新時期LED智能燈的特點(diǎn)及設(shè)計思路研究①

周小軍

（寧波凱耀電器制造有限公司 浙江寧波 315000）

伴隨著能源消耗的不斷加劇，地球資源的匱乏以及生態(tài)環(huán)境日益惡劣。人們對環(huán)境保護(hù)，節(jié)能降耗等問題的關(guān)注度越來越高，減少浪費(fèi)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境以及堅持可持續(xù)發(fā)展的理念已經(jīng)成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)。照明系統(tǒng)作為使用最頻繁、能耗較高的設(shè)備，在節(jié)能降耗方面需要進(jìn)行重點(diǎn)考慮。傳統(tǒng)的白熾燈主要是依靠電能將燈絲加熱到白熾狀態(tài)，利用熱輻射發(fā)出可見光。在光能轉(zhuǎn)化過程中，大部分能量是以熱量的形式及性能消耗，光能轉(zhuǎn)化率較低。LED光源作為一種高效、低功耗的光源，不僅符合節(jié)能環(huán)保的理念，而且比傳統(tǒng)白熾燈燈泡的使用壽命更長。LED照明技術(shù)發(fā)展已經(jīng)成為綠色照明、節(jié)能降耗的重要標(biāo)志。隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)o限擴(kuò)展。

1 LED的基本概念

近年來，LED照明技術(shù)獲得了廣闊的發(fā)展空間，已經(jīng)逐漸成為最具發(fā)展前景和影響力的一項高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。我國目前對于LED智能等技術(shù)方面的研究起步雖然較晚，但是具有廣泛的潛在市場，LED智能燈的開發(fā)、設(shè)計、研制以及生產(chǎn)都具有較強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿ΑED智能照明系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公共設(shè)施、室內(nèi)外照明、汽車照明、醫(yī)學(xué)及背光等領(lǐng)域，隨著LED相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，燈具標(biāo)注、能效標(biāo)準(zhǔn)以及安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，LED智能燈無疑將成為最具競爭力的一種新型照明光源。

1.1 LED發(fā)光原理

圖1 LED發(fā)光原理圖

LED(Light Emitting Diode)光源主要依靠發(fā)光二極管，通過電子與空穴符合釋放能量的形式進(jìn)行發(fā)光。LED與普通二極管相似都具有一個PN結(jié)構(gòu)組成，具有單向?qū)щ娦裕?dāng)給LED加上正向偏置電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的自由電子，在PN結(jié)附近分別與N區(qū)的自由電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的光。在不同的半導(dǎo)體材料中，自由電子和空穴所處的能量越多，發(fā)出的光波長越短[1]。當(dāng)初在正向工作狀態(tài)下，電流從LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流的大小有關(guān)。LED發(fā)光原理如圖1所示。

1.2 LED結(jié)構(gòu)

LED由支架、銀膠、晶片、金線、環(huán)氧樹脂五部分組成。LED芯片是LED智能燈的核心部分，LED芯片為分層結(jié)構(gòu)，芯片兩端是金屬電極，底部為襯底材料，中間是由P型層和N型層構(gòu)成的PN結(jié)，發(fā)光層被夾在P型層和N型層之間，是發(fā)光的核心區(qū)域。P型層、N型層和發(fā)光層利用特殊的外延生長工藝在襯底材料上制作。現(xiàn)階段，LED芯片朝著集成化、高亮度的方向發(fā)展，在大型購物商場、城市道路、室內(nèi)照明等領(lǐng)域應(yīng)用最為普遍。

1.3 LED光源特點(diǎn)

LED光源相比于傳統(tǒng)光源具有功耗低、發(fā)光效率高的特點(diǎn)。LED的光譜全都屬于可見光頻段，其中不含有紫外線和紅外線光，發(fā)光效率高達(dá)50%～60%，并且具有發(fā)熱量，屬于冷光源。LED使用低電壓電源，采用直流驅(qū)動方式供電，發(fā)光穩(wěn)定沒有頻閃，眩光小。LED與傳統(tǒng)光源相比可以更好地與集成電路進(jìn)行匹配，通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行編程，可以輕松實(shí)現(xiàn)智能化控制[2]。此外，LED光源使用壽命可達(dá)5萬h以上，體積小，反應(yīng)速度快，顯色性好，控制簡單，可以獲得理想的照明效果并且不含任何輻射物和有毒物質(zhì)，可以進(jìn)行回收再利用，價格低廉，具有顯著的節(jié)能環(huán)保效果。LED與其他照明系統(tǒng)性能對比如表1所示。

2 LED智能燈的設(shè)計

在環(huán)境問題和能源危機(jī)日益突出的新時期，針對傳統(tǒng)光源轉(zhuǎn)化率低、節(jié)能效果差、智能化程度低以及照明效果不理想等問題，本文結(jié)合LED光源的特點(diǎn)，并結(jié)合計算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)和微電子技術(shù)等，設(shè)計出一套先進(jìn)的LED智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)室內(nèi)外光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)燈光亮度，并且具有遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障報警等功能。下面就對LED智能燈的設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

LED智能燈的設(shè)計采用了分布式模塊化設(shè)計原理，分為供電模塊、驅(qū)動模塊、保護(hù)模塊、調(diào)光模塊、傳感器模塊、通信模塊以及故障報警模塊。其中供電模塊負(fù)責(zé)給LED智能燈提供所必需的電能，具有統(tǒng)一的接口，電壓和電流保持穩(wěn)定，供電模塊的穩(wěn)定性直接影響著智能燈工作的可靠性；LED智能燈在工作過程中需要有不同功率的驅(qū)動器運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)以及帶載能力，包括驅(qū)動LED智能燈接入/輸出方式和接口標(biāo)準(zhǔn)；保護(hù)模塊是為LED智能燈提供過熱、短路等保護(hù)，確保整個智能照明系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行[3]；調(diào)光模塊是LED智能控制的基礎(chǔ)，通過傳感器感知外界環(huán)境的光照強(qiáng)度變化對LED的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)；傳感器模塊主要是采集外界環(huán)境中的溫度、光照、紅外線強(qiáng)度等數(shù)據(jù)信息，并將其傳遞給LED智能照明系統(tǒng)進(jìn)行分析處理；通信模塊主要由電力載波通信、無線通信等方式，LED智能燈的通信方式對通信接入方式和接口形式有特殊要求，為了實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性，選擇無線通信方式進(jìn)行控制，組成分布式LED智能燈控制系統(tǒng)；故障報警模塊主要是對LED智能燈的工作溫度、電壓、電流進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，確保LED智能燈在一個恒定的工作環(huán)境[4]。

表1 LED與其他照明系統(tǒng)性能對比

2.2 硬件設(shè)計

LED智能照明控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括智能燈終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計和協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計。LED智能燈節(jié)點(diǎn)電路主要控制電路和驅(qū)動電路構(gòu)成，控制電路由電源電路、溫度傳感器電路、照明傳感器電路、紅外傳感器電路以及繼電器電路組成。溫度傳感器負(fù)責(zé)探測LED智能燈在工作過程中的溫度，為過溫保護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。照明傳感器則是采集周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度，為智能燈的亮度調(diào)節(jié)提供參考依據(jù)。在節(jié)能模式下，紅外線傳感器可以對黑暗環(huán)境中的運(yùn)動情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，如果監(jiān)測到有人員活動的信息，可立即傳遞給微控制器，微控制器通過對繼電器進(jìn)行控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對LED智能燈的開關(guān)控制。傳感器將采集到的環(huán)境信息、LED智能燈的工作信息傳遞給微控制器，微控制器對這些信息進(jìn)行分析處理，然后通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳遞給協(xié)調(diào)器。驅(qū)動電路主要包括交流直流轉(zhuǎn)換電路、功率因數(shù)校正電路，降壓電路和恒流源控制電路。恒流源根據(jù)微控制器輸出的信號改變輸出電流大小，實(shí)現(xiàn)對LED智能燈的亮度調(diào)節(jié)，通過檢測恒流源反饋的電壓信號判斷LED智能燈是否出現(xiàn)故障。

2.3 軟件設(shè)計

LED智能燈軟件系統(tǒng)包括終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計，終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器通過微控制器進(jìn)行控制，系統(tǒng)軟件采用基于Z-Stack協(xié)議棧的操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，在應(yīng)用層中編輯程序，組建無線通信網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)LED智能燈的實(shí)際需求，協(xié)調(diào)器需要完成網(wǎng)絡(luò)初始化、組建及維護(hù)，對終端節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)處理，終端節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計、故障監(jiān)測處理、控制指令分析、數(shù)據(jù)發(fā)送等任務(wù)。LED智能燈的操作系統(tǒng)將任各項任務(wù)按照功能進(jìn)行劃分，在任務(wù)初始化函數(shù)中添加數(shù)據(jù)處理任務(wù)包括終端節(jié)點(diǎn)狀態(tài)統(tǒng)計任務(wù)，故障監(jiān)測處理任務(wù)、控制指令分析任務(wù)、數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)等。網(wǎng)絡(luò)的初始化、創(chuàng)建及維護(hù)由協(xié)議棧函數(shù)完成，需要在配置文件中配置相應(yīng)的信道、信號發(fā)射功率、網(wǎng)絡(luò)類型參數(shù)。LED智能燈的控制人物主要根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制指令進(jìn)行相關(guān)操作，主要包括智能燈的開關(guān)控制、亮度控制以及定時控制[5]。

2.4 監(jiān)控中心設(shè)計

LED智能燈監(jiān)控中心主要功能包括用戶信息管理、智能照明系統(tǒng)監(jiān)測、控制、數(shù)據(jù)庫管理等。用戶信息管理包括用戶登錄、密碼設(shè)置、用戶操作信息記錄等；智能照明系統(tǒng)監(jiān)測主要是對LED智能燈的光照強(qiáng)度、照明模式、定時開關(guān)等進(jìn)行控制；系統(tǒng)監(jiān)測管理主要是對LED智能燈終端節(jié)點(diǎn)的環(huán)境亮度、照明模式、工作狀態(tài)、無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，記錄智能燈的工作狀態(tài)信息并上報故障信息，便于進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)管理。監(jiān)控中心負(fù)責(zé)對LED智能燈進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動化控制，提升智能燈工作的穩(wěn)定性和可靠性。

3 結(jié)語

本文主要探討了智能燈的設(shè)計思路，在計算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)和微電子技術(shù)的推動下，設(shè)計出一套智能化的LED照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)外界環(huán)境的光照強(qiáng)度實(shí)時調(diào)節(jié)照明亮度，并且具有多種照明模式的選擇，具有定時開關(guān)的功能，有效地降低了能源消耗，在環(huán)境保護(hù)和光能轉(zhuǎn)化率方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)照明系統(tǒng)。此外，LED智能燈還具有在線實(shí)時監(jiān)控功能，通過無線通信可以對LED智能燈的工作狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)照相系統(tǒng)的故障，便于采取有效的應(yīng)對措施。