實(shí)現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，節省一丁點(diǎn)兒體耗，對比賽結果都至關(guān)重要。通常，當賽程不到一半時(shí)，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定步伐、繼續保持領(lǐng)先嗎?在個(gè)個(gè)經(jīng)過(guò)周密培訓和激烈競爭的運動(dòng)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?，F在的領(lǐng)跑者是否能夠挖掘潛力、運用策略、應對各種自然環(huán)境，最終如愿以?xún)?時(shí)間和智慧將說(shuō)明一切。

現在，您可能會(huì )問(wèn)我：“馬拉松跟LED有什么關(guān)系?你真的知道自己在說(shuō)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(cháng)，并且能夠更好地控制照明顏色和方向。

據估算，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(shí)(TWh)。2對于我們這場(chǎng)特殊的馬拉松領(lǐng)跑者來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)多么好的機會(huì )!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(cháng)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(lèi)。甚至有可能不需要更換LED，而只是在改造建筑時(shí)才需要更換。不僅如此，利用紅、綠、藍(RGB) LED精調顏色的能力，也為品質(zhì)和創(chuàng )意提供了新機會(huì )。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(yíng)得比賽的關(guān)鍵所在

LED將如何發(fā)揮其巨大潛能?毫無(wú)疑問(wèn)，第一道障礙是價(jià)格。LED目前的成本遠遠高于現有照明方案。節能往往不足以說(shuō)服價(jià)格敏感的企業(yè)和消費者購買(mǎi)較貴的產(chǎn)品。隨著(zhù)時(shí)間推移，大規模生產(chǎn)可能會(huì )降低價(jià)格，但成本是否能夠降得足夠低，降價(jià)速度是否滿(mǎn)足用戶(hù)的預期?這些都是不確定因素，有待商榷。當然，這些問(wèn)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(huì )僅僅為了吸引稀稀拉拉的消費者而備有足夠品種或數量的庫存，為什么?這涉及到價(jià)格和庫存周轉率。那么這種情況對我們這些工程師、創(chuàng )新者而言，意味著(zhù)什么?我們如何使LED照明發(fā)揮潛能?如何贏(yíng)得這場(chǎng)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、計數等功能。在照明領(lǐng)域設計出有價(jià)值的半導體材料，將優(yōu)化能源效率、延長(cháng)照明壽命，并降低維護成本。這將有助于LED跑完整個(gè)賽程，堅持到最后，憑借智慧贏(yíng)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的關(guān)鍵元素。通過(guò)環(huán)境光檢測，可以在其它光源已提供充足照明時(shí)調暗照明燈;此外，通過(guò)檢測環(huán)境光的顏色，能夠調節高級RGB LED照明系統的顏色。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)一步節省能源，降低運營(yíng)成本。本文探討為L(cháng)ED照明系統增加環(huán)境光檢測、通信(包括無(wú)線(xiàn)和電力線(xiàn))以及電能測量功能的關(guān)鍵設計考慮。提供了參考設計示例。

環(huán)境光傳感器(ALS)檢測傳感器附近的光量。這些簡(jiǎn)單器件成為L(cháng)ED照明系統的“眼睛”，也是節約能耗的關(guān)鍵。當房間已經(jīng)有充足的光源時(shí)，照明完全沒(méi)必要，可將照明燈調暗或完全關(guān)閉，降低功耗、延長(cháng)照明燈壽命。ALS的關(guān)鍵特性包括功耗、流明監測范圍，以及IR和UV濾光。這些傳感器必須安靜地呆在系統中，不能消耗過(guò)大電能，從而破壞節約系統能耗的初衷。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(mǎn)足大多數應用要求?？紤]到系統可靠性，可能有必要采用略大的范圍。IR和UV濾光可消除實(shí)際系統中不可見(jiàn)光的光譜。

光檢測

圖13所示光源中的ALS設計。傳感器必須避開(kāi)照明燈本身的光線(xiàn)，避免對環(huán)境光測量的影響。該設計中，ALS位于獨立的電路板上，處于照明燈支架的陰影下。這種簡(jiǎn)單的設計使ALS能夠在檢測到環(huán)境光超過(guò)預設值時(shí)關(guān)閉照明燈。RGB傳感器甚至能夠為照明應用增加更多“功能”。類(lèi)似于圖中所示帶有RGB LED和ALS的LED照明系統，能夠動(dòng)態(tài)調節其顏色輸出，以滿(mǎn)足特殊的應用需求，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(lái)實(shí)現LED照明智能化的最重要功能。通過(guò)將照明燈簡(jiǎn)單組網(wǎng)，即可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )控制燈的開(kāi)、關(guān)，或者調光，這種操作將降低能耗。通信也為斷電、維護和應急提供快速反饋，該信息將節省總體系統維護成本。無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)通信能夠在不同環(huán)境下很好地工作，取決于網(wǎng)絡(luò )規模和拓撲。無(wú)線(xiàn)比較適合于小型室內以及大型室外應用，后者需要具有連續視線(xiàn)、可用的頻帶以及裕量足夠的傳輸功率。電力線(xiàn)通信(PLC)利用現有電力線(xiàn)實(shí)現通信。PLC非常適合于大型市政類(lèi)照明裝置、隧道、室內停車(chē)場(chǎng)等由于物理位置或建筑墻壁的原因而無(wú)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，系統就毫無(wú)益處。

無(wú)線(xiàn)應用中，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(diǎn)使用電池時(shí)則至關(guān)重要。圖2所示是一種獨特的應用，其中照明燈開(kāi)關(guān)上配備有能量收集射頻(RF)收發(fā)器。系統收集用于撥動(dòng)開(kāi)關(guān)的能量，產(chǎn)生可使用的直流電壓，支持照明燈具的無(wú)線(xiàn)電通信(1GHz RF)。只要信號能夠覆蓋光源，該開(kāi)關(guān)可置于房間內的任何地方。無(wú)需連接照明開(kāi)關(guān)，室內設計更靈活，照明控制更可靠。

圖2：樓宇自動(dòng)化應用，其中的照明開(kāi)關(guān)具有一個(gè)無(wú)需接線(xiàn)的能量收集射頻收發(fā)器，用以控制LED照明。