СПОСОБ И КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ИЛЛЮМИНАЦИИ Российский патент 2006 года по МПК H05B37/02 G09F13/18 

Изобретение относится к средствам управления электрическими источниками света, а точнее к системам освещения или иллюминации, в которых используются светодиоды, и может быть использовано для декоративного и основного освещения любых объектов, особенно объектов малых архитектурных форм, для цветовой рекламы и тому подобное.

В настоящее время все чаще используют для иллюминации или подсветки светодиоды.

Известны способы подсветки [US 5934798, 1999; RU 2207635, 2003], в которых находящиеся на поверхности надписи, символы или изображения освещаются с внешней стороны с помощью светодиодов с красным, зеленым и синим спектрами излучения и яркость каждой группы светодиодов одного спектра излучения изменяется с помощью соответствующего регулятора тока.

Основным недостатком таких способов является то, что подсвечиваемая информация недостаточно различима, особенно в условиях изменяющегося внешнего освещения, при такой технологии невозможно создать иллюминацию в виде быстро меняющихся цветодинамических сцен.

Известны способы и светодиодные системы, предназначенные для декоративной иллюминации или освещения объектов, например театральных сцен, в которых используют контроллеры с аналоговым управлением [US 6016038, 2000; US 6150774, 2000].

В таких системах контроллер имеет несколько выходов - каналов, рассчитанных на определенную нагрузку. Управление заключается в создании определенного напряжения на определенном канале. Данной схеме присущи все недостатки аналогового управления и как следствие наличие всего лишь нескольких форм выходного напряжения, реализованного аппаратным способом. Кроме того, количество каналов контроллера задает количество управляемых элементов в светодиодной системе, что ограничивает возможности применения и снижает функциональность данной схемы.

Известны системы управления иллюминации, в которых используют контроллеры с цифровым управлением светодиодным освещением [US 6166496, 2000; US 6211626, 2001]. В таких системах контроллер имеет несколько выходов - каналов, рассчитанных на определенную нагрузку. Управление заключается в изменении частоты или скважности импульсов напряжения на определенном канале. У таких контроллеров отсутствует коммуникационный интерфейс и возможность смены порядка и формы генерируемых импульсов. Кроме того, количество каналов контроллера задает количество управляемых элементов в светодиодном освещении, что ограничивает возможности применения и снижает функциональность данной схемы.

Известен способ освещения и иллюминации, в котором используют контроллеры, поддерживающие протокол стандарта US1TT DMX512 [US 6292901, 2001]. Данный протокол создавался для обмена цифровыми данными между контроллерами и регуляторами мощности сценических источников света. Физический уровень данного стандарта реализован на базе стандарта промышленного интерфейса, известного как RS-485. Стандарт USITT DMX512 (1990) предполагает, что абоненты разнесены на достаточное расстояние (максимальное расстояние 1000 метров) и каждый абонент имеет интерфейс RS-485. Таким образом, применительно к светодиодной иллюминации каждый управляемый элемент должен обладать интерфейсом RS-485. В системах светодиодной иллюминации управляемым элементом является светодиодный модуль. Расстояние между светодиодными модулями составляет от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров.

Наличие у каждого управляемого элемента светодиодной иллюминации интерфейса RS-485 существенно усложняет схему, ведет к увеличению габаритных размеров светодиодных модулей, а также к ограничению функционального использованию и области применения. Недостаток данной схемы в том, что количество каналов определяет количество управляемых элементов светодиодной подсветки. Из этого положения выходят, объединяя светодиодные модули в матричные системы [US 6611244, 2003; US 6661521, 2003; US 6680834, 2004], что приводит к дальнейшему усложнению устройства и технологии создания светодиодной иллюминации.

Все известные системы и способы не позволяют быстро и достаточно дешево создавать сложные системы освещения на основе светодиодов и одновременно оперативно изменять цветодинамические сцены, управлять цветом и динамикой каждого светодиодного модуля, когда размеры светодиодного модуля приближены к геометрическим размерам светодиода.

Задачей настоящего изобретения является ускорение и упрощение процесса создания и изменения цветодинамических сцен для сложных моделей светодиодной иллюминации.

Поставленная задача решается тем, что создают в компьютере, используя интерфейс пользователя, каркас модели иллюминации, в котором располагают элементы, имитирующие светодиодные модули, так, как они должны быть расположены на объекте иллюминации, после этого преобразуют созданный каркас в анимационный фильм в виде цветодинамических сцен, в которых меняют цвет и яркость, после чего устанавливают на иллюминируемом объекте в соответствии с заданной моделью светодиодные модули, последовательно соединенные информационным шлейфом, который подключают к контроллеру, который в свою очередь подключают к компьютеру, передают анимационный фильм из компьютера в контроллер, отключают компьютер и, меняя частоту и скважность включения светодиодов, воспроизводят цветодинамические сцены, созданные в компьютере.

Поставленная задача может быть решена, если будет использована комплексная система иллюминации, содержащая компьютер, подключенный к нему через порт интерфейса контроллер, соединенный с одним из концов информационного шлейфа, состоящего из одного цветового канала для монохромной модели, трех цветовых каналов (красного, зеленого и синего) для полноцветной модели, строба, маркера и питающего напряжения, светодиодные модули, размещенные последовательно на информационном шлейфе и содержащие на входе триггеры для каждого цветового канала, подключенные информационными входами: один для монохромной схемы и триггеры для каждого канала цветности (красный, зеленый и синий) для полноцветной схемы, и триггер для маркера, у которого С-вход подключен к концу информационного шлейфа для подачи строба, D-вход - для подачи сигнала маркера, а выход подключен к С-входам триггеров цветовых каналов, на выходе которых установлены транзисторные ключи, к которым подключены светодиоды, при этом выходы триггеров предыдущего светодиодного модуля являются входами триггеров следующего светодиодного модуля.

Для ускорения процесса создания анимационного фильма предлагается для изменения цвета и яркости в цветодинамических сценах использовать графическую зависимость, в которой в верхней части оси ординат размещают шкалу яркости от нуля до ста, а в нижней - палитру цветов, а на оси абсцисс - выбранную группу кадров с цветом, равным сумме значений яркости и цвета оси ординат.

В зависимости от того, какие задаются модели иллюминации, в цветодинамических сценах придают определенный цвет и яркость или каждому кадру, или каждому элементу каркаса модели иллюминации в каждом кадре, или группе элементов каркаса модели иллюминации в каждом кадре, или некоторым кадрам, или/и каждому элементу, и/или группе элементов каркаса модели иллюминации, или каждому кадру и/или некоторым кадрам или всем вариантам вместе.

Сравнительный анализ показал, что заявленный способ отличается от известных тем, что, используя интерфейс пользователя, создают каркас модели иллюминации, в котором располагают элементы, имитирующие светодиодные модули, так, как они должны быть расположены на объекте иллюминации, после этого преобразуют созданный каркас в анимационный фильм в виде цветодинамических сцен, в которых меняют цвет и яркость каждого элемента, имитирующего светодиодный модуль, устанавливают на иллюминируемом объекте в соответствии с заданной моделью светодиодные модули, передают анимационный фильм в контроллер и, меняя частоту и скважность включения светодиодов, воспроизводят заданную модель иллюминации, что позволяет судить о соответствии критерию «новизна».

Заявленная комплексная система для управления иллюминацией отличается от известных решений тем, что светодиодные модули последовательно соединены информационным шлейфом и содержат светодиоды, соединенные через транзисторные ключи с выходами триггеров, каждый из которых соединен со своим цветовым каналом и один - с маркером информационного шлейфа, что также позволяет судить о соответствии заявленной комплексной системы иллюминации критерию "новизна".

Сравнительный анализ с другими решениями в данной области не выявил технических решений, содержащих признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, что позволяет судить о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная блок-схема комплекса для иллюминации, на фиг.2 - монтажная схема установки светодиодных модулей на информационном шлейфе, где (а) - для полноцветного канала (красный, зеленый, синий каналы) и (б) - для монохромного (один цветовой) канала на информационном шлейфе, фиг.3 - блок-схемы (а) - полноцветного (три цветовых канала - красный, зеленый, синий) светодиодных модулей, и (б) - монохромного (один цветовой канал), на фиг.4 - блок-схема контроллера, на фиг.5 - монтажная схема контроллера, фиг.6 - пример построения каркаса модели иллюминации и преобразования его в цвето-динамические сцены, фиг.7 - пример построения графической зависимости в интерфейсе программного управления, на фиг.8 - пример реализации способа иллюминации для конкретного объекта.

Комплексная система иллюминации (фиг.1) содержит персональный компьютер 1, подключенный к нему через конвертер USB-RS 4852, кабелем витой пары 3, контроллер 4, к которому подключен информационный шлейф 5, с последовательно размещенными на нем светодиодными модулями 6.

Светодиодный модуль 6 содержит или несколько монохромных 7, или полноцветных 8 светодиодов (фиг.2 и 3), транзисторные ключи 9, триггеры цветовых каналов 10 и триггер маркера 11. Светодиодные элементы 6 объединены между собой информационным шлейфом 5, по которому передаются данные: цветовой канал (один канал - например, красный - 12) для монохромной схемы (б) и три канала - тот же красный 12, зеленый 13 и синий 14) для полноцветной схемы (а), маркер 15, строб 16, питающее напряжение 17(+5В) и ноль питающего напряжения 18. Контроллер 4 для управления светодиодными модулями 6 состоит из микроконтроллера 19, флэш-памяти 20 и порта 21 интерфейса RS-485.

Сущность способа заключается в следующем.

В окне программы при помощи ее графических средств создают каркас заданной светодиодной иллюминации (фиг.6), то есть имитаторы светодиодных модулей 6 располагают так, как они будут расположены на объекте иллюминации. Далее при помощи цветовой палитры раскрашивается каждый имитатор светодиодного модуля (6). Таким образом, получается один кадр. После создания одного кадра создаются следующие кадры, которые необходимо раскрасить тем же способом. Количество кадров определяется заданной моделью иллюминации.

В результате получается анимационный фильм, который передает то, как будет выглядеть модель иллюминации.

Для ускорения процесса создания анимационного фильма технологию создания цветодинамических сцен можно выполнить следующим образом.

После создания каркаса заданной модели иллюминации активируют кадр в окне программы, в котором выбирают один или несколько имитаторов светодиодных модулей 6. Определяют количество кадров, на которые будут распространяться изменения, и строят графическую зависимость при помощи интерфейса пользователя (фиг.7). На графической зависимости на оси ординат (У) в нижней части, располагают цветовую палитру, в верхней части - шкалу яркости, а на оси абсцисс (X) располагают выбранные кадры, цвет которых определяется из суммы значений яркости и цвета оси ординат. Таким образом раскрашиваются все группы светодиодных модулей, объединенных общим цветодинамическим свойством. Для монохромной схемы это до 256 градаций яркости. Для полноцветной схемы до 256 градаций яркости на каждом цветовом канале или до 256×256×256=16777216 градаций цветов. Количество градаций яркости каналов задается программным путем.

После этого запрограммированная модель передается во флэш-память 20 контроллера 4 через порт 21 интерфейса RS-485. Далее контроллер выводит эти данные в шлейф 5 со светодиодными модулями 6. Контроллер должен находиться в непосредственной близости от шлейфа со светодиодными элементами, и поэтому расположенный на его базе RS-485 интерфейс позволяет осуществлять доступ к контроллеру с расстояния до 1000 м, что очень важно, т.к. системы иллюминации и подсветки размещаются обычно в труднодоступных местах. Наличие адресации контроллеров позволяет соединять между собой несколько контроллеров, каждый со своей шиной светодиодных модулей.

Данные из шлейфа 5 поступают на D-входы триггеров цветовых каналов 10 светодиодного модуля 6. Строб 16, в виде логической единицы "1", поступает на С-вход триггера маркера 11. Одновременно маркер, в виде логической единицы "1", поступает на D-вход триггера маркера 11. На Q-выходе триггера маркера 11 и соответственно на С-входах триггеров цветовых каналов 10 формируется логическая "1", ив соответствии с данными на D-входах триггеров цветовых каналов (10), на их Q-выходах формируются логический "0" или "1". Логическая единица "1" открывает соответствующий транзисторный ключ 9, и соответствующая ему группа светодиодов 7, 8 загорается. Q-выход триггера маркера 11 одновременно является D-входом триггера маркера 11 следующего светодиодного модуля 6. Таким образом, маркер движется от одного триггера маркера к другому по всем светодиодным модулям, прописывая в триггерах каналов цветов данные и включая или выключая соответствующие светодиоды.

После создания каркаса заданной модели иллюминации активируют кадр в окне программы, в котором выбирают один или несколько имитаторов светодиодных модулей 6. Определяют количество кадров, на которые будут распространятся изменения, и строят графическую зависимость при помощи интерфейса пользователя (фиг.7). На графической зависимости на оси ординат (У), в нижней части, располагают цветовую палитру, в верхней части - шкалу яркости, а на оси абсцисс (X) располагают выбранные кадры, цвет которых определяется из суммы значений яркости и цвета оси ординат. Таким образом, раскрашиваются все группы светодиодных модулей, объединенных общим цветодинамическим свойством. Для монохромной схемы это до 256 градаций яркости. Для полноцветной схемы до 256 градаций яркости на каждом цветовом канале или до 256×256×256=16777216 градаций цветов. Количество градаций яркости каналов задается программным путем.

После этого, запрограммированная модель передается во флэш-память 20 контроллера 4 через порт 21 интерфейса RS-485. Далее контроллер выводит эти данные в шлейф 5 со светодиодными модулями 6. Контроллер должен находиться в непосредственной близости от шлейфа со светодиодными элементами, и поэтому расположенный на его базе RS-485 интерфейс позволяет осуществлять доступ к контроллеру с расстояния до 1000 м, что очень важно, т.к. системы иллюминации и подсветки размещаются обычно в труднодоступных местах. Наличие адресации контроллеров позволяет соединять между собой несколько контроллеров, каждый со своей шиной светодиодных модулей.

Данные из шлейфа 5 поступают на D-входы триггеров цветовых каналов 10 светодиодного модуля 6. Строб 16, в виде логической единицы "1", поступает на С-вход триггера маркера 11. Одновременно маркер, в виде логической единицы "1", поступает на D-вход триггера маркера 11. На Q-выходе триггера маркера 11 и соответственно на С-входах триггеров цветовых каналов 10 формируется логическая "1", и в соответствии с данными на D-входах триггеров цветовых каналов (10), на их Q-выходах формируются логический "0" или "1". Логическая единица "1" открывает соответствующий транзисторный ключ 9 и соответствующая ему группа светодиодов 7, 8 загорается. Q-выход триггера маркера 11 одновременно является D-входом триггера маркера 11 следующего светодиодного модуля 6. Таким образом, маркер движется от одного триггера маркера к другому по всем светодиодным модулям, прописывая в триггерах каналов цветов данные и включая или выключая соответствующие светодиоды.

Цветовая палитра реализована изменением яркости каждого цвета, методом изменения частоты и скважности свечения светодиодов.

Программное обеспечение воплощает в себе технологию организации светодиодной иллюминации или подсветки, а также методы создания и управления цветодинамическими сценами на базе патентуемой системы.

Пример осуществления способа иллюминации.

Для обувного магазина была создана рекламная вывеска (фиг.8).

Сначала были разработаны общая схема и общий вид этой рекламной вывески в виде двух колец разного диаметра и круга со словами "Ваша обувь", на первом после круга кольце изображены разные виды обуви. Этот рисунок рекламной вывески был занесен в компьютер, где, используя интерфейс пользователя, был разработан каркас модели иллюминации, в котором имитаторы светодиодных модулей были размещены на вывеске по 4 кольцам, первое из которых размещено на окружности круга со словами "Ваша обувь", второе кольцо светодиодов размещено на некотором расстоянии и выполнено из сгруппированных по два светодиодных модуля на каждом изображении обуви, на третьем кольце также светодиодные модули были размещены в центре изображений обуви, а на четвертом кольце - светодиодные модули были размещены на носках в изображениях обуви. При создании этой рекламной вывески применялись полноцветные светодиодные модули, т.е. каждый модуль может передавать любой из 16 млн. цветов.

Далее были разработаны цветодинамические сцены, в которых изменены цвет и яркость в соответствии с построенной графической зависимостью (фиг.7), потом каркас модели был преобразован в анимационный фильм, предварительный просмотр которого показал возможные негативные эффекты визуального восприятия, после чего анимированный фильм несколько раз дорабатывался, пока не стал удовлетворять необходимым требованиям заказчика.

В соответствии со спроектированным в программном обеспечении комплекса каркасом в конструкции вывески были установлены светодиодные модули, объединенные информационным шлейфом, к разъему которого подключен контроллер. Далее были подключены блоки питания и закрыт корпус вывески. Затем при помощи кабеля витой пары, через конвертер USB - RS 485 контроллер подключили к компьютеру. Анимационный фильм, созданный в программном обеспечении комплекса, был записан в память контроллера. После завершения записи и отсоединения компьютера светодиодная подсветка начала воспроизводить анимационный фильм, записанный в память. После завершения тестирования рекламную вывеску разместили на стене здания.

При практическом применении рекламной вывески по желанию заказчика несколько раз менялись цветодинамические сцены, для чего новый анимационный фильм записывался в память контроллера, который подсоединяли к компьютеру.

Таким образом, при использовании заявленного способа и комплексной системы можно быстро создавать сложные и разнообразные модели и виды иллюминации и подсветки с возможностью управления каждым светодиодным модулем, когда геометрические размеры светодиодного модуля соизмеримы с размерами самих светодиодов, с возможностью быстрого и наглядного создания моделей иллюминации и цветодинамических сцен и последующей записью их в контроллер с расстояния до 1000 метров.

Заявленная технология позволяет не только ускорить и упростить процесс создания иллюминации, но и значительно уменьшить стоимость используемого оборудования за счет оригинальной конструкции светодиодных модулей и схемы их подключения, а также использования программных средств для разработки и установки иллюминации.

Изобретение относится к средствам управления электрическими источниками света, а точнее к системам освещения или иллюминации, в которых используются светодиоды. Его применение для декоративного и основного освещения архитектурных объектов позволяет получить технический результат в виде быстрого создания сложных и разнообразных моделей и видов иллюминации и подсветки, с возможностью управления каждым модулем. Этот результат достигается благодаря тому, что в компьютере при помощи его графических средств создают каркас заданной светодиодной иллюминации. При помощи цветовой палитры раскрашивается каждый имитатор светодиодного модуля. Таким образом, получается один кадр. После создания одного кадра создаются следующие кадры, которые необходимо раскрасить тем же способом. Количество кадров определяется заданной моделью иллюминации. В результате получается анимационный фильм, который передает то, как будет выглядеть модель иллюминации. После этого запрограммированная модель передается во флэш-память контроллера через порт интерфейса RS-485. Далее контроллер выводит эти данные в шлейф со светодиодными модулями. 2 н. и 7 з.п. ф-лы и 8 ил.

1. Способ иллюминации, заключающийся в том, что создают в компьютере, используя интерфейс пользователя, каркас модели иллюминации, в котором располагают элементы, имитирующие светодиодные модули, так, как они должны быть расположены на объекте иллюминации, после этого преобразуют созданный каркас в анимационный фильм в виде цветодинамических сцен, в которых меняют цвет и яркость каждого светодиодного модуля, после чего устанавливают на иллюминируемом объекте в соответствии с заданной моделью светодиодные модули, последовательно соединенные информационным шлейфом, который подключают к контроллеру, который, в свою очередь, подключают к компьютеру, передают анимационный фильм из компьютера в контроллер, отключают компьютер и, меняя при помощи контроллера частоту и скважность включения светодиодов, воспроизводят цветодинамические сцены, созданные в компьютере.2. Способ иллюминации по п.1, характеризующийся тем, что меняют цвет и яркость в цветодинамических сценах по графической зависимости, в которой на оси ординат в верхней части размещают шкалу яркости от нуля до ста, а в нижней - палитру цветов, а на оси абсцисс - выбранную группу кадров с цветом, равным сумме значений яркости и цвета оси ординат.3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в цветодинамических сценах придают определенный цвет и яркость каждому кадру.4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в цветодинамических сценах придают определенный цвет и яркость каждому светодиодному модулю каркаса модели иллюминации в каждом кадре.5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в цветодинамических сценах придают определенный цвет и яркость группе светодиодных модулей каркаса модели иллюминации в каждом кадре.6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в цветодинамических сценах придают определенный цвет и яркость некоторым кадрам. 7. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в цветодинамических сценах придают определенный цвет и яркость и каждому светодиодному модулю и/или группе светодиодных модулей каркаса модели иллюминации.8. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в цветодинамических сценах придают определенный цвет и яркость и каждому кадру и/или некоторым кадрам.9. Комплексная система иллюминации, содержащая компьютер, подключенный к нему через порт интерфейса контроллер, соединенный с одним из концов информационного шлейфа, состоящего из одного цветового канала для монохромной модели, трех цветовых каналов (красного, зеленого и синего) для полноцветной модели, строба, маркера и питающего напряжения, светодиодные модули, размещенные последовательно на информационном шлейфе и содержащие на входе триггеры для каждого цветового канала, подключенные информационными входами один для монохромной схемы и триггеры для каждого цветового канала (красный, зеленый и синий) для полноцветной схемы, и триггер для маркера, у которого C-вход подключен к концу информационного шлейфа для подачи строба, D-вход - для подачи маркера, а выход подключен к C-входам триггеров цветовых каналов, на выходе которых установлены транзисторные ключи, к которым подключены светодиоды, при этом выходы триггеров предыдущего светодиодного модуля являются входами триггеров следующего светодиодного модуля.