【導讀】LED照明系統(tǒng)的智能化程度是一個值得關注的問題。LED照明能夠降低能耗和維護成本，而智能化LED照明設計可以從兩個方面進一步改善系統(tǒng)性能；從每瓦特中獲得更好的性能，降低長期運行成本。電能測量、環(huán)境光檢測和通信是智能LED照明設計的基礎；電能測量提供系統(tǒng)的健康運轉(zhuǎn)及能耗信息；環(huán)境光檢測可以減少LED的實際照明時間，節(jié)約電能并延長二極管壽命；通信功能則將每個光源連接在一起，以進行維護識別、系統(tǒng)級協(xié)調(diào)。本文將探討各部分電路對總體系統(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)省一丁點兒體耗，對比賽結(jié)果都至關重要。通常，當賽程不到一半時，就好像已經(jīng)分出勝負。領跑者似乎不可超越，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)保持領先嗎？在個個經(jīng)過周密培訓和激烈競爭的運動員當中，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。現(xiàn)在的領跑者是否能夠挖掘潛力、運用策略、應對各種自然環(huán)境，最終如愿以償？時間和智慧將說明一切。
現(xiàn)在，您可能會問我：“馬拉松跟LED有什么關系？你真的知道自己在說什么嗎？”我想是的。就像強壯的選手領跑馬拉松一樣，LED在高能效照明領域遙遙領先。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，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到767太瓦時(TWh)。對于我們這場特殊的馬拉松領跑者來說，這是一個多么好的機會！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才需要更換。不僅如此，利用紅、綠、藍(RGB) LED精調(diào)顏色的能力，也為品質(zhì)和創(chuàng)意提供了新機會。LED最終的用武之地將不僅限于空間照明，將更適合新風格和裝置。
LED智能化——贏得比賽的關鍵所在
LED將如何發(fā)揮其巨大潛能？毫無疑問，第一道障礙是價格。LED目前的成本遠遠高于現(xiàn)有照明方案。節(jié)能往往不足以說服價格敏感的企業(yè)和消費者購買較貴的產(chǎn)品。隨著時間推移，大規(guī)模生產(chǎn)可能會降低價格，但成本是否能夠降得足夠低，降價速度是否滿足用戶的預期？這些都是不確定因素，有待商榷。當然，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。許多零售商不會僅僅為了吸引稀稀拉拉的消費者而備有足夠品種或數(shù)量的庫存，為什么？這涉及到價格和庫存周轉(zhuǎn)率。那么這種情況對我們這些工程師、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、計數(shù)等功能。在照明領域設計出有價值的半導體材料，將優(yōu)化能源效率、延長照明壽命，并降低維護成本。這將有助于LED跑完整個賽程，堅持到最后，憑借智慧贏得比賽。
LED智能化的關鍵元素
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RGB LED照明系統(tǒng)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。電能測量準確計算消耗的功率，為預測性維護提供系統(tǒng)洞察力。所有這些特性——環(huán)境光檢測、通信、電能測量——將進一步節(jié)省能源，降低運營成本。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。這些簡單器件成為LED照明系統(tǒng)的“眼睛”，也是節(jié)約能耗的關鍵。當房間已經(jīng)有充足的光源時，照明完全沒必要，可將照明燈調(diào)暗或完全關閉，降低功耗、延長照明燈壽命。ALS的關鍵特性包括功耗、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一般可滿足大多數(shù)應用要求。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設計。傳感器必須避開照明燈本身的光線，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。這種簡單的設計使ALS能夠在檢測到環(huán)境光超過預設值時關閉照明燈。RGB傳感器甚至能夠為照明應用增加更多“功能”。類似于圖中所示帶有RGB LED和ALS的LED照明系統(tǒng)，能夠動態(tài)調(diào)節(jié)其顏色輸出，以滿足特殊的應用需求，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
下面，我們討論LED的智能通信。耳朵和喉嚨是接下來實現(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)絡控制燈的開、關，或者調(diào)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(jié)省總體系統(tǒng)維護成本。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)絡規(guī)模和拓撲。無線比較適合于小型室內(nèi)以及大型室外應用，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)、科學和醫(yī)療(ISM)射頻的標準協(xié)議。限制功耗提供了網(wǎng)絡靈活性，如果端點使用電池時則至關重要。圖2所示是一種獨特的應用，其中照明燈開關上配備有能量收集射頻(RF)收發(fā)器。系統(tǒng)收集用于撥動開關的能量，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)。只要信號能夠覆蓋光源，該開關可置于房間內(nèi)的任何地方。無需連接照明開關，室內(nèi)設計更靈活，照明控制更可靠。
圖2. 樓宇自動化應用，其中的照明開關具有一個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，不失為高性價選擇。由于通過維護很好的現(xiàn)有供電線路實現(xiàn)通信，PLC避免了許多麻煩，例如共用通信頻率、惡劣天氣時的性能以及網(wǎng)絡維護。范圍、速度和可靠性是設計PLC的關鍵。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標準，可實現(xiàn)電力線的可靠通信。該標準支持高達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。基于OFDM、PLC控制的照明網(wǎng)絡類似于現(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，維護成本降低30%。該大型設施系統(tǒng)支持最多1022盞照明燈，通信距離長達3km。
圖3. 采用PLC的市政路燈網(wǎng)絡示例
電能測量
智能LED燈還需要具備電量計算能力。從智能電表到電壓控制器再到電動汽車充電器，每個智能電網(wǎng)裝置都具有電能測量功能，實時為電力公司和用戶提供準確的用電信息。發(fā)回耗電量的大多數(shù)照明裝置提供關于建筑及市政照明環(huán)境的詳細信息，可確保電力公司的收費與耗電嚴格一致。通過調(diào)光或在不使用時關閉照明燈，及時、準確地響應用戶需求。此外，特定照明燈的耗電波動說明需要進行系統(tǒng)維修、維護或更換。毫無疑問，許多照明燈處于難以觸及的區(qū)域，優(yōu)化維護可節(jié)省費用。為生成智能電網(wǎng)中的有用數(shù)據(jù)，電能測量設計必須在較寬的電流范圍保持高精度測量。不僅如此，限制或消除校準時間也會降低總體系統(tǒng)成本。圖4所示為一種靈活的LED照明參考設計，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照明設施性能的集成模塊提供了巨大的商機。為實現(xiàn)可升級，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，簡單更換相對較新和效率較高的LED，性價比較低。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照明參考設計，具有電能測量、環(huán)境光檢測和通信功能
最后的勝者
這對我們意味著什么？消費者從觀念上對LED照明的認可和轉(zhuǎn)換是一個長期過程。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”照明的關鍵元素——ALS、通信和電能測量——將使LED更加強大，更具吸引力。智能化LED提供的測量數(shù)據(jù)能夠進一步降低照明系統(tǒng)的能耗，降低運營和維護成本。增加智能化設計，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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