實現(xiàn)LED照明的智能化

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，當賽程不到一半時，就好像已經(jīng)分出勝負。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)過周密培訓和激烈競爭的運動員當中，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。現(xiàn)在的領(lǐng)跑者是否能夠挖掘潛力、運用策略、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到767太瓦時(TWh)。2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會!到2030年，LED照明可將耗電降低25%。2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(RGB) LED精調(diào)顏色的能力，也為品質(zhì)和創(chuàng)意提供了新機會。LED最終的用武之地將不僅限于空間照明，將更適合新風格和裝置。

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目前的成本遠遠高于現(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期?這些都是不確定因素，有待商榷。當然，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)绾问筁ED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)計出有價值的半導體材料，將優(yōu)化能源效率、延長照明壽命，并降低維護成本。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)。電能測量準確計算消耗的功率，為預測性維護提供系統(tǒng)洞察力。所有這些特性——環(huán)境光檢測、通信、電能測量——將進一步節(jié)省能源，降低運營成本。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耗流達到1μA以下。流明檢測范圍必須達到室外環(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。

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、維護和應(yīng)急提供快速反饋，該信息將節(jié)省總體系統(tǒng)維護成本。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)模和拓撲。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)、科學和醫(yī)療(ISM)射頻的標準協(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。