基于無線通信系統(tǒng)的數(shù)字化無極熒光燈照明應用

摘要：無極熒光燈作為一種高效、節(jié)能的照明產(chǎn)品，在道路、隧道、橋梁、大型廠房場館等工程中具有廣泛應用。而以此產(chǎn)品為基礎，配備數(shù)字化無線通信控制技術，可以更大限度的增加對實際工程中照明的控制，并進一步提高節(jié)能降耗的效果，體現(xiàn)“綜合節(jié)能性”特點。本文從原理和實際應用角度分析了一種獨立研發(fā)的新型的可調(diào)光無極熒光燈與數(shù)字化無線通信系統(tǒng)的技術匹配，并對此類高端技術在城市道路照明市場應用進行了一定預期。

隨著能源緊張日益成為各國關心的焦點，節(jié)能降耗成為擺在全世界人類面前最核心的話題。而在全球能源消耗中，照明用電占據(jù)了其總量的20% 至30%。因此研發(fā)和推廣高效、節(jié)能的照明產(chǎn)品和照明方式成為電光源行業(yè)中的關鍵。

本文首先介紹了目前國內(nèi)市場上主要的無極熒光燈產(chǎn)品，并分析了此類產(chǎn)品的實際應用和節(jié)能效果。同時，對調(diào)光無極燈技術給予了一定闡述，并對其實際應用性給予了分析。

其次，通過調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的多個接口與數(shù)字化無線通信系統(tǒng)的匹配，可以有效進行集群式的照明控制，做到定時或?qū)崟r開關、單燈狀態(tài)檢測、群組布置和中央控制臺監(jiān)測控制等集成化操作。真正讓智能化照明控制成為提供給市場的方案。

最后，對該技術及方案的市場前景進行了一定預期，并對節(jié)能效果給予了一定闡述。

1 無極熒光燈

在光源與照明領域，無極熒光燈以其無電極長壽命的特點而被廣泛接受。該光源采用獨特的電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)生射頻信號，而通過鐵氧體磁芯或特質(zhì)線圈耦合交變電磁場能量進入等離子體發(fā)光管，激發(fā)內(nèi)部汞產(chǎn)生253. 7nm 紫外譜線，并最終激發(fā)管壁內(nèi)部熒光粉材料產(chǎn)生可見光輸出。

無極熒光燈又根據(jù)鐵氧體磁芯安裝方式的不同而區(qū)分為內(nèi)置式和外置式兩種。內(nèi)置式無極燈以磁芯內(nèi)插入球形泡腔體內(nèi)為主，多采用MHz 級的自激式振蕩電路產(chǎn)生射頻信號進行燃點。此類方式使得光源本身制作難度要求不高，球形燈管利于燈具配光設計，但整燈測試時EMC ( 電磁兼容性) 較難通過國家相關標準。

而磁芯外置式無極燈，則由磁芯外置于環(huán)形閉合燈管而啟動燃點。頻率范圍一般在幾百KHz 級別。在頻率的選擇上，低頻率意味著需加大磁芯尺寸以增加整燈的感抗值; 而高頻率則由于傳導干擾和輻射干擾較難通過EMC 相關標準而成為瓶頸。同時，外置式無極燈還需要額外注意磁芯實際溫度、汞齊點溫度等問題。而其發(fā)光面積大的特點使得光源表面亮度相對HID 光源低，眩光容易控制;但燈具選型和配光設計成為該類光源的另一技術課題。

LVD 無極燈產(chǎn)品及其主要性能如表1 和圖1 所示:

表1 LVD-200W 無極燈基礎性能'

　圖1 LVD 無極燈產(chǎn)品實物圖'

將調(diào)光技術與無極熒光燈相結(jié)合，可以更好地實現(xiàn)節(jié)能照明。宏源公司通過自主研發(fā)的調(diào)光電子鎮(zhèn)流器， 可對LVD 無極燈進行功率調(diào)節(jié)， 范圍從100% 到30%。光通總量與功率比例呈線性關系。

而客戶可通過自行匹配0 ～ 10V 外部DC 電壓信號，即可進行連續(xù)調(diào)光控制。

將燈具與照明控制系統(tǒng)相結(jié)合，為客戶提供整套照明方案是照明領域的發(fā)展趨勢。上海宏源通過LVD 無極燈電子鎮(zhèn)流器內(nèi)部引出控制接口，與無線通信設備進行有效對接，可以實現(xiàn)由外部信號控制的開關、調(diào)光、啟動檢測、重復啟動控制等功能。

如圖2. c 所示，調(diào)光電子鎮(zhèn)流器與通訊系統(tǒng)模塊( 由無線通訊和MCU 組成) 進行8pin 插針連接，其中對接信號包括:

(1) 通信系統(tǒng)需要的5V-DC 工作電壓;(2) 單燈開關控制信號;(3) 分檔調(diào)光控制信號(30% ～ 100% 之間) ;(4) 光源開啟檢測，未啟動時則進行重復關斷再開啟。

圖2 LVD 各款電子鎮(zhèn)流器示意圖

a. 普通220V 市電電子鎮(zhèn)流器; b. 自配調(diào)光控制器的調(diào)光電子鎮(zhèn)流器; c. 匹配通訊模塊的調(diào)光電子鎮(zhèn)流器

2 通訊控制系統(tǒng)

數(shù)字化無極燈照明中，通過每個調(diào)光鎮(zhèn)流器與通信部件接口的匹配即可實現(xiàn)單燈的智能化控制和群組化控制。

以路燈智能化照明為例，首先劃分好路燈群組( 通常以一條馬路為一個群組) ， 通過單燈中MCU模塊設定該燈的編號( 即ip 地址)。由該群組控制器對最相近的路燈進行開關、調(diào)光或定時控制，最相近的路燈中的通信模塊檢測此信息后即執(zhí)行該動作，并進一步將此信息傳遞給與其相鄰的其他路燈。

最終形成了從群組控制器發(fā)出指令，到最相近路燈執(zhí)行指令并再發(fā)送指令到其他相近路燈的循環(huán)傳遞過程。同時，每個路燈的通信模塊均為雙工通信，它們同樣通過傳遞的方式將每個燈執(zhí)行指令后的狀態(tài)信息反饋給群組控制器( 示意圖如圖3 所示)。

圖3 單個組群的路燈傳遞控制方式示意圖

其中近程短途通信采用ZigBee 技術，其基礎為IEEE 802. 15 標準。由于傳統(tǒng)無線協(xié)議很難適應無線通信設備的低*費、低能量和高容錯性等的要求，故ZigBee 技術進行了一定的擴展提高， 即應用IEEE 處理低級MAC 層和物理層協(xié)議，而其則針對網(wǎng)絡層協(xié)議和API 進行了標準化。其中網(wǎng)絡層采用平面路由協(xié)議，嵌入泛洪算法結(jié)合“閑聊”策略，具有短距離、低速率但高效、便利的特點。我公司采用的單燈通訊模塊的單方向上限傳輸距離為120米，即每個路燈會與其最接近的6 ～ 10 個路燈進行相互通信傳輸信息( 兩側(cè)路燈共240 米的范圍)。

這樣保證了在某個路燈故障時，不會影響整個鏈條的信息指令傳遞。同時可鋪設及擴展高達幾千個的網(wǎng)絡控制節(jié)點。

通訊模塊除設有天線、短程通訊接發(fā)收設備外，更配置了一個16 位工業(yè)用MCU 核( 如圖2. c 所示)。其工作于16MHz 時性能高達16MIPS，保證外部通信速率和內(nèi)部指令執(zhí)行速率均高效、無障礙化。

同時內(nèi)部具有A /D 轉(zhuǎn)換、定時/ 計數(shù)、PWM 及中斷功能，均可通過I /O 口加以實現(xiàn)，從而使得電子鎮(zhèn)流器等開關電源控制模擬量僅需要普通光耦即可與其銜接。同時，內(nèi)部具有JTAG 仿真功能( 與IEEE1149. 1 標準兼容) ，可以進行PC 仿真并檢測狀態(tài)，從而使各類狀態(tài)模擬成為可能。

每個群組通過群組控制器執(zhí)行并記錄信息，即完成了對一條道路照明的直接控制。而通過對不同群組控制器的再編址方式，既可以通過一個中央控制站對一個大面積區(qū)域( 例如一個城市) 的所有路燈( 多個路燈群組) 進行集中控制。其中群組控制器與本地控制主機采用長程通信方式。通信頻率采用國際認可的2. 4GHz 微波頻率段進行設定?？蛇x擇FSK + DSSS 來避免帶內(nèi)多徑干擾。FSK 調(diào)制具有設備簡單、調(diào)制和解調(diào)方便等優(yōu)點，并且具有較好的抗多徑時延性能; DSSS 系統(tǒng)采用偽隨機碼的相關解擴，只要多徑時延大于一個偽隨機碼的碼片，多徑就構不成干擾，反而可以利用這一干擾能量來提高系統(tǒng)性能。同時還具有低功率、可迅速組網(wǎng)而不影響群組內(nèi)軟硬件設備等特點。

圖4 群組控制與中央總控制的信息傳遞示意圖

圖5 基礎控制流程示意圖

而本地主機進一步可通過互聯(lián)網(wǎng)與其他地區(qū)的主機進行通信。即可保證在其他地方可以很清晰的查看該地區(qū)的路燈控制情況。這一特點具有如下好處:

1、任何地區(qū)任何時候均對路燈監(jiān)控進行透明化處理，保證客戶和廠家信息對稱一致;

2、便利于各地路燈處的管理和控制，做到控制精細化，節(jié)能效果實際化;

3、有利于形成范圍更廣的統(tǒng)一集中管理;

3 城市道路照明的應用可行性

由于無極燈本身具有較高光效、較高顯色性、低光衰、白光照明的特點，所以能很明顯的體現(xiàn)出“綜合節(jié)能”的特點。即與同類型其他光源產(chǎn)品相比較，具有較為明顯的綜合參數(shù)指標優(yōu)勢( 例如，與高壓鈉燈比較則光效稍低的情況下具有白光、高顯色性和低光衰的特點; 而與金鹵燈相比較，則具有光效稍高、顯色性更好和低光衰的特點)。而通過特制的無極燈路燈反光器，可以有效的形成整燈蝙蝠翼的配光曲線形狀( 最大光強角度示具體燈具不同而有差異) ， 使得無極燈路燈在保證整燈效率不低于65% 的前提下，照度均勻度在規(guī)定路燈情況下完全達到國家相關標準。

而配置了無線通信控制系統(tǒng)，則由于可以實現(xiàn)定時和分段調(diào)光等智能化操作，保證相對現(xiàn)有路燈照明系統(tǒng)具有至少30% 的節(jié)能效果。即保證了從照明產(chǎn)品到照明方式上雙重節(jié)能的目的。

圖6 部分LVD 無極燈路燈樣品實物圖

( a. b. c. 為三種不同款式路燈實物，d. 為A 中路燈產(chǎn)品的子午面配光曲線圖)

4 結(jié)語

無極熒光燈作為一種目前被廣泛推廣的照明產(chǎn)品，如何更有效的利用其自身優(yōu)勢在綠色照明領域大展拳腳是擺在無極燈廠商以及科研院所面前的核心問題。上海宏源照明電器有限公司通過將無極燈照明系統(tǒng)匹配無線通訊系統(tǒng)控制，使得提供給客戶的綜合化節(jié)能方案更加智能化和便利化，做出了開拓性的嘗試。相信這一統(tǒng)一的路燈控制平臺，將會把無極燈的各方面優(yōu)勢體現(xiàn)的淋漓盡致。