【導(dǎo)讀】LED照明系統(tǒng)的智能化程度是一個(gè)值得關(guān)注的問題。LED照明能夠降低能耗和維護(hù)成本，而智能化LED照明設(shè)計(jì)可以從兩個(gè)方面進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能；從每瓦特中獲得更好的性能，降低長期運(yùn)行成本。電能測量、環(huán)境光檢測和通信是智能LED照明設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；電能測量提供系統(tǒng)的健康運(yùn)轉(zhuǎn)及能耗信息；環(huán)境光檢測可以減少LED的實(shí)際照明時(shí)間，節(jié)約電能并延長二極管壽命；通信功能則將每個(gè)光源連接在一起，以進(jìn)行維護(hù)識(shí)別、系統(tǒng)級(jí)協(xié)調(diào)。本文將探討各部分電路對(duì)總體系統(tǒng)的影響。
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)和激烈競爭的運(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。現(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%。截至2030年，每年的照明耗能將達(dá)到767太瓦時(shí)(TWh)。對(duì)于我們這場特殊的馬拉松領(lǐng)跑者來說，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%。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(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)量的庫存，為什么？這涉及到價(jià)格和庫存周轉(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、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(shí)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(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)。電能測量準(zhǔn)確計(jì)算消耗的功率，為預(yù)測性維護(hù)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(jìn)一步節(jié)省能源，降低運(yùn)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(jì)考慮。提供了參考設(shè)計(jì)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(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(dá)到1μA以下。流明檢測范圍必須達(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。考慮到系統(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
圖1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。這種簡單的設(shè)計(jì)使ALS能夠在檢測到環(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)
下面，我們討論LED的智能通信。耳朵和喉嚨是接下來實(shí)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(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)洹o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。
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無線應(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)。基于OFDM、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，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，通信距離長達(dá)3km。
圖3. 采用PLC的市政路燈網(wǎng)絡(luò)示例
電能測量
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)，電能測量設(shè)計(jì)必須在較寬的電流范圍保持高精度測量。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)，具有電能測量功能。電能測量芯片也提供系統(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，簡單更換相對(duì)較新和效率較高的LED，性價(jià)比較低。簡單接口，例如DALI，允許將來增加ALS、通信和電能測量功能。
圖4. 完整的智能LED照明參考設(shè)計(jì)，具有電能測量、環(huán)境光檢測和通信功能
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、通信和電能測量——將使LED更加強(qiáng)大，更具吸引力。智能化LED提供的測量數(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)如火如荼的競賽中擊敗傳統(tǒng)照明。
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