基于無(wú)線(xiàn)通信系統的數字化無(wú)極熒光燈照明應用

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

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

本文首先介紹了目前國內市場(chǎng)上主要的無(wú)極熒光燈產(chǎn)品，并分析了此類(lèi)產(chǎn)品的實(shí)際應用和節能效果。同時(shí)，對調光無(wú)極燈技術(shù)給予了一定闡述，并對其實(shí)際應用性給予了分析。

其次，通過(guò)調光電子鎮流器的多個(gè)接口與數字化無(wú)線(xiàn)通信系統的匹配，可以有效進(jìn)行集群式的照明控制，做到定時(shí)或實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)、單燈狀態(tài)檢測、群組布置和中央控制臺監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(chǎng)的方案。

最后，對該技術(shù)及方案的市場(chǎng)前景進(jìn)行了一定預期，并對節能效果給予了一定闡述。

1 無(wú)極熒光燈

在光源與照明領(lǐng)域，無(wú)極熒光燈以其無(wú)電極長(cháng)壽命的特點(diǎn)而被廣泛接受。該光源采用獨特的電子鎮流器產(chǎn)生射頻信號，而通過(guò)鐵氧體磁芯或特質(zhì)線(xiàn)圈耦合交變電磁場(chǎng)能量進(jìn)入等離子體發(fā)光管，激發(fā)內部汞產(chǎn)生253. 7nm 紫外譜線(xiàn)，并最終激發(fā)管壁內部熒光粉材料產(chǎn)生可見(jiàn)光輸出。

無(wú)極熒光燈又根據鐵氧體磁芯安裝方式的不同而區分為內置式和外置式兩種。內置式無(wú)極燈以磁芯內插入球形泡腔體內為主，多采用MHz 級的自激式振蕩電路產(chǎn)生射頻信號進(jìn)行燃點(diǎn)。此類(lèi)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(shí)EMC ( 電磁兼容性) 較難通過(guò)國家相關(guān)標準。

而磁芯外置式無(wú)極燈，則由磁芯外置于環(huán)形閉合燈管而啟動(dòng)燃點(diǎn)。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(zhù)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(guò)EMC 相關(guān)標準而成為瓶頸。同時(shí)，外置式無(wú)極燈還需要額外注意磁芯實(shí)際溫度、汞齊點(diǎn)溫度等問(wèn)題。而其發(fā)光面積大的特點(diǎn)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(lèi)光源的另一技術(shù)課題。

LVD 無(wú)極燈產(chǎn)品及其主要性能如表1 和圖1 所示:

表1 LVD-200W 無(wú)極燈基礎性能'

　圖1 LVD 無(wú)極燈產(chǎn)品實(shí)物圖'

將調光技術(shù)與無(wú)極熒光燈相結合，可以更好地實(shí)現節能照明。宏源公司通過(guò)自主研發(fā)的調光電子鎮流器， 可對LVD 無(wú)極燈進(jìn)行功率調節， 范圍從100% 到30%。光通總量與功率比例呈線(xiàn)性關(guān)系。

而客戶(hù)可通過(guò)自行匹配0 ～ 10V 外部DC 電壓信號，即可進(jìn)行連續調光控制。

將燈具與照明控制系統相結合，為客戶(hù)提供整套照明方案是照明領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。上海宏源通過(guò)LVD 無(wú)極燈電子鎮流器內部引出控制接口，與無(wú)線(xiàn)通信設備進(jìn)行有效對接，可以實(shí)現由外部信號控制的開(kāi)關(guān)、調光、啟動(dòng)檢測、重復啟動(dòng)控制等功能。

如圖2. c 所示，調光電子鎮流器與通訊系統模塊( 由無(wú)線(xiàn)通訊和MCU 組成) 進(jìn)行8pin 插針連接，其中對接信號包括:

(1) 通信系統需要的5V-DC 工作電壓;(2) 單燈開(kāi)關(guān)控制信號;(3) 分檔調光控制信號(30% ～ 100% 之間) ;(4) 光源開(kāi)啟檢測，未啟動(dòng)時(shí)則進(jìn)行重復關(guān)斷再開(kāi)啟。

圖2 LVD 各款電子鎮流器示意圖

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

2 通訊控制系統

數字化無(wú)極燈照明中，通過(guò)每個(gè)調光鎮流器與通信部件接口的匹配即可實(shí)現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(gè)群組) ， 通過(guò)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(jìn)行開(kāi)關(guān)、調光或定時(shí)控制，最相近的路燈中的通信模塊檢測此信息后即執行該動(dòng)作，并進(jìn)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，到最相近路燈執行指令并再發(fā)送指令到其他相近路燈的循環(huán)傳遞過(guò)程。同時(shí)，每個(gè)路燈的通信模塊均為雙工通信，它們同樣通過(guò)傳遞的方式將每個(gè)燈執行指令后的狀態(tài)信息反饋給群組控制器( 示意圖如圖3 所示)。

圖3 單個(gè)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(shù)，其基礎為IEEE 802. 15 標準。由于傳統無(wú)線(xiàn)協(xié)議很難適應無(wú)線(xiàn)通信設備的低*費、低能量和高容錯性等的要求，故ZigBee 技術(shù)進(jìn)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(luò )層協(xié)議和API 進(jìn)行了標準化。其中網(wǎng)絡(luò )層采用平面路由協(xié)議，嵌入泛洪算法結合“閑聊”策略，具有短距離、低速率但高效、便利的特點(diǎn)。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(gè)路燈會(huì )與其最接近的6 ～ 10 個(gè)路燈進(jìn)行相互通信傳輸信息( 兩側路燈共240 米的范圍)。

這樣保證了在某個(gè)路燈故障時(shí)，不會(huì )影響整個(gè)鏈條的信息指令傳遞。同時(shí)可鋪設及擴展高達幾千個(gè)的網(wǎng)絡(luò )控制節點(diǎn)。

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

同時(shí)內部具有A /D 轉換、定時(shí)/ 計數、PWM 及中斷功能，均可通過(guò)I /O 口加以實(shí)現，從而使得電子鎮流器等開(kāi)關(guān)電源控制模擬量?jì)H需要普通光耦即可與其銜接。同時(shí)，內部具有JTAG 仿真功能( 與IEEE1149. 1 標準兼容) ，可以進(jìn)行PC 仿真并檢測狀態(tài)，從而使各類(lèi)狀態(tài)模擬成為可能。

每個(gè)群組通過(guò)群組控制器執行并記錄信息，即完成了對一條道路照明的直接控制。而通過(guò)對不同群組控制器的再編址方式，既可以通過(guò)一個(gè)中央控制站對一個(gè)大面積區域( 例如一個(gè)城市) 的所有路燈( 多個(gè)路燈群組) 進(jìn)行集中控制。其中群組控制器與本地控制主機采用長(cháng)程通信方式。通信頻率采用國際認可的2. 4GHz 微波頻率段進(jìn)行設定?？蛇x擇FSK + DSSS 來(lái)避免帶內多徑干擾。FSK 調制具有設備簡(jiǎn)單、調制和解調方便等優(yōu)點(diǎn)，并且具有較好的抗多徑時(shí)延性能; DSSS 系統采用偽隨機碼的相關(guān)解擴，只要多徑時(shí)延大于一個(gè)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(lái)提高系統性能。同時(shí)還具有低功率、可迅速組網(wǎng)而不影響群組內軟硬件設備等特點(diǎn)。

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

1、任何地區任何時(shí)候均對路燈監控進(jìn)行透明化處理，保證客戶(hù)和廠(chǎng)家信息對稱(chēng)一致;

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

3、有利于形成范圍更廣的統一集中管理;

3 城市道路照明的應用可行性

由于無(wú)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(diǎn)，所以能很明顯的體現出“綜合節能”的特點(diǎn)。即與同類(lèi)型其他光源產(chǎn)品相比較，具有較為明顯的綜合參數指標優(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(diǎn); 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(diǎn))。而通過(guò)特制的無(wú)極燈路燈反光器，可以有效的形成整燈蝙蝠翼的配光曲線(xiàn)形狀( 最大光強角度示具體燈具不同而有差異) ， 使得無(wú)極燈路燈在保證整燈效率不低于65% 的前提下，照度均勻度在規定路燈情況下完全達到國家相關(guān)標準。

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

圖6 部分LVD 無(wú)極燈路燈樣品實(shí)物圖

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

4 結語(yǔ)

無(wú)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(lǐng)域大展拳腳是擺在無(wú)極燈廠(chǎng)商以及科研院所面前的核心問(wèn)題。上海宏源照明電器有限公司通過(guò)將無(wú)極燈照明系統匹配無(wú)線(xiàn)通訊系統控制，使得提供給客戶(hù)的綜合化節能方案更加智能化和便利化，做出了開(kāi)拓性的嘗試。相信這一統一的路燈控制平臺，將會(huì )把無(wú)極燈的各方面優(yōu)勢體現的淋漓盡致。