智能LED照明系统与传感技术发展趋势

作者：上海市传感技术学会 颜重光

欢迎访问e展厅 展厅 6 照明设备展厅 灯具, 节能灯, LED照明, 日光灯, 荧光灯, ... 智能LED照明系统是LED照明发展的一种趋势，城市景观照明、商业照明、公共环境照明、山水实景演艺场等都需要智能LED照明系统，居家照明、别墅照明，私家花园的照明和防盗也需要智能LED照明系统。LED照明正在向智能化方向发展，LED照明技术的智能化需要将传感技术、信号智能处理技术、电子控制执行技术、无线通信整合在一个控制系统里，LED光源模组的点亮还是需要用直流恒流电源驱动。LED照明智能化目的是为了更好的节省能源和实现智能控制。智能LED照明系统包括各种传感器、探头，信号处理系统，基于MCU的智能控制系统、电子控制技术、无线通信与控制，和形形色色的LED照明灯具。智能LED照明系统中的LED灯开闭、亮度调节甚至可以用智能手机通过WIFI、GPRS、3G和LTE通信网络进行远程控制或现场遥控（图1）。 LED照明市场增长迅猛 今年以来LED照明市场增长迅猛，大众照明平价LED灯具市场的蓝海已呈现端倪，2013年是LED照明产业大干准备之年，2014年、2015年是平价LED灯具普惠到老百姓家走向海量生产巅峰，将是满足蓝海市场的需要关键之年，LED照明灯具企业将为之展开性价比的大竞赛。预测到2014年前LED的背光生产数量依然大于LED照明，2015年、2016年LED照明生产数量将大大超过LED背光，2013-2016年LED照明市场预测如图2所示。智能LED照明能上量的最先市场是楼宇智能照明，年增长率达18%，快速增长的智能楼宇市场如图3所示，智能LED照明控制相关企业都竞相参与受益。 智能LED照明系统 智能LED照明系统基本由：“传感器+信号调理+MCU智能处理+电子执行控制+驱动恒流电源+LED光源+无线通讯”组成（图4）。传感器的主要功能是采集各种有用信号，将非电量信号变换成电量信号，将微弱信号进行放大。目前适用于LED智能照明的传感器有红外线传感器、超声波传感器、光敏传感器、照度传感器、声敏传感器、霍尔传感器。它们能自动的收集人体的活动信息、光线的明暗变化的信息、声音响度变化的信息、物体位移的信息。将这些非电量信号变换成电量信号，经智能处理后，就能对照明灯具进行自动控制，开启或关闭LED照明灯具。适用于LED照明用的传感器大多是用微电子技术设计、制造的，如MEMS等，因其体积小容易与LED光源和驱动电源配置在一个灯具单元里。MEMS可以像集成电路那样大批量生产，成本低廉。传感器输出的电信号十分微弱，需要对小信号进行预处理，因此需要信号调理处理器，智能信号处理包括模数转换（ADC）、多工器（MUX）、可编程增益放大器（PGA）、电压基准（REFERENCE）、激励电源（EXCITATIONS），甚至嵌入微处理器（MCU、ASIC）、存储器（RAM、E2PROM）等单元，它们采用集成电路的技术制造。这种信号预处理器可作为输入信号调理前端与MCU做成一体。MEMS制程工艺与集成电路完全不同，因此不能与集成电路做在同一晶圆上。但是可以将MEMS和MCU采用片上系统（SOC）技术封装在一个单元的模块内。 MCU或ASIC对采集的信号自动进行智能化处理，可以在生产时用软件写入一些智能程序。以便产品在使用时自动实现这些既定功能。电子控制执行部分是智能处理结果实现的自动操作系统，在智能照明应用中，一般它直接控制电源的电子开关，控制LED光源的点亮或熄灭。需要远程控制或集团控制的，还可加入Zigbee、Wireless、GPRS、TCP/IP、WiFi等无线通讯的芯片，将控制信号远距离传送，甚至直接用手机遥控。 红外传感器 目前智能LED照明用得最多的是红外传感器。红外传感器是一种热释电红外传感器，它是用具有热电性能材料做成的热探测器，可能是产业界用得比较多的红外传感器之一。红外热释电传感器信号产生原理示意如图5，传感器表层温度无变化时敏感元电荷保持平衡T[K]，当接收外界红外辐射，表层温度即发生变化，敏感元随之变化，T+∆T[K]。也即由于外界的红外辐射而引起传感器敏感元表层温度变化时，红外传感器才释放出电荷（电流）；当温度变化趋于稳定，内部电荷就趋于平衡，敏感元就没有电荷（电流）产生，对静止的热源体没有电流输出。利用红外传感器这一特性，可以及时检测运动的红外热源，如人类的走动。红外传感器是一种被动型温度敏感器件，对应用环境温度不苛求，灵敏度高，光谱响应宽。可广泛用于各种红外入侵探测器、照明灯具的自动感应开关。红外热释电传感器的外形如图6-1所示，图6-2是传感器的电原理图，图6-3是传感器的典型应用图。上海尼赛拉传感器有限公司在上海、昆山大批量生产红外传感器，为国内外提供高品质的稳定货源。 菲涅尔透镜 红外热释电传感器的成功应用需借助于菲涅尔透镜，菲涅尔透镜在红外热释电传感器前具有聚焦和视角调制的作用，菲涅尔透镜可扩大红外热释电传感器接收红外信号源的视角和探测区域，将一个点的视角变成一个面的视角，因此可以监视运动中的红外源或移动热源（图7）。 菲涅尔透镜一般种类有：水平多分割式（或称水平幕帘式、特殊应用）、垂直多分割式（或称垂直幕帘式、特殊应用）、水平垂直分割式（常用）、圆锥多区分割式（顶视式、常用）等数种，应按不同灯具的产品功能需要来选用。菲涅尔透镜是由专业厂家制作的，有专门的光学设计，经专用模具压制的特种塑料零件。一种热销的人体感应LED筒灯如图8所示，利用热释电红外传感器来检测移动人体的红外辐射。只要人体在其探测范围内横切走过，当环境照度低于所设置的启动照度时感应点灯，点灯期间如再感知人体将重复延时，延时结束后关灯。并设有环境照度传感器，用户可自行选择所需的点灯照度来确定本灯在环境暗或亮时工作。地下车库LED日光灯改造的合同能源管理（EMC），是用节省的电费来偿还预先支付安装的LED日光灯的费用和省电盈利的，因此LED日光灯安装后的省电使用管理变得十分重要，事关供应方的切身利益。智能EMC日光灯即普通LED日光灯加装高性能红外探测器模组（图9），可作为企业、宾馆、商场、库房及家庭的楼内走廊、楼梯、卫生间等处用于照明的自动开关，真正实现“人来灯亮，人离灯灭”，是一种免接触、方便、卫生、主动节能的LED灯具。 光敏传感器与光敏电阻 光敏传感器是一种光敏二极管，是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。应用时需要有一个与环境光接触的窗口。当光线有明暗变化时，PN自动导通或关闭（图10）。与光敏传感器工作原理类似的还有光敏电阻，工作原理都是一样的，都可以用来采集光线明暗变化的信号，作为光线传感器来用。光敏传感器作为太阳能路灯的智能自动开关是一种典型的应用案例（图11），简单而有效，费用不多效果显著。当天空变亮或变暗时，光敏传感器自动关闭或打开LED路灯，免于人工控制之劳作。 楼宇LED智能照明网络 楼宇LED智能照明是目前应用最多的，通过工业控制器及专用总线（DALI/DSI/DMAX等）可以实现系统化的智能照明。一种典型的应用案例如图12所示，总控制器可以通过以太网络对一群楼宇的N个房间的N个灯组进行智能控制，设计可以多样化，应用灵活方便。 建筑群ZigBee通信控制照明 ZigBee的通信控制是基于ZigBee网关对建筑群的照明、安全、空调的集中控制，散布在建筑群各门庭、走道、楼梯、房间、外墙等处的日光传感器、温度传感器、运动传感器、监视器等将随机的信息自动连续采集，通过ZigBee平台和ZigBee网关传至中央计算机处理并监控，管理人员可以根据中央计算机信息通过遥控器或手机进行无线控制，自动调整建筑群内的照明、温度和通风（图13）。 小结 智能LED照明系统小规模应用时可以单独使用，例如商场、办公室等场所。也可以大范围并网控制，例如酒店、楼宇、景观等。组网形式简单、灵活，新增加的灯具可以随时接入已有的网络，无须改变原来的结构，方便LED在各领域的应用。通过遥控器、控制面板、液晶触摸屏可以方便地管理一定范围内所有的LED灯具实现无线控制、场景控制；彻底改变传统一组开关控制一组灯光的模式，提高LED灯的数字化管理和网络化管理。小型的智能LED照明在居家自动开闭的灯具中已经得到广泛的应用。智能LED照明因传感器和无线通信的深度应用，加上MCU的全面控制，轻松实现LED照明的智能化。将为人类的舒适生活提供更多的便利与福祉。智能LED照明系统技术涉及内容很多、范围很广，在这个小篇幅中很难表述清楚，需要分门别类详述。

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