實現(xiàn)LED照明智能化

　　引言

　　想象一下，在炎熱、霧霾天氣下舉行馬拉松比賽，節(jié)省一丁點兒體耗，對比賽結(jié)果都至關(guān)重要。通常，當(dāng)賽程不到一半時，就好像已經(jīng)分出勝負(fù)。領(lǐng)跑者似乎不可超越，因為這些選手能夠以較少的體能消耗跑出更遠(yuǎn)的距離。領(lǐng)跑者神采奕奕，光彩照人，在酷暑和競賽中始終保持冷靜和良好的狀態(tài)。但是，這些選手真的能夠在后半程比賽中穩(wěn)定步伐、繼續(xù)保持領(lǐng)先嗎？在個個經(jīng)過周密培訓(xùn)和激烈競爭的運(yùn)動員當(dāng)中，天賦和潛質(zhì)也只能發(fā)揮至此。要想成功，需要在路上消耗巨大的潛能?，F(xiàn)在的領(lǐng)跑者是否能夠挖掘潛力、運(yùn)用策略、應(yīng)對各種自然環(huán)境，最終如愿以償？時間和智慧將說明一切。

　　現(xiàn)在，您可能會問我：“馬拉松跟LED有什么關(guān)系？你真的知道自己在說什么嗎？”我想是的。就像強(qiáng)壯的選手領(lǐng)跑馬拉松一樣，LED在高能效照明領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先。相對于白熾燈和熒光燈照明，LED的主要技術(shù)優(yōu)勢是消耗的能源更低、壽命更長，并且能夠更好地控制照明顏色和方向。

　　據(jù)估算，美國2010年度的照明耗能占電能的19%1。截至2030年，每年的照明耗能將達(dá)到767太瓦時（TWh）1。對于我們這場特殊的馬拉松領(lǐng)跑者來說，這是一個多么好的機(jī)會！到2030年，LED照明可將耗電降低25%1。此外，由于LED的壽命比其它照明方案壽命長5倍，并且不含有害物質(zhì)，所以，LED可以減少照明形成的固體廢料和種類。甚至有可能不需要更換LED，而只是在改造建筑時才需要更換。不僅如此，利用紅、綠、藍(lán)（RGB） LED精調(diào)顏色的能力，也為品質(zhì)和創(chuàng)意提供了新機(jī)會。LED最終的用武之地將不僅限于空間照明，將更適合新風(fēng)格和裝置。

　　LED智能化——贏得比賽的關(guān)鍵所在

　　LED將如何發(fā)揮其巨大潛能？毫無疑問，第一道障礙是價格。LED目前的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有照明方案。節(jié)能往往不足以說服價格敏感的企業(yè)和消費(fèi)者購買較貴的產(chǎn)品。隨著時間推移，大規(guī)模生產(chǎn)可能會降低價格，但成本是否能夠降得足夠低，降價速度是否滿足用戶的預(yù)期？這些都是不確定因素，有待商榷。當(dāng)然，這些問題也超出了本文的討論范圍。假如我們隨便找兩家五金店，嘗試尋找相同的LED燈，這或許非常困難。許多零售商不會僅僅為了吸引稀稀拉拉的消費(fèi)者而備有足夠品種或數(shù)量的庫存，為什么？這涉及到價格和庫存周轉(zhuǎn)率。那么這種情況對我們這些工程師、創(chuàng)新者而言，意味著什么？我們?nèi)绾问?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/LED照明">LED照明發(fā)揮潛能？如何贏得這場馬拉松比賽的勝利？

　　如果我們賦予LED“頭腦”，使其智能化，為這些照明燈裝上眼睛、喉嚨、計數(shù)等功能。在照明領(lǐng)域設(shè)計出有價值的半導(dǎo)體材料，將優(yōu)化能源效率、延長照明壽命，并降低維護(hù)成本。這將有助于LED跑完整個賽程，堅持到最后，憑借智慧贏得比賽。

　　LED智能化的關(guān)鍵元素

　　環(huán)境光檢測、通信和電能測量是智能化照明系統(tǒng)的關(guān)鍵元素。通過環(huán)境光檢測，可以在其它光源已提供充足照明時調(diào)暗照明燈；此外，通過檢測環(huán)境光的顏色，能夠調(diào)節(jié)高級RGB LED照明系統(tǒng)的顏色。通信功能則允許遠(yuǎn)程控制并將小型、大型照明裝置連接成中央網(wǎng)絡(luò)。電能測量準(zhǔn)確計算消耗的功率，為預(yù)測性維護(hù)提供系統(tǒng)洞察力。所有這些特性——環(huán)境光檢測、通信、電能測量——將進(jìn)一步節(jié)省能源，降低運(yùn)營成本。本文探討為LED照明系統(tǒng)增加環(huán)境光檢測、通信（包括無線和電力線）以及電能測量功能的關(guān)鍵設(shè)計考慮。提供了參考設(shè)計示例。

　　環(huán)境光傳感器（ALS）檢測傳感器附近的光量。這些簡單器件成為LED照明系統(tǒng)的“眼睛”，也是節(jié)約能耗的關(guān)鍵。當(dāng)房間已經(jīng)有充足的光源時，照明完全沒必要，可將照明燈調(diào)暗或完全關(guān)閉，降低功耗、延長照明燈壽命。ALS的關(guān)鍵特性包括功耗、流明監(jiān)測范圍，以及IR和UV濾光。這些傳感器必須安靜地呆在系統(tǒng)中，不能消耗過大電能，從而破壞節(jié)約系統(tǒng)能耗的初衷。好的ALS耗流達(dá)到1μA以下。流明檢測范圍必須達(dá)到室外環(huán)境的典型流明范圍。0.1lx至100，000lx一般可滿足大多數(shù)應(yīng)用要求?？紤]到系統(tǒng)可靠性，可能有必要采用略大的范圍。IR和 UV濾光可消除實際系統(tǒng)中不可見光的光譜。

　　光檢測

　　圖13所示光源中的ALS設(shè)計。傳感器必須避開照明燈本身的光線，避免對環(huán)境光測量的影響。該設(shè)計中，ALS位于獨立的電路板上，處于照明燈支架的陰影下。這種簡單的設(shè)計使ALS能夠在檢測到環(huán)境光超過預(yù)設(shè)值時關(guān)閉照明燈。RGB傳感器甚至能夠為照明應(yīng)用增加更多“功能”。類似于圖中所示帶有RGB LED和ALS的LED照明系統(tǒng)，能夠動態(tài)調(diào)節(jié)其顏色輸出，以滿足特殊的應(yīng)用需求，例如舞臺情景照明或百貨公司的展示效果。

　　圖1. ALS安裝在獨立的PCB，處于照明燈支架的陰影下，防止傳感器讀取照明燈本身的光強(qiáng)。

　　通信

　　下面，我們討論LED的智能通信。耳朵和喉嚨是接下來實現(xiàn)LED照明智能化的最重要功能。通過將照明燈簡單組網(wǎng)，即可通過網(wǎng)絡(luò)控制燈的開、關(guān)，或者調(diào)光，這種操作將降低能耗。通信也為斷電、維護(hù)和應(yīng)急提供快速反饋，該信息將節(jié)省總體系統(tǒng)維護(hù)成本。無線和有線通信能夠在不同環(huán)境下很好地工作，取決于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和拓?fù)?。無線比較適合于小型室內(nèi)以及大型室外應(yīng)用，后者需要具有連續(xù)視線、可用的頻帶以及裕量足夠的傳輸功率。電力線通信（PLC）利用現(xiàn)有電力線實現(xiàn)通信。PLC非常適合于大型市政類照明裝置、隧道、室內(nèi)停車場等由于物理位置或建筑墻壁的原因而無法使用自然光的環(huán)境。所有通信引用中，可靠性是關(guān)鍵所在。如果通信發(fā)生故障，系統(tǒng)就毫無益處。

　　無線應(yīng)用中，信號傳輸方式可能是Wi-Fi?、ZigBee?或其它往往屬于，但不僅限于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）射頻的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。限制功耗提供了網(wǎng)絡(luò)靈活性，如果端點使用電池時則至關(guān)重要。圖2所示是一種獨特的應(yīng)用，其中照明燈開關(guān)上配備有能量收集射頻（RF）收發(fā)器。系統(tǒng)收集用于撥動開關(guān)的能量，產(chǎn)生可使用的直流電壓，支持照明燈具的無線電通信（1GHz RF）。只要信號能夠覆蓋光源，該開關(guān)可置于房間內(nèi)的任何地方。無需連接照明開關(guān)，室內(nèi)設(shè)計更靈活，照明控制更可靠。

　　圖2. 樓宇自動化應(yīng)用，其中的照明開關(guān)具有一個無需接線的能量收集射頻收發(fā)器，用以控制LED照明。