“LED +智能”照明系統(tǒng)與傳感技術(shù)

曹小兵，曹培俊

(深圳市萊?？萍加邢薰?，深圳 518101)

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LED研究

“LED +智能”照明系統(tǒng)與傳感技術(shù)

曹小兵，曹培俊

(深圳市萊?？萍加邢薰?，深圳 518101)

闡述傳感技術(shù)配合“LED+智能”照明進(jìn)行系統(tǒng)管理，從工作原理、硬件和軟件設(shè)計(jì)方案中體現(xiàn)傳感器在智能LED照明系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)重要角色。預(yù)測LED照明與更多傳感器及無線通訊技術(shù)相融合，將得到廣泛應(yīng)用，讓人們感受更為舒適的光環(huán)境。

傳感技術(shù);智能；熱釋電紅外探測器;環(huán)境光傳感器;聲控傳感器

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，具有色彩豐富的LED(Light Emitting Diode)在家居照明、商業(yè)照明、公共照明和景觀照明等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。各類傳感器和智能控制系統(tǒng)在LED照明的二次節(jié)能中發(fā)揮的作用得到充分體現(xiàn)，傳感器在“智能+LED”照明系統(tǒng)中起到傳輸信息與交互的作用，有效控制照明時(shí)間，節(jié)約能源，是實(shí)現(xiàn)智能控制的重要一環(huán)。文章重點(diǎn)介紹“LED+智能”照明與傳感技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的方案特點(diǎn)，為了讓人們擁有舒適的光環(huán)境并節(jié)約能源，照明產(chǎn)品正由傳統(tǒng)單一的照明轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苷彰?各種傳感器與LED照明產(chǎn)品匹配充當(dāng)智能控制系統(tǒng)的眼睛。例如，在公共照明領(lǐng)域，LED路燈利用光敏傳感器根據(jù)白晝周期實(shí)現(xiàn)光控，紅外傳感器采集人們的活動(dòng)信息實(shí)現(xiàn)“人走燈滅”，使我們的生活更加節(jié)能環(huán)保，“LED+智能”照明與傳感技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用將顛覆傳統(tǒng)照明概念。

1 傳感技術(shù)概述

人為了從外界獲取信息必須借助感覺器官，在信息傳輸過程中，首先要解決的就是獲取準(zhǔn)確及可靠的信息，傳感器(transducer)是獲取自然環(huán)境和相應(yīng)工作過程中信息的主要途徑與手段。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7665—2005《傳感器通用術(shù)語》定義傳感器為：能感受被測量的信息，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

1.1 典型傳感器

(1)熱釋電紅外傳感器。熱釋電紅外傳感器(passivelnfrared ray)是將具備熱釋電材料做成的熱敏型紅外傳感器，可把透過濾光晶片紅外輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。其工作原理如圖1，探測器表層溫度沒有變化時(shí)，內(nèi)部電荷與表面吸附電荷所中和，則探測器的溫度保持平衡T[K]。如果接收到外部紅外輻射時(shí)，其溫度發(fā)生變化，敏感元件則會(huì)有變化T+ΔT[K]，即由外部紅外輻射引發(fā)探測器敏感元件表層的溫度變化時(shí)，傳感器會(huì)釋放出電流。當(dāng)溫度穩(wěn)定，內(nèi)部電流則平衡，敏感元件就無電流產(chǎn)生，對(duì)相對(duì)靜止的熱源體則無電流輸出。利用熱釋電紅外探測器這一特征，可檢測到如人運(yùn)動(dòng)的紅外熱源，此類傳感器是被動(dòng)型的溫度敏感元器件，對(duì)應(yīng)用的環(huán)境溫度要求不高，靈敏度極高且光譜效應(yīng)寬，大量應(yīng)用于照明行業(yè)。

圖1 熱釋電紅外探測器原理

值得注意的是紅外熱釋電傳感器的應(yīng)用必須借助菲涅爾透鏡(fresnel lens)，菲涅爾透鏡為聚烯烴或玻璃制造的薄片，薄片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，在傳感器結(jié)構(gòu)中具有視角調(diào)制與聚焦的作用，可擴(kuò)大探測器接收信號(hào)源的范圍，探測警戒線內(nèi)紅外能量的變化，監(jiān)視在運(yùn)動(dòng)的紅外源或者移動(dòng)熱源。菲涅爾透鏡與紅外熱釋電傳感器配合應(yīng)用如圖2，由系統(tǒng)固化軟件對(duì)采集的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后傳輸給控制中心，并經(jīng)過邏輯分析并判斷是否發(fā)出控制信號(hào)。

圖2 菲涅爾透鏡與熱釋電紅外探測器的應(yīng)用

(2)光敏傳感器。光敏傳感器(photovaristor)即光敏二極管，是一種通過感知周圍光線并能將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)的半導(dǎo)體器件。核心部件光敏電阻利用半導(dǎo)體光電效應(yīng)形成電阻值，可隨著入射光線的強(qiáng)弱改變電阻器的阻抗值，光亮度強(qiáng)時(shí)則其電阻小，光弱則其電阻大。光敏傳感器常用于光的測量、控制及光電轉(zhuǎn)換，另一核心部分PN結(jié)的結(jié)構(gòu)不同于普通二極管，為便于接入光線，PN結(jié)的面積會(huì)盡量做大，電極面積做小，把PN結(jié)空穴做淺到小于1 μm。圖3為光敏傳感器工作原理圖，在應(yīng)用時(shí)會(huì)有一個(gè)感應(yīng)環(huán)境光強(qiáng)弱的端口，當(dāng)光線變化時(shí)，PN會(huì)自動(dòng)開關(guān)。通常路燈運(yùn)用光敏傳感器實(shí)現(xiàn)天黑時(shí)開燈及天亮后滅燈的功能，是不需人工操作而實(shí)現(xiàn)光控模式的典型應(yīng)用。

圖3 光敏傳感器電路

(3)聲控傳感器。由聲音控制傳感器、音頻放大器、選擇頻道電路、延時(shí)開啟電路及可控硅控制電路等組成的聲控傳感器(microphone array)。以聲音對(duì)比結(jié)果來判斷是否要啟動(dòng)控制電路，用調(diào)節(jié)器給定聲控傳感器的原始值設(shè)定，聲控傳感器不斷地將外界聲音強(qiáng)度與原始值做比較，當(dāng)超過原始值時(shí)向控制中心傳達(dá)“有音”信號(hào)，聲控傳感器在樓道及公共照明場所得到廣泛的應(yīng)用。

(4)溫度傳感器。能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器為溫度傳感器(temperature transducer)。由于LED燈具散熱不佳而導(dǎo)致LED早期失效或光衰嚴(yán)重的案例很多，照明產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)廣泛采用溫度傳感器作為LED或控制裝置的過溫保護(hù)裝置，在燈具的熱源處利用溫度傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)艟叩臏囟?，?dāng)燈體溫度升高到上限值時(shí)，電路自動(dòng)降低控制裝置的輸出電流或關(guān)閉控制裝置使燈具降溫，當(dāng)溫度降至設(shè)定下限值時(shí)自動(dòng)調(diào)整控制裝置的輸出電流至額定值或重新開啟，其工作原理見圖4。

圖4 NTC過溫保護(hù)電路

1.2 “LED+智能”照明與傳感技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是全球信息化應(yīng)用的熱點(diǎn)，每個(gè)需要識(shí)別和管理的物體或場景都要安裝與之對(duì)應(yīng)的傳感器來實(shí)現(xiàn)信息收集和傳遞。圖5為“LED+智能”照明系統(tǒng)架構(gòu)圖，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先是將傳感器置入各應(yīng)用端，并編制照明回路的負(fù)載清單，使每路LED燈的控制性質(zhì)保持一致，系統(tǒng)對(duì)回路的劃分根據(jù)管理需要進(jìn)行分組及控制，構(gòu)建協(xié)調(diào)的管理模式，編制系統(tǒng)設(shè)備配置表，并設(shè)計(jì)好匹配的控制裝置，采用多模式控制與集成模塊架構(gòu)的系統(tǒng)管理方案。

圖5 “LED+智能”照明系統(tǒng)架構(gòu)

在“LED+智能”照明系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方面，通常采用光敏傳感器來檢測環(huán)境光的亮度，采用熱釋電紅外傳感器檢測人身體輻射微量，采用溫度傳感器檢測照明燈具LED的定點(diǎn)溫度，采用聲控傳感器來感知現(xiàn)場的聲音強(qiáng)度。智能控制系統(tǒng)將傳感器采集到的信息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后傳輸給CPU，運(yùn)算處理后的信息再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸?shù)竭\(yùn)算放大器進(jìn)行運(yùn)算處理，形成指令發(fā)送到每個(gè)終端LED燈的控制電路，由LED控制裝置來執(zhí)行對(duì)LED燈的控制，具體方案見圖6。

“LED+智能”照明系統(tǒng)的程序采用模塊化集成電路，以主程序?yàn)楹诵牡膫鞲衅鲬?yīng)用軟件設(shè)計(jì)，在運(yùn)行時(shí)通過主程序指令到子程序的功能單元，對(duì)傳感器收集信息的處理及把指令傳達(dá)到終端LED燈。

圖6 “智能+LED”照明控制架構(gòu)

2 “LED+智能”照明與傳感技術(shù)結(jié)合應(yīng)用

2.1 智能照明的“利器”

“LED+智能”照明系統(tǒng)由傳感器、微控制單元(MCU)、控制執(zhí)行和LED燈組合而成。傳感器是負(fù)責(zé)將多種信號(hào)采集并傳遞的一種電子器件，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技術(shù)的日趨成熟，傳感器正向小型化、多功能化、智能化及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。傳感器把采集到的物理量信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由A/D轉(zhuǎn)換器、MCU和D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行甄別及運(yùn)算處理，以達(dá)到控制LED燈具的目的，適用于“LED+智能”照明的傳感器有熱釋電紅外線傳感器、光敏傳感器、聲控傳感器、超聲波傳感器和霍爾傳感器等各類傳感器，并可在控制中心的MCU上設(shè)置不同的控制模式，實(shí)現(xiàn)LED燈開關(guān)時(shí)間、亮度調(diào)節(jié)及變換色彩，可見傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“LED+智能”照明的第一步，也是照明系統(tǒng)對(duì)環(huán)境信息收集的“利器”。

2.2 商業(yè)照明

“LED+智能”照明結(jié)合傳感器在辦公場所、商場、樓宇、綜合大樓及公共場所得到大量應(yīng)用，通過傳感器便可管理特定范圍的全部LED燈，任意選擇無線遙控或現(xiàn)場控制方式，改變傳統(tǒng)的一對(duì)一開關(guān)控制模式，提升了LED燈在數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)管控能力。商業(yè)照明典型應(yīng)用總線協(xié)議(European Installing Bus，EIB)照明系統(tǒng)將管理區(qū)域內(nèi)LED燈通過組網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)管理的架構(gòu)如圖7。管理中心將建筑群的照明及安監(jiān)等事項(xiàng)進(jìn)行集中管理，把散布于各走道、房間、樓梯及門庭等地方的熱釋電紅外線傳感器、光敏傳感器、聲控傳感器或光敏傳感器收集的信息自動(dòng)連續(xù)采集，系統(tǒng)對(duì)由管理平臺(tái)與網(wǎng)關(guān)傳到中央處理器進(jìn)行運(yùn)算處理，管理員可依據(jù)處理后的信息進(jìn)行控制設(shè)定，把所有終端LED燈按需求實(shí)現(xiàn)分組開關(guān)或調(diào)光控制，有效提升系統(tǒng)管理效率。

圖7 商業(yè)照明系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 植物工廠照明

食物、資源、環(huán)境和人口等問題都與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)，植物可接收的太陽光能越來越少，因此，農(nóng)業(yè)照明用智能控制補(bǔ)光系統(tǒng)受到世界各國的廣泛重視。系統(tǒng)利用傳感器對(duì)植物工廠環(huán)境中的溫度、濕度、光照、二氧化碳(CO2)濃度及營養(yǎng)液等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并實(shí)時(shí)采集及傳輸信息到控制中心，根據(jù)植物相應(yīng)“光配方”需求對(duì)終端LED燈的定時(shí)開關(guān)、調(diào)光和調(diào)色設(shè)置管理，對(duì)植物生長過程起到保駕護(hù)航的作用。

2.4 特殊應(yīng)用

我國北方供暖消耗電能約占全年用電量的20%，整棟樓的不間斷供暖是用電量高居不下的主要原因，利用傳感技術(shù)進(jìn)行人體跟蹤單點(diǎn)供暖與傳統(tǒng)中央供暖系統(tǒng)相比較，前者是以精確定位到空間中的個(gè)體及人群，而不是傳統(tǒng)中央供暖覆蓋整個(gè)空間。系統(tǒng)通過傳感器對(duì)需要供暖區(qū)域進(jìn)行探測定位，指引LED燈發(fā)射紅外光束在該區(qū)域形成暖光圈，并利用傳感技術(shù)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的跟蹤功能，使裝在天花板上供暖光束隨著個(gè)體及人群移動(dòng)而切換或移動(dòng)，由此可見，傳感技術(shù)在單點(diǎn)供暖系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

3 傳感技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)及趨勢

3.1 傳感器應(yīng)用要點(diǎn)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，傳感器不僅具備基礎(chǔ)的信息收集功能，在智能照明系統(tǒng)的信息處理能力也成為判斷其性能高低的重要依據(jù)，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)使用目的、動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)和環(huán)境來選擇相應(yīng)的傳感器。各種傳感器使用注意要點(diǎn):1)當(dāng)傳感器應(yīng)用在高溫環(huán)境時(shí)，傳感器涂覆層易于脫落，內(nèi)部電路板(printed circuit board)焊點(diǎn)容易開路，應(yīng)力作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變異等問題的出現(xiàn)。對(duì)于高溫環(huán)境下工作的傳感器通常結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用隔熱層或灌膠處理。2)在高粉塵或潮濕環(huán)境應(yīng)用時(shí)，傳感器容易出現(xiàn)短路或靈敏度下降等故障。在該環(huán)境條件下應(yīng)選用密閉性好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。應(yīng)注意不同廠家生產(chǎn)的傳感器密封性能存在較大差異。3)在腐蝕性、潮濕及酸性環(huán)境下使用，容易造成彈性體受損或產(chǎn)生短路等問題，應(yīng)選用抗腐蝕性能更好的不銹鋼外殼結(jié)構(gòu)。4)特定場所的電磁場對(duì)傳感器輸出紊亂信號(hào)的影響明顯，應(yīng)對(duì)傳感器的電磁兼容性進(jìn)行嚴(yán)格測試，確保其具有良好的電磁兼容能力來保證穩(wěn)定工作。5)在易燃易爆環(huán)境下工作的傳感器應(yīng)具備防爆性能更高的設(shè)計(jì)，傳感器外罩不僅要確保密閉性，還要考慮到防爆及防水能力。

3.2 傳感技術(shù)應(yīng)用趨勢

隨著“LED+智能”照明和傳感技術(shù)的應(yīng)用，在控制功能、場景控制、信號(hào)處理、電子控制及執(zhí)行器組成的智能控制系統(tǒng)中，加入Wireless、TCP/IP、GP、RS 、Wi-Fi、ZigBee等各種無線通信和組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸和控制，將是LED照明的主流發(fā)展和市場需求的趨勢。基于智能手機(jī)和iPad的便捷功能，將會(huì)給人們生活帶來更多的便利，如晚上回家前可實(shí)現(xiàn)人未到先開燈，也能通過無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控家里的情況，這些都與傳感技術(shù)的應(yīng)用密不可分。由于傳感器與無線通信技術(shù)的深度結(jié)合，該系統(tǒng)的安裝極為方便，不用擔(dān)心增加布線，可輕松實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能化，為人類提供高品質(zhì)光環(huán)境的同時(shí)實(shí)現(xiàn)二次節(jié)能，將成為未來智能照明技術(shù)發(fā)展的趨勢。

4 小 結(jié)

隨著傳感技術(shù)在“LED+智能”照明系統(tǒng)中的應(yīng)用，更多類型的傳感器將成為照明系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)者的關(guān)注焦點(diǎn)，利用多路傳感器收集信息作為系統(tǒng)控制的依據(jù)，并結(jié)合各類無線通信技術(shù)在照明系統(tǒng)中創(chuàng)新應(yīng)用。利用傳感技術(shù)的“LED+智能”照明系統(tǒng)正逐步得到人們的認(rèn)知，也將使我們的生活變得更加便捷、舒適。

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Intelligent LED Lighting System and Sensor Technology

CAO Xiaobing, CAO Peijun

(ShenzhenLIFIES&TCo.,Ltd.,Shenzhen518101,P.R.China)

The management model of LED lighting is being changed from traditional simple lighting management to a intelligent system management model. the sensor technology are described as a "weapon" to achieve intelligent LED lighting. The important role of sensors is introduced form working principle of intelligent LED lighting systems, hardware and software design solutions. this paper predict that a greater variety of sensors and wireless communications technology will be widely used in intelligent LED lighting systems, will provide people more comfortable light environment.

sensor technology; intelligent; pyroelectric infrared detectors; ambient light sensor; the sound control sensor

2016-04-17 作者簡介：曹小兵(1969—)，男，高級(jí)工程師，深圳市萊?？萍加邢薰炯夹g(shù)總監(jiān)，主要從事智能照明技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化研究。