一種智能LED照明系統節能控制系統的設計

伊凡·爵， 維尼薩·卡瓦利， 納溫諾歐， 喬西帕克寧

0 引言

研究表明，現代建筑具有很高的節能潛力，而電照明是其中一個關鍵目標。因為照明節能系統不僅可以保證較高節能效果，并且改造相對簡單。

智能照明系統試圖通過利用集成傳感器在閉環控制系統中提供反饋來實現這一目的。一種常見的節能技術是感測，從集成傳感器獲得反饋。一些智能照明系統也依賴于手動控制，以作為感測的補充。除此之外，還可以采用諸如日光采收和自動調光控制等技術來進行節能。但與模擬性能相比，日光采收系統的實測性能通常要低得多。并有必要驗證在真實環境中不同使用模式下的節能性能，因為仿真結果并不總是能提供真實世界的精確情況。此外，控制系統的優化是保證良好系統性能的重要步驟。

1 節能技術

為提供相關信息反饋到16MHz 8位AVR RISC的微控制器。筆者團隊使用被動紅外(PIR)傳感器，測量從物體輻射的紅外光，以提供關于其視野內的狀態反饋。當一個人通過傳感器的視場時，傳感器會將所產生的紅外輻射的變化轉換成傳感器電壓的變化，從而觸發檢測。PIR傳感器用于占用感測，當沒有視場內的用戶時，對燈具進行編程以自動關閉。允許用戶定義一個合適的延時。延時是來自PIR傳感器的邏輯高信號與燈具輸出下降到零之間的時間差。一個小的延時將確保顯著的節能效果，但房間里的用戶如果在一段時間內靜止不動可能會導致燈具關閉；一個較大的延時將解決這個問題，但會導致節能效果降低。

團隊還利用了一種光傳感器，為對可見光譜敏感的硅NPN外延平面光電晶體管。傳感器上的入射照度與集電極光電流成正比。選擇TEM6000環境光傳感器，可以測量1 000 nm左右的峰值亮度。傳感器輸出的模擬光電流被轉換成一個可變電壓(0～5V)，通過連接10K串聯電阻由微控制器讀出。以一個帶窗戶的房間為例，白天用戶可以選擇打開窗簾，讓陽光照亮房間。在這種情況下，人工照明可能是多余的，因為房間有足夠多的光照亮工作空間?？梢岳铆h境光來補充現有的照明，這是一種叫做日光采收的技術。這將導致提高節能效率，因為在最大亮度下燈具不需要接通。

1.1 控制算法

控制系統根據傳感器的反饋自動調整燈具狀態。對控制系統的用戶定義的輸入是目標亮度(SP)、增益(K)、滯后(H)、超時(τ)和采樣周期(T)。對控制系統的非用戶可定義的輸入是用戶人數狀態[ M(t)]和測量的亮度[PV(t)]。這些非用戶可定義的輸入是通過傳感器的反饋獲得的。假定最大環境光強度在環境光傳感器的感測極限之內。此外，采樣周期被假定為足夠大以考慮控制器的時鐘速度。

1.2 控制系統優化

可以通過調整某些輸入參數優化控制系統：增益(K)、滯后(H)、采樣周期(T)。改變這些參數中的任何一個將對控制系統的響應產生影響。

2 智能燈具設計

為實現所提出的控制系統，設計并構造了一種智能LED燈具，該智能燈具由LED驅動器、LED串、ZigBee模塊、微控制器和傳感器組成；還設計了無線傳感器模塊，通過IEEE 802.15.4 ZigBee標準將環境光傳感器與智能燈具接口，將環境光傳感器放置在工作平面而不是燈具上，以允許環境光傳感器在工作平面高度準確地收集環境光數據；設計了DC-DC LED驅動器，在每個通道的最大串電流為700mA時為8個LED串供電。使用德克薩斯儀器LM3406恒流Buck變換器作為驅動器的功率控制器。LM3 406包含一個具有適當電流限制的高側N溝道MOSFET開關。它也有一個調光引腳，可以由ATMEGA328微控制器驅動，以實現PWM步進調光。通過實驗驗證了由LED驅動器驅動的LED串的亮度與PWM信號的串電流和占空比成正比。

3 成本分析

微控制器、集成傳感器和無線模塊的成本占系統總成本的48.83%。為了比較，也給出了近似等效商務系統的成本。商業設置是手動調光的，并且具有集成的PIR傳感器。然而，它沒有利用本文提出的附加日光采收技術，并且不包括無線傳感器模塊?？傁到y成本被計算為比商務系統便宜31.52%。

4 結束語