LED照明通信系统（共9篇）
LED照明通信系统 篇1
半导体照明智能通信初露曙光, 而在高质量照明LED研发、通信速率提升、抗环境干扰、通信标准协议研讨制定等方面尚有大量难题亟待解决。
载人数量超过500人的大型飞机内, 乘客们在座位上用笔记本上网、开视频会议、下载高清视频节目, 单个座位需要很高的带宽。一些航空公司采用的Wi-Fi空中上网方式还不足以支持大带宽业务, 并且其射频信号对飞机与地面通信仍有影响, 而且当飞机飞行高度低于海拔3000m时, 该项服务会自动停止。
有没有一种更好的技术来解决这类问题呢?
答案是:有!
这就是来自中科院半导体所的“光学无线通信”领域的半导体照明通信技术, 这样一种完全避免射频接入产生电磁干扰的通信新技术, 使得机舱内无线上网的“最后一米”, 仅仅通过座位上方的LED照明灯就可以实现。
三个特殊性
据中科院半导体研究所副所长陈弘达博士介绍, 该技术是半导体所依托中科院知识创新工程重要方向项目“半导体照明信息网 (S2-link) 的研究”研发的, 于2009年1月首次实现了采用LED灯作为接入点的互联网接入, 随后该技术于2009年11月在上海工博会获得成功展示, 今年2月, 半导体所成功研制出半导体照明通信系统第三代样机, 网络带宽达到2Mbit/s, 今年5月, 半导体照明通信系统在上海世博会的“航空馆”和“沪上·生态家”展示。
在实现方式上, 半导体照明通信系统由接入控制器、照明LED灯和用户适配器三部分组成, 通常安置在LED灯上方的接入控制器通过以太网、卫星网络等方式连接外部网络, 将通信信号通过LED灯转换为光信号, 以照射的方式实现下行传输, 用户适配器 (以USB等方式连接电脑) 接收到光信号后经过解码处理发送给用户电脑, 用户适配器同时还可以利用红外光传输的方式, 实现上行数据传输。
至于与Wi-Fi方式的区别, 陈博士称, 相对于Wi-Fi采用无线电信号进行信号传输, 半导体照明通信系统下行信号采用连续的可见光传送信号, 而上行采用猝发红外线传送数据, 另外, 在通信协议上也不尽相同, 半导体照明通信系统通信协议虽然在设计时部分参考了现有互联网通信协议, 但是在编码方式、调制方式等方面均有不同。
正是因其“光学”特点, LED照明灯实现的无线通信凸出了三个特殊性, 最大特点是完全避免了射频接入的电磁干扰, 加之传输距离有限 (1~3m) 所以在飞机、医院等射频敏感领域比较适用, 目前已经得到了国际上一些大型空客公司的关注;其次, 半导体照明通信网内, 在LED灯的光照射范围内才能通信, 而光线照射不到的地方没有信号, 所以该技术具有高度保密性, 有可能在某些保密场所得到应用;再次, LED灯本身发光效率高, 绿色、环保, 更加凸显了其“节能减排”的优越性。
国际上的提前布局
在国际范围内, 此技术研究开发已经提早一步。
陈博士介绍, 早在2007年12月, 国际通信与电子工程师协会就成立了IEEE802.15委员会, 以推进近距离通信技术标准化的工作, 设立了可见光通信研究小组。日本、美国和韩国等发达国家和地区都投入了人力和物力, 来进行半导体照明通信的研究与开发。
日本已成立了研究和推广可见光通信网络的“可见光通信联盟”, 利用发光二极管阵列已实现单管传输速率为5Mbit/s的数据传输。而美国成立了由波士顿大学、Rensselaer理工学院、新墨西哥大学组成的“LED智能照明中心”, 已经开发出基于LED灯的点到点数据传输演示系统, 并在2009年将传输速率提升到近10Mbit/s。其它代表性研究机构还有韩国的三星公司、英国的牛津大学、德国的西门子公司、法国电信等, 均研发实现了基于白光LED的点到点通信。
对于该技术的潜力和未来商用问题, 陈博士坦言, 相比目前的射频无线技术, LED照明通信具有更大的带宽潜力, 随着器件的改进, 未来能够达到每秒几百兆到上G的接入速度, 但是由于通信介质空间存在反射、漫射光等各种干扰光源, 导致通信误码率偏高。为了保证可靠通信, 中科院半导体研究所正在通过改进驱动电路、接收电路、光学系统及一些纠错编码技术, 提高其传输质量和效率。
尽管潜力巨大, 但这一新技术因系统尚不完善, 元器件及系统集成还有问题亟待解决等原因, 目前在国际以及国内都处于实验室阶段, 离商用还有一定距离。
半导体照明技术体现绿色环保的同时无须新增专用网络和频率许可证, 同时具有一定的移动性, 很有可能成为网络“最后一米”的主要无线接入方式之一。
LED照明通信系统 篇2
引言
LED作为高效、环保、节能、抗震的新型光源，已经越来越广泛的应用到国民生活的各个方面。以LED为照明光源的车辆LED照明系统也越来越多的出现在轨道车辆中。基于轨道车辆的特殊性与电气系统的复杂性，提高轨道车辆车厢LED照明系统的可靠性显得尤为重要。轨道车辆车厢LED照明系统一旦发生故障，不仅会造成一节车厢照明系统的瘫痪、整车照明系统的瘫痪，还可能造成其它连带系统的故障，如空调系统、运行控制系统、电气系统等，甚至可能会引发火灾，造成不可预估的损失。及时、准确的确定轨道车辆车厢LED照明系统故障，进行故障诊断与预报，对降低轨道车辆车厢照明系统的维护成本，提高运行效率及可靠性，保证车辆安全运行具有重大意义。
为了及时、准确的确定并排除轨道车辆车厢LED照明系统的故障，对其常见故障类型做了一个较全面概述，并对其故障机理进行了分析，为故障诊断与预报工作打下了基础。
LED照明通信系统 篇3
随着世界经济的高速增长,全球能源短缺越来越严重。而在总的能源消耗量中,照明用电占了约20%的份额,并且还在不断增长。因此,对普通照明的光源来说,光效是最重要的指标之一。
而照明系统光效取决于光源,光学透镜或反光杯,以及镇流器或驱动电路。在各种新光源中,最受瞩目的就是半导体发光二极管(LED)。尤其是白光LED,它在光效(理论光效350lm/W)和寿命方面具备一般光源所无法比拟的潜在优点,并且面临突破的可能。LED广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、装饰性灯等领域。其中,最有潜力的应用当属大规模的通用照明应用。然而,目前LED依然价格偏高,成本因素制约了大功率LED的广泛推广应用。同时,大功率白光LED的现有光效约为90-100 lm/W,与传统光源相比节能并不明显。除了提高LED光效以外,我们还可通过光学和电学设计来提高LED照明系统的效率。
关于系统光效
所谓发光效率(简称光效) ,指的是灯具出射光通量与光源所消耗的电功率之比: ,其中的单位是。
光效高,对于国家来说意味着节能节电,对于用户来说意味着省钱,即同样照度可以用较低瓦数的光源实现。
事实上,用户关心的是照射在实际需要照射到的面积(空间)的照度。因此,与照明系统效率相关的概念有:光源光效、灯具效率和光利用率(如图1)。
光源光效 = 总光通量/总功率;
灯具效率 = 灯具出射光通量/光源光通量;
光利用率 = 要求被照明的有效面积内的光通量/光源光通量。
因此,照明系统的效率为:系统光效 =光源效率X光利用率=驱动器效率X光效 X光利用率。由于驱动器效率一般为90%左右,各类光源差别不大,故本文主要针对光效和光利用率展开分析和讨论。
光源光效
首先,分析一下光源光效。
光源光效可表示为:
其中,驱动器效率,指驱动电路镇流器上的损耗;光辐射效率,对应光源的发热损耗;辐射光谱中可见光百分比,指明了红外、紫外损失;辐射光效,是人眼时间函数加权比
表1列出了各种光源的光效,并进行了比较和分析。
由表1可见:当前LED的绝对光效约为90-100 lm/W,比高压钠灯、金卤灯、荧光灯等略低。但是高压钠灯、金卤灯、荧光灯等光源的光效提高难度较大,而LED的潜力巨大,其理论光效为355 lm/W。由于现有技术和工艺水平的限制,LED难以达到理论光效值。但近年来LED的光效已在快速提高,如已有报道160lm/W以上的实验室数据及130lm/W以上的市场产品。可以预见,从光效的角度,LED将对现有的其它光源形成很大的挑战。
光利用率
该部分将通过一个照明系统的例子,来分析系统的光利用率。
图2所示的是一个LED照明系统。光源发出的光经过灯具调制后投射在目标照明区域上。照明系统出射的是一个圆形光斑,而用户需要照亮的是一个矩形区域。
由前面的分析,可得:
光源光效=1000/15=67lm/W,
灯具效率=650/1000=65%,
光利用率=450/1000=45%。
所以该照明系统的光效=光源光效*光利用率=67*45%=30lm/W。
LED照明系统光效
LED照明系统往往由光源、镇流器或驱动电路、光学透镜或反光杯、以及其他部分组成。所以系统光效,是光源所发出的光通量,光学效率(即光利用率),和电学效率的乘积:
对于LED,光源光效是内量子效率、出光效率和辐射效率K的乘积,所以:
表2出了各部分效率的当前大概情况。从此可以看出当前LED进入普通照明我们所需努力的方向。
除了光源光效之外,我们还可以通过提高驱动器效率和光利用率来提高整个照明系统的光效。
首先,从驱动方面来说。LED光源需要恒流驱动,驱动器的效率会影响灯具的总效率。因此,好的LED驱动器设计不仅需要满足特定的电学要求,而且应当具有尽可能高的效率。常用的LED恒流驱动器有Buck、Boost及Buck-Boost等拓扑结构。
另外,光学设计也非常重要。LED体积小,接近理论上的“点光源”,这点对灯具设计师设计光学系统的时候非常有利,可以精确地定位发光点,解决了光源的隐蔽和最终灯具的多样化问题。另外接近点光源的LED给灯具的配光创造了无限的空间,包括高效率的LED灯具与特种配光应用。
LED照明系统光学设计
传统光源的灯具利用效率较低,这是由于以下这两个原因造成的:1四面发光,部分光被光源本身挡住;2发光点大,不易做光学设计,灯具效率不高,且出射光斑不会与要求的有效照射面重合而会浪费部分光;在不同的应用下传统光源的光利用率也不同。相反的,LED的光利用率较高,我们从理论模拟可达到90%。所以,合理的光学设计对LED的应用非常重要。
商品化的白光LED具有内置的反射器和封装树脂透镜等,这已经形成了一次光学系统,使得其光输出具有固定的方式。二次光学设计是提高灯具的有效光利用率的必要途径。
具体实现方法分为(如图3):
A) 按光学元件分类:
(1)、LED+反光杯
(2)、LED+透镜
(3)、LED+反光杯+透镜
B) 按投射方式分类:
(1)、单个LED模块投照
(2)、多个LED模块分区域投照
图4 是一个LED路灯用光学软件tracepro模拟后得到的光斑。这是一个道路照明较好的灯具方式。
LED散热问题
LED属于半导体发光器件。我们都知道,对于半导体器件,随着温度的变化,其特性会有明显的变化。对于LED,尤其是大功率LED,结温的升高会导致器件各方面性能的变化与衰减。当大功率LED用于照明,特别是普通照明领域时,我们必须控制结温的升高。随着半导体工艺和技术的进步,在实验室中LED的光效已经达到150lm/W,光电装换效率为20%~30%,这意味着输入的电能有70-80%都装换成了热,从而导致LED温度上升。
结温的上升取决于器件的热阻、封装,以及灯具的热沉。因为普通照明用LED的功率往往超过1 Watts,所以散热问题变得极为重要。对于LED来说,结温过高将对器件带来一系列不利影响,这些影响主要体现在三个方面:
首先,结温过高将减少LED的外量子效率,从而加速光源的光衰。一般来说,随着温度升高,LED的光输出减少,不同类型的LED衰减也各有不同。
图6是在我们实验室里测得的光输出随环境温度变化曲线。我们选用不同厂家的8个LED作为样品:1-4号的功率2为0.06W,5-8号为1W。样品分别在3个温度(-40°,25°,70°)下点亮。经过3小时的点灯稳定时间,测量输出光通量和相对光谱能量分布。由实验结果可以得到:光通量对环境温度(事实上是结温)的变化相当敏感,尤其是大功率LED。
其次,结温过高将导致LED发出光的主波长的偏移,这将导致两个后果:
1 导致荧光粉与输出光失配,从而导致光输出下降。图7给出了YAG荧光粉的光谱响应。YAG荧光粉是白光LED中最普遍使用的荧光粉。可以看出:波长大于370nm时,激发光谱的响应效率将随波长增大而下降。
2 导致输出光的颜色和色温的漂移,这两项都是普通照明的重要指标。
最后,结温过高将加快器件的老化,减短器件的寿命。图8和图9分别给出了市场上常见的某型号LED的期望寿命(B50, L70,即50%的灯光输出下降到70%)随结温和灯壳温度的变化情况。
综上所述,可以看出:对普通照明用LED来说,散热设计极为重要。当我们评估LED普通照明系统,计算系统光效和光通量时,必须考虑结温的影响。
普通照明用LED器件的思考
产业的发展是市场需求决定的,然后技术可行性对市场需求所决定的方向进行修正。也就是说,市场的需求对产业的发展提供了方向,但是具体由何种途径,何种方式达到这个方向,则是由技术决定的。打个比喻:如果对产业发展方向进行一次投票的话,市场需求对某一方向有投赞成票的权利,而技术对某一方向有投反对票的权利。因此,在思考LED用于普通照明产业的方向时必须要考虑:普通照明需要什么?
我们知道,普通照明需要的是高光效的照明系统,所以光效是LED照明系统重要的指标。
文章最后,我们对LED产业及产品的发展方向做个分析:
(1)假如若干年后商业化的LED的光效达到150lm/W～200lm/W,LED及其灯具(应用)会是怎样?
答案1:多个紧密排列的LED封装不是合适的方向。
1LED灯具的主要尺寸是散热器,紧密排列的LED并不能减少灯具的尺寸;
2紧密排列的LED将增加散热难度;
3与单颗LED相比,紧密排列的LED比单颗LED发光点大,增加光学设计的难度;
4紧密排列的多颗LED会增加眩光。
答案2:实用型的单颗LED不是功率越大越好。
1只要LED没从机理上解决温度升高出光减少的问题,而大功率的芯片比小功率的芯片散热更难;
2大功率的芯片如果需要加大芯片的尺寸进而发光点加大的话,它将增加光学设计的难度;
3当然,也不是功率越小越好,以光效高兼顾总光通量为准。
答案3:分散排列的多颗LED组合是更合理的普通照明应用。
这样一来,灯具总尺寸将更小,灯具光利用率将更高。
以上三点,是建立在LED光效在现有基础上进一步提高,但离理论光效仍然有较大距离的基础上分析的。如果光效达到或接近理论光效如80%以上,以上分析将被部分颠覆。因为,这时候散热将不是问题,即只有20%的能量需要散热。但小尺寸有利于光效的分析基础还在的。
(2)LED产业在中国具有广阔前景
首先、中国有完整的照明产业链;
其次、LED的应用如果以多颗组合时,组合的多样性产生了产品的多样性,多样性的产品对中国制造更加有利,这点CFL主要由中国生产就是一个佐证。因此,可以预计,中国将继续成为LED灯具的大国。
LED照明通信系统 篇4
在全球变暖、雾霾警示的今天, 环境污染日趋严重、资源不断紧缩, 是人类发展面临的重大问题。节能减排、生态环保已经成为人类需要研究并实现的重要课题。党的十八大对节能减排制定了明确方案, 要求我国陆续开展节能减排科技行动、节能减排媒体行动等。今天, 在经济腾飞的中国, 道路照明灯的数量和建设面积正迅猛增长。道路照明灯为人们提供明亮安全的道路照明、人性化则显得尤为重要。
2 道路照明现状
光是照明的主体, 道路照明每天都需要大量的照明灯工作。道路照明设计根据道路和场所的特点以及照明要求分为:常规照明方式或高杆照明方式。常规照明灯具的布置可分为单侧布置、双侧交错布置、双侧对称布置、中心对称布置和横向悬索布置五种基本方式。我国目前大多道路都采用双侧对称布置设计。根据中国照明学会的统计, 不同方式的道路照明类型比见表1。
由统计图表中可以看出, 高压钠灯在道路照明的比例比较高, 其照明能耗问题值得人们关注。照明技术随使用发光器件的不同, 主要分为发光二极管 (LED) 、荧光灯 (节能灯) 、钨丝灯 (白炽灯) 、高压钠灯等。其中光二极管 (LED) 其性能最为优越, 能耗为白炽灯的10%, 荧光灯的50%, 其额定寿命100000小时, 是荧光灯的10倍, 白炽灯的100倍。所以LED也被认为是21世纪的照明光源。
3 LED照明控制系统
LED照明控制系统是模块化、全硬件控制系统, 可实现智能控制、网络控制等功能, 以满足道路照明需求。
3.1 系统组成和特点
系统由计算机控制系统、监控设备、光线传感器设备等部分组成。主要有自动化程度高、安全稳定性强、绿色环保能耗低等特点。
3.2 实现功能
(1) 绿色光源, 无污染无辐射:LED灯直流驱动, 没有频闪, 没有红外和紫外成分, 显色性能良好, 有较强的点光源特性。发热量低, 安全环保, 是现在公认的一种绿色环保科技。
(2) 高亮度, 长寿命、低功耗:在各种显示半导体显示器件中, 发光二极管 (LED) 亮度是最高的, LED发光管的寿命大于10万小时, 道路使用LED照明灯具能耗一般为80W~120W (同等亮度高压钠灯为250W) 。
(3) 丰富的表现形式:目前彩色LED产品已经覆盖可见光谱范围, 具有单色性好, 色彩纯度高等特点。红、绿、蓝 (RGB) 的组合使LED具有更大的色彩选择空间。
(4) 亮度可调:可以通过远程计算机控制, 调节灯具控制芯片PWM占空比, 可以达到亮度强弱的控制。
(5) 远程控制:可以进行远程发布控制, 通过对光线传感器的信号采集来实现计算机自动智能化控制。
4 应用案例
江都道路照明系统是浙江海振电子科技有限公司设计的道路照明LED灯改造方案。结合单片机技术和无线通讯技术, 实现智能控制, 网络控制、远程控制;可选择多种运行模式, 实现对灯具分段、分时、分功率的自动控制。
4.1 系统概要
整个系统可由照明指挥中心控制实现, 并且通过传感器时时回传, 形成有效的控制反馈回路, 达到照明、监控、呼叫维护自动化, 如图1。
(1) 通过单片机等技术手段, 可实现多种控制方式, 达到真正意义上的城市道路照明智能化。
(2) 传感器不仅可检测道路照明情况, 也可作为日光检测设备同步使用, 达到与道路照明互为一体的全天候监控手段。
(3) 控制中心可以预先设定照明控制信号采样点, 可以实现控制中心自动化、无人化, 达到解放劳动力的效果。
(4) 可以通过在控制中心配置网络通讯协议, 通过网络远程操作与时时监控, 更好的为道路照明提供有力保障。
(5) 道路照明强度可调节, 通过在控制中心发送预先设定好的指令, 控制道路照明灯PWM (脉冲宽度调制) , 可以达到道路照明随光线日光强弱做智能调节, 达到省电环保的优势。
4.2 实际应用
江都道路照明系统方案分析。
整个江都道路照明系统约有5000盏照明灯具, 大多采用150W~250W高压钠灯, 对比同等光照亮度为80W~12W的LED灯, 得出对比表2、表3。
4.3 经济效益测算依据说明
(1) 电价以当地的0.53元/度计。
(2) 日照明时间平均按12小时计算。
(3) 高压钠灯与LED灯照明时间均以全功率计算。实际控制中, LED照明可在后6个小时中与50%PWM控制, 使LED照明更加省电。
(4) LED路灯生产商提供质量保证5年, 期间用能单位不承担维护费用。
(5) 高压钠灯整灯灯具的使用寿命以8年计, 灯具单价按1300元计算。
(6) 高压钠灯灯泡的使用寿命低于2年, 8年中灯泡至少需要更换4次, 约需320元。
(7) 更换高压钠灯灯泡的人工费用以每次100元计算约需要400元。
(8) 以上三项合计为2020元, 以灯具寿命8年计, 平均每年为252.5元, 在此基础上以八折计算, 即每年维护费用为200元。
(9) 表2测算了分别用120W的LED节能灯替换目前的250W高压钠灯时单个路灯所能节省的费用;表3测算了分别用80W的LED节能灯替换目前的150W高压钠灯时单个灯所能节省的费用。
4.4 社会效益测算
根据上述测算结果可知:
一盏120W的LED路灯替代250W的高压钠灯, 每年可节省用电569.4度;一盏80W的LED路灯替代150W的高压钠灯, 每年可节省用电306.6度。
因此, 对于有5000盏的250W的高压钠灯的LED路灯改造工程每年将节省用电量总计达到284.7万度;有5000盏的150W的高压钠灯的LED路灯改造工程每年将节省用电量总计达到153.3万度。而节省一度电将减排一公斤CO2, 本路灯改造工程的实施每年将减排2847吨和1533吨CO2, 减排效果明显。
5 结语
LED照明控制系统的应用, 使得道路照明系统由传统的高耗能、粗放式管理进入节能低碳、智能化管理的时代。LED照明控制系统具有自动化、智能化的特性, 达到了节能减排、科学管理、人性化的效果。通过分析得出:LED照明控制系统方案, 比较于传统照明系统方案, 对于低功耗、高效能、色彩需求度高、便于远程操作、自动调节亮度等方面均具有较为明显的优势。
参考文献
[1]李铁男, 李景色等起草.《城市道路照明设计标准 (CJJ45-2006) 》.中国建筑工业出版社, 2006.
[2]姚家祎, 徐华等编著.《照明设计手册 (第二版) 》.中国电力出版社, 2006.
LED照明智能控制系统设计 篇5
在20世纪90年代后半期,白光LED引起业界人士的极大关注,半导体照明这一概念应运而生。所谓半导体照明,就是一种基于半导体LED新型光源的固态照明,在同样的照度下,LED灯的电能消耗和寿命比白炽灯和荧光灯都有明显的优势,因此它是一种典型的绿色照明。正是基于LED光源的高节能、长寿命、保安全、利环保等优良性能和巨大的发展前景,我国于2003年成立了跨部门、跨地区、跨行业的“国家半导体照明工程”,促进中国半导体照明产业的发展,进一步拓展LED的应用市场。在未来的生活中,半导体光源将无处不在,LED将引领21世纪照明领域的新潮流。
随着大功率LED照明应用的普及,人们对LED照明的高效控制和功能多样化的要求也不断提高,LED智能照明系统应运而生。LED智能照明系统充分利用电子技术、通信技术和计算机网络技术,将建筑物内的各种LED照明器具有机的连接在一起,是一个集节能安全光源、自动人体感应检测、现代化数字控制技术和网络技术于一身的能够实现有效管理的控制系统。
1 校园照明现状分析
目前,校园建筑的照明灯具控制大多采用手动开关,对一些照明时间较长、照明设备较多的场所,如学校的教学楼、图书馆等,其照明系统的使用浪费现象屡见不鲜。由于缺乏科学管理,经常出现没有及时开关灯具的现象,有时在借助外界环境能正常工作和夜晚室内空无一人时,教学楼教室里也是灯火通明,从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。另外,不必要的使用,也会缩短灯具的使用寿命。
因此,结合照明行业发展趋势和校园照明现状,研究一种适合于高校校园的LED照明智能控制系统就十分必要了。
2 采用LED照明的校园智能控制系统架构设计
从高校校园环境分析可知,校园照明主要分为室内照明和室外照明。室内照明控制区域包括教学楼、公寓、行政中心、信息中心、图书馆、室内游泳馆等,室外照明包括校园道路、体育场和园区景观等。要对整个校园的LED灯具智能管理和控制,必须采用先进、成熟的控制系统,该控制系统不仅要具有多级管理平台,能够对整个系统的灯具进行监控,而且要求系统可靠、操作简便、便于线路检修。由于高校校园建筑和照明方式的多样性,而且时间仓促,所以本次设计将室内照明的教学楼照明和校园景观照明作为研究的重点内容。
1) 系统网络设计
校园LED智能照明控制系统采用总线模块化系统结构,各系统设备均配置独立的CPU和存储器,即某个子系统模块出现故障,只是与该模块相关的功能失效,而不影响网络其他子系统模块的正常运行,既有利于快速故障定位,又提高了照明控制系统的容错水平。系统采用树状主干网子网的结构,组成一个分布式校园照明控制网络,各子系统通过分控制台核心部件ARM芯片的网络功能连接到主干网中,系统架构如图1所示。系统提供开放的通信协议,可根据校园各建筑设备配备情况设计子网数量,既能满足控制要求,又能减少故障波及面,网络规模可灵活地随系统大小进行扩展。
2) 子系统结构设计
各子系统采用主从式总线型拓扑结构,如图2所示,主要由1个分控制台(核心为ARM芯片)、若干台下位机(核心为单片机)、总线连接器RLINK(提供主机与总线相连的接口电路)和RS-485总线通信网组成。整个系统在管理软件的控制下,统一协调工作,完成控制功能。
控制系统中子网网络通信采用RS-485串行总线连接,串行通信具有传输距离长、连接简单、使用灵活方便、数据传输可靠性高的特点,更适合在工业监控、数据采集和实时控制系统中应用。
下位机是以单片机为核心的数据采集与控制单元,下位现场数据采集与控制单元挂接于同一数据通信总线,总线为各现场单元共享。下位机通过RS-485通信接口电路与上位机交换数据。分控制台通过RS-232C串口向总线通信协议转换控制器发送命令帧信息,总线连接器负责RS-232C电平和RS-485电平之间的相互转换,转发此通信帧向RS-485总线网络广播。在通信帧中包含分控制台所要求的下位现场单元地址,所有下位单片机都收听广播,在收到广播帧后,进行地址对比操作,各下位单片机把收到的地址与自己的地址进行比较,地址相同的下位单片机控制器为被选中的下位机,对接收到的帧信息进行处理,其余下位单片机控制器皆为未选中的下位机,需要丢弃收到的帧信息并继续进行网络侦听工作。同样,下位单片机向分控制台发送信息帧时,由总线通信协议转换控制器转换为RS-232C通信协议电平向主控微机转发。而下位机本身是一个相对独立的智能型区域数据探测与控制单元,当分控制台与下位单片机之间的通信发生故障时,各下位机仍可独立完成相关区域的数据采集和控制功能。
3 子系统设计
3.1 教学楼照明子系统设计
教学楼是师生进行教学的主要场所,良好的照明是保证良好教学效果和学习效率的必备条件之一,对于保护师生视力有着重要的作用。教学楼照明设计对于教学楼照明效果和照明设施能否长期安全运行起着决定性的作用,本系统将按照现行国家规范的要求,对于教室和走廊,提出不同的照度选择标准和照明方式。同时,对于安全疏散照明和用电安全防护等问题提出设计和运行管理要求。教学楼照明包括教室室内照明和安全疏散照明。教室室内照明是为照亮整个教室而设置的均匀照明。当发生电源故障特别是火灾事故又停电时,还要提供人员安全疏散的照明设施,需要设置安全疏散照明。同时,要保证照明设施(包括线路)长期安全、可靠运行。
1)教室室内照明硬件设计
在教室照明控制子系统中,数据采集、处理和控制功能由各下位机独立完成。下位机主要由传感器、控制器、存储器、各种集成电路和LED灯具等部分构成,是一个以单片机为核心的自动控制系统,其结构如图3所示。
(1)传感器:
传感器包括被动式热释电红外探测器和光照度探测器。通过被动式热释电红外探测器和噪声探测器可探测是否有人,通过可见光探测器可探测环境亮度,根据不同的探测结果来控制LED灯具是否开启和调节室内照度。
光照度探测器包括光电二极管、光敏电阻和干涉元件等,可自动检测被控区域光照度。当教室室内照度低于下限值时自动开灯,照度高于上限值时自动关灯,实现区域照度的自动控制。
(2)控制器:
我们采用单片机作为照明系统的核心,单片机的品种规格很多,经过对比各种主流单片机的性能,我们采用具有高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等特色的美国Microchip公司推出的PIC16F877单片机。为降低来自电网的干扰,由单片机I/O线产生的触发脉冲,必须经隔离、功率放大后方可接至可控硅控制极,控制可控硅。而用于可控整流、逆变、调压电路的可控硅调光器(SCR)很容易进行电流的调光,能进一步延长灯的寿命。
(3)电源电路:
电源电路为上位机和总线提供电源,各下位机的控制器不再外接电源,而直接从总线获取,LED灯具另备电源。
(4)延时选择电路:
系统设置延时选择电路的目的是在环境光照较弱时,照明设备延时一段时间后再自动熄灭。
(5)LED驱动电路和LED灯具:
教室照明的目的是营造一个良好的光环境,设计时首先应满足照度的要求,其次是布灯应整齐美观,与建筑空间相协调。教室照明是一般照明,照度要求均匀,所以光源部分将选取LED日光灯具,布灯时可用单一的几何形状。
根据国家最新民用建筑设计照明标准(GBJ133-90)的规定,为保障学生视力健康,提高教室光环境质量,加强学校节能减排工作,室内平均照度应达到300lx。由平均照度公式E=NΦUK/A可得N=(EA)/(ΦUK),其中E为平均照度,Φ为光源光通量,N为LED数目,U为灯具利用系数,K为维护系数,A为室内面积。我们采用1w的白光LED,发光效率为100lm/w左右,灯具维护系数为0.85,利用系数0.75,教室室内面积以70m2计算,所以,N=(300×70)/(100×0.85×0.75)=329(只)。考虑到室外亮度越低,对室内亮度的补偿越小,所以我们采用350只LED,全部点亮室内照度可达到318lx,将这350只LED分10组,每35只LED制成一盏半导体灯。
那么,每盏灯具的35只LED如何排列组合才能满足较大范围、较高亮度的应用要求及与LED驱动器之间的匹配要求?目前,常见的LED连接形式有整体串联形式、整体并联形式和混联形式。通过对这三种连接方式的对比,我们采用先串后并的混联形式,可靠性高,驱动器设计方便,总体效率较高,适应范围广。
在绝大多数情况下,电池等原始电源不能直接为LED供电,必须经过电源变换。而LED驱动电路就是LED电源变换器电路,其核心部分就是一个直流变换器,用以控制LED光源的开关及亮度的明暗转换。每盏灯配一个横流电源,用单片机控制、调节LED的发光亮度。
2)安全疏散照明硬件设计
教学楼安全疏散照明硬件部分在教室室内照明下位机结构的基础上进行了改良,增加了噪声探测器。噪声探测器的主要作用是通过对环境中人类日常活动所产生的噪声进行探测,并与红外线部分的数据在系统内部进行或运算,以补偿环境温度非常接近人体时红外探测不敏感而无法判定是否有人进入需要照明的区域,提高紧急疏散照明的可靠性和准确性。
在光源部分,采用市场上将调光解码器与LED灯具整合成一体化的LED可调光灯具,这种灯具减少了外部控制系统接线及解码器防水的问题,使LED控制系统安装成本低,而且系统安装及调试方便,保证了LED系统的质量。
3)软件设计
(1)系统管理软件设计:
在Windows2000/XP系统平台上,基于面向对象程序设计思想和关系型数据库技术,系统管理软件的设计采用VC++编程语言开发。系统管理软件完成的主要任务有:系统组态、串行通信管理、数据存储、统计分析、异常处理等,前台完成各子模块调用及系统工作状态的动态实时图形化显示等,后台负责实时监视接收各下层单元发送的数据、定时巡检、进行异常处理和报警处理等。在开发时,采用模块化程序设计,这样可以提高软件的可靠性、高效性。
(2)教学楼照明控制子系统下位机程序设计:
在此子系统中,下位机程序的主要作用是完成对光照和人员检测的信号处理,并及时响应控制台的中断信号。而单片机作为下位机的核心,主要接收两部分信号,即被动式热释电红外探测器(噪声探测器)输出的开关信号和可见光探测器输出的室内亮度控制信号,并传输到单片机中。通过单片机的处理,输出编码信号,再通过D/A转换器和放大电路,控制可控硅的导通角,达到智能照明的目的。下位机程序流程图如图4所示,其中照明设备状态用变量Flag反映,Flag=0时照明设备熄灭,Flag=1时照明设备点亮,并将此变量返回给分控制台ARM机,以便于分控制台对个照明设备的控制管理。
3.2 校园园区景观照明子系统设计
1) 硬件设计
校园园区景观照明子系统以定时开关控制为主、自动控制为辅,在下位机结构中加入了定时开关电路,即事先设定常规照明的起始时间和终止时间,通过单片机编程可定时开关景观照明设备,具体时间可根据季节、昼夜长短的变化和节假日自动进行调整。在常规照明时间以外,系统探测环境照度强弱程度和有无人员情况实现自动控制照明设备的开关,并能够进行LED调光。
2)下位机程序设计
在此子系统中,继承了教学楼照明控制子系统下位机程序基本思想,并增加了景观照明系统独特的功能。在此子系统中,下位机程序的主要作用有两方面:一是在常规照明的时间段内开启照明设备进行正常照明,并及时响应控制台中断信号;二是在常规照明时间以外,根据光照强度和有无人员情况自动控制照明设备的开关和调光,并及时响应控制台的中断信号。
4 结束语
基于LED智能照明控制系统具有重要的经济价值和巨大的市场前景,若能广泛应用于学校照明,不仅顺应了照明系统的整体发展趋势,大大提高了学校照明电力的管理水平,还能为校方节省大量的电费支出,同时,也为学校师生提供了一个更舒适、明亮和高效的学习和工作环境。
摘要：目前,公共场所的照明灯具控制大多采用手动开关,经常出现没有及时开关的现象,从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。另外,不必要的使用也会缩短灯具的使用寿命。而LED被认为是21世纪的照明光源,用LED替代白炽灯或荧光灯,环保无污染、使用安全可靠、便于维护。因此,研究一套适合于高校校园的LED智能照明控制系统设计方案,既可以提高用电效率、节约电能,又可以缓解用电高峰的电力供应压力。
关键词：照明,智能控制,LED
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LED照明系统可靠性设计 篇6
LED照明优势的发挥,需要充分挖掘其高光效、长寿命的特点。从灯珠角度讲,好的芯片、封装工艺、材料是关键。从系统角度讲,好的驱动模块、散热设计是关键。无论是灯珠、电源的选型,还是结构件的散热设计都为广大LED厂商所熟知,在设计产品的时候也充分考虑了这些因素所造成的影响。而作为LED承载者的铝基板的电路设计,却往往被忽视,本文在介绍LED系统设计的关键点的同时,重点分析LED不同的串并方式所引起的稳定性差异,进而提出带电流控制电路的方式,增加系统设计的可靠性。
2 LED系统设计的关键点
2.1 灯珠方面
从系统的可靠性上讲,选用国际知名厂家的LED灯珠肯定是有更好的性能表现。但考虑到产品的市场定位和成本控制,则需要在保证性能的同时选用价格低廉的灯珠。灯珠选型一般需注意6个参数:热阻,光束角,最大驱动电流,电气特性,电流-光通量相对曲线,电流/温度-相对色度曲线。
如下表1为常见灯珠厂家的热阻情况,热阻是决定整灯热设计的重要因素。从原理上来说,芯片不良的电极结构,窗口层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值,这些电阻相互垒加,构成LED器件的串联电阻。当电流流过PN结时,同时也会流过这些电阻,从而产生焦耳热,导致芯片温度或结温的升高。
光束角是整灯配光的决定性因素,无论使用透镜,还是反光器材,都需要针对单灯的光束角进行设计。一般来说,常见2835灯珠光束角为120°左右,随着灯珠光源面变大,为方面二次配光,灯珠光束角会有所下降,如3535 灯珠光束角常为115°。
最大驱动电流是灯珠损坏的阀值,设计系统时,充分考虑电源的浪涌和外界的冲击,做防护设计和余量设计,避免灯珠因大电流冲击而产生开路失效的情况。
电气特性反映了电流值所对应的灯珠实际电压,对于系统功率和电源选型有重要作用。电流-光通量相对曲线反映了电流值对应的光通量比例,随着电流的增大,光通量输出增大,但是增加的幅值在减小,因此驱动在大电流时,光效会有所下降。即使考虑进电压温度系数的负特性,也无法改变整体的下降趋势。
电流/温度-相对色度曲线反映电流、温度对灯珠色度的影响,当驱动电流过大或温度过高时,均对灯珠的色坐标产生影响,从而影响灯珠的色容差值。目前市场上能接收的产品色容差至少应低于7,随着封装工艺的改进,这个值还在进一步降低中,CREE已经开发出了Mac Adam Ellipse在2级以内的产品。
另外应特别注意灯珠在硫化环境中应用时的选型,目前中小功率灯珠一般采用EMC或塑料支架,这类支架的老化性能和密封性不佳。长期在硫化物含量高的场合下,会使封装底部的镀银层硫化变黑,导致灯珠光效严重下降乃至失效。陶瓷支架的灯珠会有更好的防硫化效果,如户外照明用的3535灯珠。
总之,灯珠的选型应根据使用环境、光参数要求、散热需求、系统成本等方面综合考虑。
2.2 电源、散热方面
LED的电气部分性能主要是通过电源来实现,因此电源的设计或选型将具有重要的作用和意义。
从电源效率方面讲,LED驱动主要分为线性调节器和开关调节器。简单来说,线性驱动LED的原理是在LED灯珠负载里串接MOSFET,让MOSFET闭环受控于LED负载电流,工作在线性区,使线路产生“恒流—变压”效果,这样在LED负载通过的就是恒定电流,而串接的MOSFET承受了变化的电压。开关电源驱动是通过高频开关,磁性元器件,将交流市电转换为LED需求的电压、电流。开关电源驱动又分为隔离和非隔离两种。
线性高压方案的特点是线路简单,电路工作在工频线性模式,省去了高频电感,同时没有EMI问题。线性高压方案经历了阻容降压,单段线性到现在的分段开关线性方案,在效率、PF、Vin范围等方面性能有了明显提升。但线性方案的原理决定了其工频频闪明显、灯珠使用率低、抗电压波动能力差的缺点。不能使用在环境苛刻,寿命要求高的场合。
开关电源方案效率高,一般LED系统用的恒流源驱动效率在90%-93%之间。值得说明的是,并不是所有的LED驱动都是恒流源。照明用LED设备应用驱动的常为恒流源,亮化类产品、情景光源等对LED灯珠光通量以及寿命要求低的场合,应用的驱动多为恒压源。
LED系统可靠性设计中很重要的一环是良好的散热设计,无论是灯珠还是电源,它们的寿命都和散热有关。灯珠的L70/B10 一般是根据LM80 中的热学评估来做的推测,如某灯珠的LM80 中描述,灯珠驱动电流700m A结温85℃时,寿命大于54000h。电源的寿命主要由电感、IC的极限温度,以及电解电容的优劣及其介质损耗决定。
合理设计电源、光源的散热系统,是保证LED系统可靠性的前提。
2.3 铝基板设计方式对比及稳定设计
LED系统的可靠性除上文提到的灯珠、驱动以及散热系统需合理设计外,更与LED灯珠的连接结构有关,因为灯珠的使用电流远远超过其额定值时,寿命将受到严重影响。而且如果灯珠电流差异性较大,将使系统的亮度不均匀,照明效果变差。
LED灯珠的不合理应用体现在两点:亮度下降和灯珠损坏。亮度下降主要由驱动电流不足造成,灯珠损坏一般在极端情况下才会发生。当前的大功率灯珠内部集成齐纳二极管,并加强了对金线的保护,使得常出现的损坏模式是短路。但如果电流过大,齐纳二极管损坏,还是会造成断路。
LED灯珠的电压Bin是一个0.1 或0.2V的范围,在额定电流下同一批灯珠的电压值在这一范围内。如型号为OSLON Square CSSRM1.PC档位为L2 的灯珠,意味着在额定电流700m A,灯珠结温85℃时,这些灯珠的电压为2.7-2.8V。同一批包装的灯珠中,最小电压为2.7V,最大电压为2.8V,中间电压为2.75V。datasheet中显示的伏安特性曲线如下图,可近似的将曲线斜率看为4A/V。
下面采用CSSRM1.PC灯珠,针对常见的铝基板设计方式:先串后并、串并混连、单串进行逐一分析。
1)先串后并形式
先串后并的连接形式图2(a)所示。LED串电压为典型值2.75V时,此LED串的电流为700m A。电压为低电压2.7V时,LED串的电流为500m A。电压为高电压2.8V时,LED串的电流为900m A。最坏情况下,LED串的电流相差700m A±~28.6%。
灯珠的正向电压具有负温度系数Tk=-1.83m V/K,因此当温度升高时,正向电压会下降。电流高的LED串的电压下降比电流低的LED串多,这将加剧电流的不均匀性。但是温度对电流的影响,远远小于LED的Vf值差异对LED电流的影响,因此在分析中不再考虑温度的微弱作用。
当系统中一颗灯珠短路时,由二极管的伏安特性可知,这一串灯珠的电流将急剧增大,远超过LED灯珠的安全使用电流,因此这串LED灯珠迅速失效,系统可靠性严重受影响。
当系统中一颗灯珠断路时,灯珠的电流变化情况如图2(b)。出现断路灯珠的这串所有灯珠电流均变为0。电路总电流不变,其他串上的电流都将增大。电压为Vfmin的一串电流将变为1133.3m A,电压为Vfmid的一串电流将变为933.3m A,电压为Vfmax的一串电流将变为733.3m A。这3 串电流都增大,灯珠的亮度、发热量也将增加,从LM80 来看,如果系统的散热良好,则其可靠性所受影响并不严重。
2)串并混连形式
串并混连的连接形式如图2(c)所示。LED串电压为典型值2.75V时,LED串的电流为700m A。电压为低电压2.7V时,LED串的电流为900m A。电压为高电压2.8V时,LED串的电流为500m A。最坏情况下,LED串的电流相差700m A±~28.6%,此时混联方式与先串后并方式的电流差异相同。
当系统中一颗灯珠短路时,灯珠的电流变化情况如图2(d)。和它并联的3 颗灯珠电流变为0m A,其余灯珠的电流不变。这会造成3 颗灯珠的失效,其余灯珠的寿命不受影响,系统的照明效果有所下降。
当系统中一颗灯珠断路时,灯珠的电流变化情况如图2(e)。和断路灯珠并联的3 颗灯珠电流将变大,电压为Vfmin的一串灯珠电流将变为1133.3m A,电压为Vfmid的一串灯珠电流将变为933.3m A,电压为Vfmax的一串电流将变为733.3m A,其余灯珠的电流不变,理论上系统只会出现一颗灯珠的失效。同上文一样,若散热设计合理,系统可靠性受影响较小。
通过简单的对比来看,在最坏情况下,混联的方式比先串后并的方式更加可靠。但值得说明的是,实际贴片时,最坏情况很少出现,各电压Bin的灯珠会无次序的贴片。先串后并的方式反而会降低每一串灯珠的电压bin差异性,进而会使各LED电流差值变小,灯珠的亮度差异性和可靠性得到较好保证。
3)采用单串形式
单串形式的连接方式,恒流源700m A驱动时,所有灯珠驱动电流均为700m A,电压因电压Bin而略有差异。因为灯珠的光通量主要由驱动电流Vf和温度Tj有关系,尤其是Vf的作用至关重要,因此灯珠的亮度基本一致。
当某颗LED出现短路时,电路中其他灯珠均能正常工作。整个电路的电压通过电源自适应到最佳状态,保证了系统的寿命和可靠性。
当某颗LED出现断路时,整个电路电流将变为0,系统失效。
前文已经提到,目前大功率LED产品内部增加了齐纳管,只要控制好电流不使出现过大的问题,则单串模式是最佳的电路连接形式。
4)限流电路的反馈
一种良好的电流控制电路图3所示:
VCC电压从某颗LED灯珠的正极取电,GND从某颗灯珠的负极取电,这两颗灯珠之间的压差应足以供U1,U2 正常运行。U2 为基准电压源TM431,通过将其基准的2.5V电压分压后为U1A的同向输入端提供参考电压0.23V。VDD端输入的电流在取样电阻R8、R9、R10上得到同样的电压值至U1A反向输入端,在U1A的作用下,这两个电压值相等。取样电阻阻值应足够小,以免造成不必要的系统功耗。Q1为功率MOS,保证大电流通过时能正常运行,取样电阻网络为0.33Ω,因此LED电路中保持在697m A。
需要特别主要的是运放负反馈电阻并联的C3和R5,C3的作用是减小高频增益。本电路从LED电路中直接取电,考虑到开关电源的高频特性,采用了此方式控制高频干扰。输出端的高频信号有一部分会通过C3 返回到输入端,返回回来的信号跟输入的信号相位不同,相当一部分高频信号会被抵消掉。
3 性能测试
测试系统采用明纬HLG-40H-48做驱动,电流可通过内部电位器调节,最大可调至840m A。灯珠采用OSLON Square CSSRM1.PC,贴在多个模组上串联使用。
带电流控制电路的系统layout图如图4所示。
系统连接好后,通过调节驱动上电位器的值来改变输出电流值,测试模组上的电流变化情况。经测试,输入电流700m A以下时,模组上电流和输入电流一致。输入电流700m A以上时,测试一个带限流电流模组,模组上电流控制在703m A。考虑到元器件一致性问题,对多个模组进行反复测试,测得最大电流为710m A,电流控制误差为1.5%。
4 结束语
本文所述的铝基板连接和电流控制方式,使LED照明系统得到稳定的工作电流,提高了过流抑制能力。这种电流反馈控制方式在笔者设计的LED照明系统中得到了应用,对于提高系统稳定性有很好的效果。
摘要：当今社会,绿色、环保的概念被广泛接受,在照明领域,LED充当了这样的角色。LED灯珠具有高光效、长寿命的特点,固态封装使其不会产生汞等重金属污染。从技术发展的角度讲,LED照明终将替代传统照明,成为各行业广泛使用的照明方式。想充分发挥LED灯珠的长寿命的优点,需要设计可靠的LED照明系统。LED系统可靠性由灯珠、驱动、铝基板三部分共同决定。研发工作者对灯珠和电源的认知很深刻,但往往忽略对铝基板设计的重要性。该文介绍灯珠、驱动特性的同时,重点分析几种铝基板设计方式的差异,并提出一个良好的电流控制电路来做反馈,使系统性能更加可靠。
LED智能照明系统的应用与发展 篇7
今天, 全世界都在倡导低碳经济, 人们对碳排放的关注度与日俱增。低碳经济不仅成为时下越来越流行的一个词汇、一种理念, 也正逐渐成为全球政府们的重要政策诉求点之一。在中国“十二五”节能减排的规划中, 明确指出了“随着工业化、城镇化进程加快和消费结构持续升级, 我国能源需求呈刚性增长, 受国内资源保障能力和环境容量制约以及全球性能源安全和应对气候变化影响, 资源环境约束日趋强化, 污染减排面临的形势依然十分严峻。”, 并提出了“到2015年, 全国单位国内生产总值能耗要比2010年降低16%”的目标。
目前, 照明耗能约占总能耗的19%, 若能以高效率的LED智能照明系统取代全国30%低效率、高耗电的传统照明系统, 照明终端将节电220亿度, 减排二氧化碳2420万吨。因此, LED智能照明技术对缓解当前紧迫的能源问题具有举足轻重的作用, 突显出了巨大的经济社会效益。
2 国内外研究状况
2.1 用LED替换现有光源
目前, 国内外研发机构主要针对绿色环保、低碳节能的第四代新型光源LED照明产品进行研究开发。与传统照明灯具相比, LED是一种光效高, 耗能少, 对环境无污染, 工作寿命长达10万小时的新型照明技术。LED照明技术具有节约40%电力能源的潜力。在全球范围内, 这将节省约10000亿元人民币的能源成本, 并减少6.3亿吨二氧化碳的排放, 相当于18亿桶石油或600座20亿千瓦时/年的中型发电站的输出量。
2.2 照明控制系统的组网方式
减少不必要的使用是最好的节能方法, 目前国内外机构针对照明能源浪费这一问题, 对照明控制系统进行研发, 以便能够最大程度地进行能源的节约。
要对每个LED光源进行智能控制, 就必须采用适当的方式进行组网, 以便控制中心能与每个光源建立通信链路。目前常用的组网方式有综合布线技术、电力线载波技术、无线传感网络技术等。
综合布线技术需要额外布设专用线路进行控制信号的传输, 该技术已经较为成熟, 虽然具有可靠稳定的优点, 但是由于施工复杂、扩展性差、维护成本较高, 多用在新建的项目中, 在实际的改造项目中应用较少。
电力线载波技术, 将控制信号调制到已有的电力线上, 从而对终端光源进行控制, 不需布设额外线路, 没有线路维护成本。电力载波网络具有噪声干扰强, 负载复杂多变, 信号衰减大, 信道具有时变性等特性, 因此需要设计高效合理的网络路由算法来提高电力载波通信的稳定性和可靠性。
无线传感网络是由大规模、自组织、多跳、动态性的传感器节点所构成的无线网络, 是一种典型的分布式控制方式。该组网方式中, 部分控制功能下放至照明终端设备, 处于最终端的照明设备既受控制中心的控制, 同时也能根据时间、光照等传感参数进行自主控制。由于该组网方式具有全自动组网、近距离、低速率、低成本、低功耗等诸多优势, 已成为国内外的一个热门研究课题。
对无线传感网络的研究最早是由美国从20世纪70年代开始的, 无线传感网络最先应用于军事领域, 如震动检测系统等。随着无线传感网络的发展, 使得越来越多的机构认识到了它的作用与前景。美国许多机构和知名学府也纷纷启动了无线传感网络相关研究项目, 如美国交通部、国家航空航天局等。一时间, 无线传感网络技术的研究变得炙手可热。
尽管我国对无线传感网络的研究起步较欧美日等发达国家晚, 但由于得到了政府和相关研究学者的重视, 使得这项技术在我国发展速度十分迅猛。在我国2010年远景规划和“十五”计划中, 无线传感网络被列为优先重点发展的产业之一。
虽然无线传感网络的发展十分迅猛并已取得了一定的效果, 但是大量的投入使用还存在着许多实际问题: (1) 网络内的信号问题。在无线传感网络中, 传送信号很有可能被障碍物或其他电子信号干扰而受到影响。 (2) 节点的能耗问题。传感网络的节点可能布置在人不易到达的地方, 这就对节点的供电提出了很高的要求。 (3) 成本问题。在无线传感网络中, 需要布置大量的传感节点, 每一个传感节点都需要一整套功能模块, 如电源模块、通信模块、传感器模块、AD模块等。 (4) 无线传感网络结构以及协议问题。无线传感网络中的节点组织方式有多种形态和方法, 不仅如此, 节点间和网关的通信协议同样也是多种多样的。网络安全协议问题以及大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题都亟待解决。
2.3 照明控制系统的控制策略
LED智能照明系统的应用场景主要可分为室内照明与室外照明两大类。室内照明主要包括办公照明、商场照明、家庭照明等;室外照明主要包括道路照明、隧道照明、景观照明等。
不同的场景, 对照明的需求有所不同。国内外研究机构针对不同的应用场景, 对LED智能照明系统的控制策略进行了一定的研究。例如, 通过监测人体移动, 自动提供适度照明;通过监测环境亮度, 自动调节照明输出亮度;通过控制多个灯光回路, 创造特定的视觉效果;调用调光系统中预设功能, 实现不同灯光场景氛围。
然而, 目前的照明控制策略也存在着一些缺陷, 有时候过于依赖传感器的检测数据。例如有动物在监测区域内进行活动时, 会触发灯光的照明;自然光随机的强弱变化, 例如云层对阳光偶尔的遮挡, 也会触发灯光的开启。照明光源的频繁开启关闭, 不仅达不到有效节能的目的, 还将大大缩短照明系统的使用寿命。因此, 如何设计一个合理的控制架构, 如何开发一种合理的控制算法, 也是LED智能照明系统中的一个重点研究问题。
3 正在进行的研究
3.1 LED驱动、调光等电路结构的研究
在实际使用中, 需要由LED电源驱动来维持LED输入电流的稳定, 保证LED的长时有效工作。因此, 对于此类电路, 需要在以下几个方面进行着重研究:
(1) 使用寿命与高可靠性。目前LED的使用寿命可达50000小时, 与之配套的外围电路应当拥有与之相匹配的寿命, 即LED驱动必须是长寿命的。另一方面, 针对LED的应用场合, 特别是道路照明, 由于其驱动会随光源装在灯杆之上, 相应的维修和替换都会变得麻烦, 这样又对电源的可靠性提出了很高的要求。
(2) 稳定的输入和输出。为保证LED的稳定工作, 在驱动的输入承受能力和输出质量上必须满足一定的设计要求。例如当电网电压发生波动、环境温度剧烈变化时, 驱动电路必须能够保证LED的正常工作。
(3) 较高的转换效率。转换效率为有效输出功率和输入功率之间的比值。转换效率越高, LED整体光效越好, 节能效果也越好;同时, 转换效率越高, 转化为热量的那部分能量就越少, 从而也能有效提高半导体元件的可靠性。
3.2 网络拓扑结构的研究
一个合理的组网方式和通信协议可以有效地提高网络效率、降低功耗以及节约成本, 所以有必要对LED智能照明系统的网络拓扑结构展开研究。
因为采用无线组网技术对LED光源进行控制, 具有部署方便、扩展性好的优势, 是组网技术未来发展的趋势。有计划研究基于LTE和Zig Bee技术相结合的方式来进行LED的智能照明控制。由LTE网络来连接子网与控制中心, 由Zig Bee进行子网内部的通信, 以进行命令的传递和状态信息的回馈。一方面充分利用最先进的LTE移动通信网络制式进行远距离的数据通信, 另一方面利用Zig Bee技术实现子网内部的通讯互联, 充分利用了两种网络在不同层面上的优势。
3.3 系统控制策略的研究
研究一种能够将传感器监测数据与服务中心下发数据相结合, 对LED照明光源进行综合控制的控制策略。该方式充分利用了LTE与Zig Bee融合的网络结构, 改变了传统的单纯依靠控制中心下发统一指令, 或者单纯依靠终端节点的检测数据来对LED光源进行控制的局限性。
举个例子, 控制中心可以将每天的天气预报情况, 通过LTE与Zig Bee网络, 分发给相应的终端节点, 终端节点在对自然光进行实时检测时, 还需要结合当天的天气预报情况后, 再统筹地生成控制信号, 这就有效降低了因偶然事件而触发LED光源频繁开关的可能性。
3.4 应用场景的拓展
我国城市政府为了破解“城市病”的困局, 抢占城市发展的制高点, 纷纷出台了建设智慧城市的各类规划措施, 目前我国的智慧城市建设已经在全国范围内形成热潮。
在此背景下, 研究如何对LED智能照明系统进行功能拓展, 从而使之能够成为构建“智慧城市”的基础, 就十分具有现实意义。
例如, 当LED智能照明系统应用在道路路灯照明时, 通过在路灯终端上增加摄像头模块、GPS定位模块、红外感应器、噪声传感器、空气污染检测器、烟雾感应器等传感器, 就可以组建智慧城市的三大智能感知系统:智能交通系统、智能安防系统、智能环境监测系统。
4 LED智能照明系统的研究意义
总的来说, 目前国内外对LED智能照明系统进行研究的重要意义和优势有如下几点:
(1) 研究主要针对LED光源, 充分考虑了LED光效高, 寿命长等优点, 其整个产业具有较好的市场前景。随着LED技术的不断发展和人们对节约能源的迫切需求, LED智能照明系统的需求空间很大。
(2) 相比传统的光源而言, LED具有极佳的调光性。因此对可调光LED驱动电路进行研究, 并配合设计的控制算法, 将可实现智能的开关灯和调光, 能大大减少能源的浪费, 为社会的节能减排出力。
(3) 研究的将LTE和Zig Bee进行结合的双重无线通信方式, 不需要复杂的布线, 并且通过长距离和短距离通信技术的结合, 实现区域化、网络化的控制, 使较大范围的照明监测更为方便和高效。利用LTE作为控制中心与子网间传输数据的技术, 具有时延短、速率快的优势, 还可以为后续拓展视频监控等功能提供必要的传输保证, 是组网方式的一个创新。
(4) 在控制策略的算法技术上, 研究的基于控制中心下发信息和传感终端的监测信息来产生控制策略的技术, 将可以有效地降低由偶发事件触发的光源频繁开关的概率, 增加照明系统的有效使用寿命。该技术为提高控制策略的有效性提供了一种新思路。
(5) 通过将LED智能照明系统进行功能扩展, 可以成为建设“智慧城市”的重要组成部分。通过该方面的研究, 完善并拓展了LED智能照明系统的应用场景, 不仅能更好地实现节能减排的效果, 还响应了国家城市化建设的战略, 顺应了政策发展的趋势。
综上所述, 通过研究可调光的LED驱动、LTE和Zig Bee结合的无线通信网络和控制策略算法的关键技术, 目的是为了形成一套完整并且实用的LED智能照明系统。系统基于控制中心下发信息和传感终端的监测信息来实现智能化的LED照明算法, 通过LTE技术和Zig Bee技术实现了无线区域化、网络化的控制, 最后结合可调光的高效LED光源驱动, 实现对LED光源的遥控、遥信和遥测。
参考文献
[1]Elejoste P, Angulo I, Perallos A, et al.An Easy to Deploy Street Light Control System Based on Wireless Communication and LED Technology[J].SENSORS, 2013, 13 (5) :6492-6523.
[2]曲腾.基于城市智能照明感知系统的数据融合研究[D].大连理工大学, 2013.
[3]张兴启.太阳能路灯无线控制系统的设计与研究[D].武汉理工大学, 2013.
[4]赵大鹏.中国智慧城市建设问题研究[D].吉林大学, 2013.
智能LED照明控制系统的设计 篇8
关键词：LED照明,智能控制,STC单片机
0 引言
LED照明产品具有体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件等特点,在功耗、寿命以及环保等方面均有不可比拟的优越性。由于LED灯具有很好的节能环保作用,正逐步推广应用到各种场合。本文设计了一种LED的智能照明控制系统[1]。系统包括三个部分,传感器系统、主控制系统及LED驱动显示系统。通过被动热释电红外探测器和环境噪声探测是否有人,并检测环境亮度,实现亮度的自动调节与控制[2]。
1 系统总体方案设计
本设计方法的总框图如图1所示,利用亮度传感器检测室内光线的强弱,被动热释红外探测器和声音传感器可探测人体特征,传感器将检测数据传送给控制核心——单片机,根据处理结果去控制照明设备的开启、关闭和照度。
2 硬件电路设计
2.1 传感器部分
2.1.1 被动式热释电红外探测器[3]
该探测器有三个关键元件:分别为菲涅尔滤光晶片、菲涅尔透镜和热释电红外传感器。菲涅尔滤光晶片通过截止波长8μm~12μm的滤光晶片,起带通滤波器的作用,使环境的干扰受到明显的控制;菲涅尔透镜可以将热释的红外信号折射(反射)在热释电红外传感器上,并且能够将警戒区内分为若干个明区和暗区,使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在热释电红外传感器上产生变化的电信号;热释电红外传感器将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号,即热电转换。
人体都有恒定的体温,一般在37度,所以会发出特定波长10μm左右的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅尔滤波片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通过采用热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射稳定发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,经检测处理后就能产生电平的变化。
2.1.2 声响探测模块
声响探测模块采用驻极体话筒作为探测器,接在三极管的基极与普通电阻作分压式连接,当有声波作用于话筒时,使驻极体话筒的内阻急剧下降,改变三极管的基极偏压 ,促使三极管的工作状态翻转,通过电平变换电路,为控制器提供检测状态,达到判断有无声响的目的。
2.1.3 环境亮度探测模块[4]
环境亮度探测模块核心器件是光敏电阻。光敏电阻利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器;入射光强,电阻小,入射光弱,电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换,将光的变化转换为电的变化。模块电路如图2所示。
2.2 单片机选择
本设计中采用的是STC系列单片机。STC系列单片机是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8~12倍,内部集成MAx810 专用复位电路。
2.3 驱动电路部分
在本设计方案中,各LED光源采用恒流串联方式。串联的方式可以使每个LED得到相同的电流,从而使得全部白光LED的亮度都是一致的。除此以外,LED在电流的驱动下,串联中的任一LED报废,该LED短路不会影响该路上其它的LED。采用恒流源可消除正向电压变化所导致的电流变化,因此无论正向电流如何变化,可产生恒定的亮度。在驱动多个LED时,只需要把它们的串联就可以在每个LED中实现恒定电流[5]。
本文提供的设计方法由KC24AH-300芯片组成LED驱动电路[6]。驱动电流为0~300 mA,可根据输入的控制波形来控制的占空比D来控制,可以达到调节LED的放光亮度的目的。
3 软件设计
程序采用模块化设计思想。系统软件设计包括主程序、信号探测子程序、强光判别子程序、调光执行子程序及延时子程序的设计。主程序完成初始化和子程序的调用。主程序完成初始化后检测输入端口有无有效信号输入,若有进入强光判别子程序,根据对应输入信号强弱执行不同调光子程序。
以主程序为核心设置功能模块子程序,简化了设计结构。
软件流程如图3-5所示。
4 结束语
经过实验验证,该系统达到了很好的节能和改善照明环境的效果,大大节省了能源的消耗。
LED因其节能省电的特点,目前正越来越多地与太阳能装置相结合,组成最为节能环保的照明设施。将为半导体照明新兴产业提供巨大的市场,具有相当大的发展潜力,同时将有助于各级政府完成节能减排指标。随着LED照明应用的加速普及和技术的不断发展,LED光源的发光效率不断提高,成本价格迅速下降,各技术瓶颈也有较大突破,推广应用于道路照明的条件正在逐步成熟。
参考文献
[1]杨军平,吴欣慧,秦长海.LED智能照明控制系统的设计[J].电子产品世界,2009(6).
[2]罗静华.大功率LED智能化照明控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2010(1).
[3]赵玲,朱安庆.智能LED节能照明系统的设计[J].半导体技术,2008,33(2):137-140.
[4]陈虹颐.室内灯光智能控制的一种可行性方案[J].绵阳师范学院学报,2007,26(2):49-52.
[5]周元华,李会斌.一种室内LED照明智能控制器设计[J].建筑节能,2009(11).
对太阳能LED照明系统的研究 篇9
关键词：太阳能,LED照明,特性,计算系统
在世界经济迅猛发展的大背景下, 能源的占有量对世界各国的发展有着不容忽视的意义。新能源的出现无疑给世界带来了新的曙光, 并且很好的解决了能源消耗量日益严重的恶劣情况, 因此成为了世界各国共同的发展目标。在众多自然能源中, 太阳能以其分布广、无污染的特点被认可成为一种新型替代能源。太阳能与LED发光源相结合之后展现出来的优势在日常生活中无处不在。例如, 它可以在一定程度上降低功率消耗、降低太阳能灯的工具成本, 另一方面, 不但提高了灯的照明度, 而且提高了其自身的性价比, 在照明与环保两个方面都起着重要作用。
1 太阳能LED照明系统的组成与特性
1.1 太阳能LED照明系统的组成
太阳能LED照明系统由太阳能电池、控制器、蓄电池、LED照明负载以及备用电源组成。在此, 即使蓄电池不能供给太阳能LED照明系统所需要的电源时, 备用电源也能直接向LED照明系统负载供电, 这样一来, 有效的保证了该照明系统的正常使用, 与此同时更加降低了经济成本。太阳能LED照明系统中各个组成部分都有其不同的功能。
1) 太阳能电池
太阳能LED照明系统中, 太阳能电池将太阳的辐射能转换成电能, 这是太阳能电池在这一照明系统中起到的最主要的作用。然而, 因为太阳辐射强度和温度有着较大的差异, 这时就需要利用蓄电池来应对太阳辐射强度较大时的情况, 并且能将转化的电能进行存储工作。
2) 控制器
控制器总体控制太阳能LED照明系统, 它包括蓄电池电压以及太阳能电池电压的采集, 分析蓄电池的工作状态, 控制蓄电池供电和备用电源之间的转换。
3) 蓄电池
蓄电池的主要作用是在白天将太阳能电池所产生的电能进行储存, 夜间再将所储存的能量释放出来, 供照明使用, 也正是这一功能使蓄电池成为太阳能LED照明系统的关键部分。另外, 为了保证发电系统能够正常的工作, 必须配置具有可靠性能、合理容量的蓄电池。
4) LED照明负载
系统照明的最重要组成部分便是LED照明负载。在这个过程中, 需要根据LED自身的特性来选择正确的控制策略, 以此来达到它与蓄电池电压的匹配, 并且实现太阳能LED照明的独特优势。
5) 备用电源
日常应用的过程中, 难免会出现连续长时间阴雨天气的状况, 这时, 由于蓄电池不能及时充电故而导致不能向负载供电, 所以系统增加了备用电源这一部分。在设计系统控制器的过程中, 为备用电池提供了一个低压直流电输入接口, 在出现意外情况的时候, 220V交流市电能够通过开关电源而转换为低压直流电, 这样就可以供给LED照明系统相关电量。
1.2 太阳能LED照明系统的特性
1) 节能
太阳能照明系统利用太阳能电池发电, 并且选用LED作为光源, 在同等亮度下, 耗电量极低, 由此创造的节能价值使太阳能LED系统有着十分光明的前景。
2) 环保
太阳能LED系统将太阳辐射能转化为电能, 这一特点与其他发电方法相比, 有效的避免了材料污染。这样一来, 减轻了材料污染严重的问题。
2 太阳能LED照明系统的设计方案
2.1 选用与设计
1) 选用太阳能电池
世界上最早的太阳能电池是用单晶硅提炼出来的, 虽然用此材料在原料方面占有相对程度上的优势, 但是由于提炼它的过程十分困难, 所以人们研究了多晶硅太阳能电池和其他的电池种类。考虑到市场取向、应用前景等问题, 在选用太阳能电池的时候应该选用原材料资源丰富、成本较低、本身使用寿命较长的电池。
2) 选用蓄电池
蓄电池作为太阳能LED照明系统的储能装置, 它将白天接收到的阳光存储起来, 在夜间向LED照明负载进行供电活动, 以此来保证LED照明系统能够正常运行。在认识到蓄电池的重要性之后, 在选用方面则需要确定相应的适用标准。例如, 应该选取寿命较长且易于维护的蓄电池, 只有这样才能保证蓄电池在太阳能LED照明系统中起到其应有的作用。
3) 设计光伏系统
在设计光伏系统之前应该将理论与实践相结合, 制定出更好的设计方案。在设计的过程中, 应该考虑到不同的气候, 从而能保证它在阴雨天气的情况下仍然能够正常使用。另外, 也要注意考虑到光伏阵列不适合过大, 应该制定合理的大小以此来避免该系统过度增加的成本。与此同时, 为了能够更好的保证蓄电池寿命较为长久, 最好是在阴雨天时也能让蓄电池保持足够的电能。
2.2 计算
1) 计算太阳能电池容量
由于在此类太阳能照明系统中节约成本占主要部分, 所以需要注重节约成本。对太阳能电池容量的计算有其原则, 即太阳能电池方阵每天得到的电能需要大于或者等于电池负载所要消耗的能量。按照一般情况来说, 应该参照几个标准语参数。例如, 安装地点的年平均辐射量、太阳能电池的特性以及照明负载所需要的电流和电压数等。
2) 计算蓄电池容量
作为太阳能LED照明系统中的重要组成部分, 在计算蓄电池容量时应该更加注意。系统日用电量、自给天数和蓄电池的放电深度共同决定了蓄电池的容量。然而, 蓄电池的放电深度应该严格按照蓄电池的类型来确定, 一般情况下, 铅酸蓄电池的深度应该保持在30%~50%。
日常生活中, 太阳能LED照明系统应用的最常见的例子就是街道两旁的路灯。因为道路照明与人们生产生活密切相关, 所以在照明方面要求选用寿命长、定向发光、以及绿色又环保的太阳能LED照明系统。
3 结论
本文阐述了太阳能LED照明系统的组成与特性, 并且将理论与实践相结合, 设计了该系统的应用方案。以此, 希望这些研究与设计能够在日后实际应用以及理论创新的过程中起到一定的作用。
参考文献
[1]周婷婷.太阳能LED照明系统的研究与设计[D].东华大学, 2011.
[2]冯新红.太阳能LED照明系统的特点及发展[J].科技资讯, 2011.