需要符合人体褪黑素抑制规律。因此人体一天中对光环境的需求应满足：工作时段，需要人体保持较高的警觉性，提高工作效率，保证褪黑素一直处于较低水平，即需要光环境对褪黑素分泌有较高的抑制作用；休息时段，人体警觉性下降，褪黑素水平逐渐升高，此时需要光环境促进褪黑素的分泌，即光环境保持较低的褪黑素抑制。

本实施例中，要求工作时段的生理等效照度值(EML)不低于250lx；休息时段的生理等效照度值(EML)不高于50lx。

通过上述天然光色温和光照度变化规律，结合人体生物节律曲线、室内照度满意度和室内光环境需求，不同天气状况、不同时段的室内动态照明模式设有：晨间唤醒模式、天然光模拟模式1、速降过渡模式、午间休息模式、速升过渡模式、天然光模拟模式2，每个室内动态照明模式对应特定的色温参数和光照度参数的调节方式及范围，具体控制方式如下：

晨间唤醒模式，时段为上午8：00-9：00，天气状况为晴天和阴天时，对应的色温参数为6000K，对应的光照度参数为工作面水平光照度750lx，或人眼垂直光照度150lx；

天然光模拟模式1，时段为上午9：00-12：00，天气状况为晴天时，对应的色温参数为随室外日光色温实时变化，色温参数范围为4000K～6500K，对应的光照度参数为工作面水平光照度从750lx递增到2000lx，或人眼垂直光照度从150lx递增到400lx；

天然光模拟模式1，时段为上午9：00-12：00，天气状况为阴天时，对应的色温参数为6000K，对应的光照度参数为工作面水平光照度从750lx递增到2000lx，或人眼垂直光照度从150lx递增到400lx；

速降过渡模式，时段为中午12：00-12：30，天气状况为晴天和阴天时，对应的色温参数为3000K，对应的光照度参数为工作面水平光照度从2000lx下降到300lx，或人眼垂直光照度从400lx下降到60lx；

午间休息模式，时段为中午12:30-13:30，天气状况为晴天和阴天时，对应的色温参数为3000K，对应的光照度参数为工作面水平光照度300lx，或人眼垂直光照度60lx；

速升过渡模式，时段为中午13：30-14：00，天气状况为晴天和阴天时，对应的色温参数为3000K，对应的光照度参数为工作面水平光照度从300lx上升到2000lx，或人眼垂直光照度从60lx上升到400lx；

天然光模拟模式2，时段为下午14：00-18：00，天气状况为晴天时，对应的色温参数为随室外日光色温实时变化，色温参数范围为4000K～6500K，对应的光照度参数为工作面水平光照度从2000lx递减到500lx，或人眼垂直光照度从400lx递减到100lx；

天然光模拟模式2，时段为下午14：00-18：00，天气状况为阴天时，对应的色温参数为6000K，对应的光照度参数为工作面水平照度从2000lx递减到500lx，或人眼垂直光照度从400lx递减到100lx。

其中K为色温单位开尔文，lx为光照度单位勒克斯。

上述晴天动态照明模式如图5和图6所示，阴天的动态照明模式如图7和图8所示。

下面描述下如何根据上述室内动态照明模式控制调节室内LED的色温和光照度。

步骤300，获取当前时间，判定当前时间的天气状况。

天气状况的判定方法为：将所在环境的天空半球划分为若干测量点单元，采集每个测量点单元的天空光谱亮度，根据国际照明委员会CIE天空亮度分布标准，结合天空半球照片和降雨信息综合判定当前的天气状况是晴天还是阴天。

需要注意的是，晴天指有直射日光的天气状况，阴天指没有直射日光的天气状况，而雨天所属的天气状况也归为阴天。

步骤400，根据步骤300获取的当前时间以及判定的天气状况，在室内动态照明模式中选择对应的照明模式。

步骤500，实时采集当前时间室外日光色温和室内工作面水平光照度或人眼垂直光照度。S600：根据当前时间的室外日光色温在对应的室内动态照明模式范围内控制调节室内LED的色温，直到室内LED的色温满足室内动态照明模式对应特定的色温参数；根据当前时间的室内工作面水平光照度或人眼垂直光照度在对应的室内动态照明模式范围内控制调节室内LED的光照度，直到室内LED的工作面水平光照度或人眼垂直光照度满足室内动态照明模式对应特定的光照度参数。

需要说明的是，步骤600中对室内LED的色温和光照度的调节顺序不分先后，可以同时进行。

如图9所示，本申请还提供一种适于人体生物节律的室内动态照明调节系统，包括天然光数据统计模块1、室内动态照明模式模块2、时间模块3、天气模块4、获取模块5、日光色温采集模块6、室内光照度采集模块7和控制模块8。

天然光数据统计模块1通过长期采集天然光数据分析得到天然光变化规律。室内动态照明模式模块2根据分析得到的天然光变化规律，结合人体生物节律曲线、室内照度满意度和室内光环境需求，确定不同天气状况、不同时段模拟天然光变化规律的室内动态照明模式。

时间模块3用于获取当前时间，天气模块4用于获取当前时间的天气状况，并判定是晴天还是阴天(包括雨天)。

获取模块5根据当前时间和当前时间的天气状况确定对应的室内动态照明模式。

日光色温采集模块6用于采集当前时间的室外日光色温；室内光照度采集模块7则用于采集当前时间的室内工作面水平光照度或人眼垂直光照度；

控制模块8根据当前时间的室外日光色温在对应的室内动态照明模式范围内控制调节室内LED的色温，以及根据当前时间的室内工作面水平光照度或人眼垂直光照度在对应的室内动态照明模式范围内控制调节室内LED的光照度。

其中天然光数据统计模块1包括色温数据统计模块11和照度数据统计模块12。

色温数据统计模块11用于长期采集天然光的色温数据，并进行统计分析，得到不同天气状况、不同时段的日光色温变化规律。

照度数据统计模块12用于长期采集天然光的照度数据，并进行统计分析，得到不同天气状况、不同时段的天然光照度变化规律。

控制模块8具体还包括色温反馈模块81和光照度反馈模块82。

色温反馈模块81用于对实时采集的当前室外日光色温进行反馈，从而控制调节室内LED的色温，直到室内LED的色温满足室内动态照明模式对应特定的色温参数。

光照度反馈模块82用于对实时采集的当前室内工作面水平光照度或人眼垂直光照度进行反馈，从而控制调节室内LED的工作面水平光照度或人眼垂直光照度，直到室内LED的工作面水平光照度或人眼垂直光照度满足室内动态照明模式对应特定的光照度参数。

综上所述，本申请根据室内光环境的具体需求，在保障视觉健康的前提下，以调动积极情绪、提升工作效率为主，提出动态照明的基础光环境指标：在早晨工作开始时段给予相对高色温/高照度(6000K/750lx)的照明，强光刺激唤醒人的大脑兴奋度；之后室内光环境模拟天然光的变化规律，光照度缓慢上升，晴天室内色温随天然光变化(总的趋势是上升)，阴天色温保持6000K高色温给予较高的褪黑素抑制，保持整个工作时段较高的工作效率；在中午时间段降至低色温/低照度(3000K/300lx)，让人充分休息；在下午工作开始时段重新给予高色温/高照度的照明，再一次强光刺激唤醒人的大脑兴奋度，之后室内光环境模拟天然光的变化规律，光照度缓慢下降，直至下班时段降至低照度，晴天室内色温随天然光变化(总的趋势是下降)，阴天色温保持6000K高色温，保持整个工作时段较高的工作效率。这种动态照明调节方式，即与室外天然光的变化规律相一致，符合人体生物节律，又考虑了不同的天气状况，不仅有利于调节和改善人的情绪，还可以提高工作效率。

以上对本申请提供的一种适于人体生物节律的动态照明调节方法及系统进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。