實(shí)現(xiàn)LED照明智能化 - 全文

　　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(diǎn)兒體耗，對(duì)比賽結(jié)果都至關(guān)重要。通常，當(dāng)賽程不到一半時(shí)，就好像已經(jīng)分出勝負(fù)。領(lǐng)跑者似乎不可超越，因?yàn)檫@些選手能夠以較少的體能消耗跑出更遠(yuǎn)的距離。領(lǐng)跑者神采奕奕，光彩照人，在酷暑和競(jìng)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(gè)個(gè)經(jīng)過周密培訓(xùn)和激烈競(jìng)爭(zhēng)的運(yùn)動(dòng)員當(dāng)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(xiàn)在的領(lǐng)跑者是否能夠挖掘潛力、運(yùn)用策略、應(yīng)對(duì)各種自然環(huán)境，最終如愿以償？時(shí)間和智慧將說明一切。

　　現(xiàn)在，您可能會(huì)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(qiáng)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(duì)于白熾燈和熒光燈照明，LED的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)是消耗的能源更低、壽命更長(zhǎng)，并且能夠更好地控制照明顏色和方向。

　　據(jù)估算，美國(guó)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(dá)到767太瓦時(shí)（TWh）1。對(duì)于我們這場(chǎng)特殊的馬拉松領(lǐng)跑者來(lái)說，這是一個(gè)多么好的機(jī)會(huì)！到2030年，LED照明可將耗電降低25%1。此外，由于LED的壽命比其它照明方案壽命長(zhǎng)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(shí)才需要更換。不僅如此，利用紅、綠、藍(lán)（RGB） LED精調(diào)顏色的能力，也為品質(zhì)和創(chuàng)意提供了新機(jī)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，第一道障礙是價(jià)格。LED目前的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有照明方案。節(jié)能往往不足以說服價(jià)格敏感的企業(yè)和消費(fèi)者購(gòu)買較貴的產(chǎn)品。隨著時(shí)間推移，大規(guī)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)速度是否滿足用戶的預(yù)期？這些都是不確定因素，有待商榷。當(dāng)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(huì)僅僅為了吸引稀稀拉拉的消費(fèi)者而備有足夠品種或數(shù)量的庫(kù)存，為什么？這涉及到價(jià)格和庫(kù)存周轉(zhuǎn)率。那么這種情況對(duì)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(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(jì)數(shù)等功能。在照明領(lǐng)域設(shè)計(jì)出有價(jià)值的半導(dǎo)體材料，將優(yōu)化能源效率、延長(zhǎng)照明壽命，并降低維護(hù)成本。這將有助于LED跑完整個(gè)賽程，堅(jiān)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(cè)、通信和電能測(cè)量是智能化照明系統(tǒng)的關(guān)鍵元素。通過環(huán)境光檢測(cè)，可以在其它光源已提供充足照明時(shí)調(diào)暗照明燈；此外，通過檢測(cè)環(huán)境光的顏色，能夠調(diào)節(jié)高級(jí)RGB LED照明系統(tǒng)的顏色。通信功能則允許遠(yuǎn)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(cè)量準(zhǔn)確計(jì)算消耗的功率，為預(yù)測(cè)性維護(hù)提供系統(tǒng)洞察力。所有這些特性——環(huán)境光檢測(cè)、通信、電能測(cè)量——將進(jìn)一步節(jié)省能源，降低運(yùn)營(yíng)成本。本文探討為L(zhǎng)ED照明系統(tǒng)增加環(huán)境光檢測(cè)、通信（包括無(wú)線和電力線）以及電能測(cè)量功能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮。提供了參考設(shè)計(jì)示例。

　　環(huán)境光傳感器（ALS）檢測(cè)傳感器附近的光量。這些簡(jiǎn)單器件成為L(zhǎng)ED照明系統(tǒng)的“眼睛”，也是節(jié)約能耗的關(guān)鍵。當(dāng)房間已經(jīng)有充足的光源時(shí)，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(zhǎng)照明燈壽命。ALS的關(guān)鍵特性包括功耗、流明監(jiān)測(cè)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(dá)到1μA以下。流明檢測(cè)范圍必須達(dá)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(shí)際系統(tǒng)中不可見光的光譜。

　　光檢測(cè)

　　圖13所示光源中的ALS設(shè)計(jì)。傳感器必須避開照明燈本身的光線，避免對(duì)環(huán)境光測(cè)量的影響。該設(shè)計(jì)中，ALS位于獨(dú)立的電路板上，處于照明燈支架的陰影下。這種簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)使ALS能夠在檢測(cè)到環(huán)境光超過預(yù)設(shè)值時(shí)關(guān)閉照明燈。RGB傳感器甚至能夠?yàn)檎彰鲬?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(dòng)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(tái)情景照明或百貨公司的展示效果。

　　圖1. ALS安裝在獨(dú)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(qiáng)。

　　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(xiàn)LED照明智能化的最重要功能。通過將照明燈簡(jiǎn)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(hù)和應(yīng)急提供快速反饋，該信息將節(jié)省總體系統(tǒng)維護(hù)成本。無(wú)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?fù)?。無(wú)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(shí)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(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(tǒng)就毫無(wú)益處。

　　無(wú)線應(yīng)用中，信號(hào)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(yī)療（ISM）射頻的標(biāo)準(zhǔn)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(dú)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(dòng)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(wú)線電通信（<1GHz RF）。只要信號(hào)能夠覆蓋光源，該開關(guān)可置于房間內(nèi)的任何地方。無(wú)需連接照明開關(guān)，室內(nèi)設(shè)計(jì)更靈活，照明控制更可靠。

　　圖2. 樓宇自動(dòng)化應(yīng)用，其中的照明開關(guān)具有一個(gè)無(wú)需接線的能量收集射頻收發(fā)器，用以控制LED照明。

　　PLC照明控制方法利用現(xiàn)有的供電線路，不失為高性價(jià)選擇。由于通過維護(hù)很好的現(xiàn)有供電線路實(shí)現(xiàn)通信，PLC避免了許多麻煩，例如共用通信頻率、惡劣天氣時(shí)的性能以及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。范圍、速度和可靠性是設(shè)計(jì)PLC的關(guān)鍵。電力線的噪聲極大，影響系統(tǒng)通信的可靠性。?通信是一種基于OFDM的新型PLC標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)電力線的可靠通信。該標(biāo)準(zhǔn)支持高達(dá)300kbps的速度、網(wǎng)狀組網(wǎng)以及高噪聲環(huán)境下的可靠模式非常適合LED控制網(wǎng)絡(luò)?；贠FDM、PLC控制的照明網(wǎng)絡(luò)類似于現(xiàn)有的G3-PLC。 圖3所示為Nyx Hemera Technologies公司用于隧道照明的PLC裝置4，該系統(tǒng)已經(jīng)節(jié)約了25%的電能，維護(hù)成本降低30%。該大型設(shè)施系統(tǒng)支持最多1022盞照明燈，通信距離長(zhǎng)達(dá)3km。

　　圖3. 采用PLC的市政路燈網(wǎng)絡(luò)示例4。

　　電能測(cè)量

　　智能LED燈還需要具備電量計(jì)算能力。從智能電表到電壓控制器再到電動(dòng)汽車充電器，每個(gè)智能電網(wǎng)裝置都具有電能測(cè)量功能，實(shí)時(shí)為電力公司和用戶提供準(zhǔn)確的用電信息。發(fā)回耗電量的大多數(shù)照明裝置提供關(guān)于建筑及市政照明環(huán)境的詳細(xì)信息，可確保電力公司的收費(fèi)與耗電嚴(yán)格一致。通過調(diào)光或在不使用時(shí)關(guān)閉照明燈，及時(shí)、準(zhǔn)確地響應(yīng)用戶需求。此外，特定照明燈的耗電波動(dòng)說明需要進(jìn)行系統(tǒng)維修、維護(hù)或更換。毫無(wú)疑問，許多照明燈處于難以觸及的區(qū)域，優(yōu)化維護(hù)可節(jié)省費(fèi)用。為生成智能電網(wǎng)中的有用數(shù)據(jù)，電能測(cè)量設(shè)計(jì)必須在較寬的電流范圍保持高精度測(cè)量。不僅如此，限制或消除校準(zhǔn)時(shí)間也會(huì)降低總體系統(tǒng)成本。圖4所示為一種靈活的LED照明參考設(shè)計(jì)，具有電能測(cè)量功能5。電能測(cè)量芯片也提供系統(tǒng)調(diào)光和DALI接口。

　　目前許多城市安裝了非智能LED照明燈，這為改善LED照明設(shè)施性能的集成模塊提供了巨大的商機(jī)。為實(shí)現(xiàn)可升級(jí)，這些系統(tǒng)需要連接到智能照明系統(tǒng)。如果 LED的成本和容量一定，簡(jiǎn)單更換相對(duì)較新和效率較高的LED，性價(jià)比較低。簡(jiǎn)單接口，例如DALI，允許將來(lái)增加ALS、通信和電能測(cè)量功能。

　　圖4. 完整的智能LED照明參考設(shè)計(jì)，具有電能測(cè)量、環(huán)境光檢測(cè)和通信功能。

　　最后的勝者

　　這對(duì)我們意味著什么？消費(fèi)者從觀念上對(duì)LED照明的認(rèn)可和轉(zhuǎn)換是一個(gè)長(zhǎng)期過程。顯而易見，LED照明具有改變照明方式以及節(jié)省巨大電能的潛力。增加“智能”照明的關(guān)鍵元素——ALS、通信和電能測(cè)量——將使LED更加強(qiáng)大，更具吸引力。智能化LED提供的測(cè)量數(shù)據(jù)能夠進(jìn)一步降低照明系統(tǒng)的能耗，降低運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。增加智能化設(shè)計(jì)，LED將充分發(fā)揮潛力，在已經(jīng)如火如荼的競(jìng)賽中擊敗傳統(tǒng)照明。

　　參考文獻(xiàn)

　　Navigant Consulting， “2010 U.S. Lighting Market Characterization，” January 2012， page xii， （http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/2010-lmc-final-jan-2012.pdf）。

　　Navigant Consulting， “Energy Savings Potential of Solid-State Lighting in General Illumination Applications 2010 to 2030，” February 2010， page 36， （http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/ssl_energy-savings-report_10-30.pdf）。

　　Kannisto， Marko， and Simpson， Dan， “Intelligent Lighting Controller Measures Ambient Light and Knows the Time，” Smart Energy DesignLine， March 2012.

　　Application note 5347， “Powerline Communications Automating Street Lighting.”

　　Unterkofler， Klaus， 2011 Light Fair International demonstration， Maxim Integrated.

　　G3-PLC是Maxim Integrated Products， Inc.的商標(biāo)。

　　Wi-Fi是無(wú)線以太網(wǎng)兼容性聯(lián)盟的注冊(cè)認(rèn)證標(biāo)志。

　　ZigBee是ZigBee聯(lián)盟的注冊(cè)商標(biāo)和注冊(cè)服務(wù)標(biāo)志。