模塊化設計的LED智能控制系統研究

劉紅平

（長沙師范學院，湖南 長沙410000）

1 研究現狀

（1）國外早在20世紀90年代就開始從事智能照明控制系統的開發，已開發出相對獨立的、專門用于照明控制的智能照明控制系統。澳大利亞邦奇公司開發Dynalite照明控制系統，能夠對同一場所的多個燈區進行控制，且每個燈區可以設置5種場景，通過對智能面板操作可選擇適宜的照明氛圍，采取遙控、現場感應、現場面板、場景等控制方式，營造各種適宜的光環境。但是它不完全符合LED驅動設計的要點，忽略了光源的光衰現象，環境總體照度達不到照明質量標準，達不到恒照度照明光環境的要求，且除常規的過壓、過流保護外，在過溫保護方面達不到標準；美國路創公司開發的LC&D照明控制系統，能夠按照用戶的需求，設定照明時間、區域、方法，對每一個回路進行獨立控制，可以解決傳統控制存在的相對分散與不易管理等弊端，但控制系統的智能化程度不夠高，在場景控制和燈光亮度調節方面技術不夠成熟，且存在無故障自檢功能、維護不便，靈活性低，可擴展性差等問題；隨著無線網絡通信技術的發展，韓國友美、西班牙SALICRU公司推出的基于GPRS的智能照明控制系統，采用計算機、現代通信、自動控制等先進技術，通過有線或無線的傳輸方式，對照明設備集中實現遙測、遙控、遙調等“三遙”智能數據采集和監控，使LED照明與現場環境緊密相結合，達到節約能源和方便控制的目的。但應用在智能照明控制的產品不穩定，市場定位較高，主要用于一些高檔場所，難以被廣泛推廣。盡管如此，但他給智能照明控制系統的研究帶來新的思路。

（2）我國的智能照明控制研究起源于20世紀90年代，一方面源于科技的進步及資源節約型社會的發展需要，另一方面，由于一些國際知名智能照明控制廠商相繼進入中國市場，為中國的照明市場注入了新活力，進入21世紀，國內已經出現了眾多的智能照明廠商，如合廣測控、清華同方、瑞朗、索博等。第四代光源LED出現后，照明廠商加大資金、人力和科技的投入，推出各類LED智能控制產品。如遠紅外的電子節能開關、用于教室照明的智能控制器等，她們利用各種傳感器采集外界信息，通過簡單的照明控制策略來控制LED，其在遠程控制、智能化控制方面的技術遠不夠成熟。

現行的照明控制系統存在著功能簡單，效率不高，操作復雜，智能化低等諸多缺點：一是系統智能化水平還不高，控制策略不夠完善，二是在故障自檢、遠程調控方面的技術還有待提高；三是存在安裝復雜、擴展性低、成本昂貴的問題。

正是由于存在的這些問題，為企業和開發者提供了更多的競爭和發展機遇。由重慶大學承擔的國家自然科學基金青年基金項目“高可靠大功率分布式諧振恒流LED驅動電源系統研究”提出一種新型的可以直接適用于工頻交流輸入的無源恒流LED驅動電源，可實現單位功率因數及輸出電流平均值恒定的功能。可靠性高，使用壽命長，無源元件可以回收利用，能夠滿足可持續照明電源的三大要求。但由于內部不含電解電容、有源開關及相關驅動、控制和輔助電源電路，即沒有考慮電源電磁兼容性（EMI濾波器）的設計，防浪涌、短路、過載、防雷等保護電路的設計。

吉林大學承擔的吉林省科技發展計劃項目重大專項“大功率LED照明燈散熱與光效研究及新產品開發”通過深入研究照明控制系統架構和無線通信技術，設計了適用于該系統的通信協議，提出了一種新的照明控制系統，可以對LED燈實施統一開關，對夜間照明系統和LED燈進行實時監控和管理，彌補了傳統監控系統的不足，有效節約電能消耗，具有遠程遙控和故障報警等功能。 但對于LED的智能調光控制功能遠達不到要求，智能調光裝置需進一步完善。同時系統不穩定。

將LED光源與智能照明相結合已成為照明控制系統發展的必然趨勢。國內雖然在智能照明控制系統研究方面上取得一定進展,但目前為止尚未出現一種較為完善的照明系統能夠滿足智能化的照明控制要求。

2 理論分析

本文通過深入研究LED智能照明控制系統通信技術，LED驅動電源技術和LED調光技術，開展LED智能照明層級式控制架構、區域節點控制器、智能調光裝置以及控制中心管理系統等關鍵技術及各功能模塊的配置與相應的軟硬件的研究與設計工作。

（1）分析LED多模式層級化智能照明控制系統的整體框架結構及管理通信模式，按結構功能模塊對各個模塊作功能需求分析；

（2）分析LED發光特性、伏安特性，建立具多路驅動能力的無電解電容串聯諧振恒流LED驅動電源理論模型，分析與系統仿真基于恒定導通時間控制的LED驅動電源模塊電路，確定AC/DC(PFC)+DC/DC的兩級驅動方案；

（3）分析LED調光技術，建立PWM調光的期望光度量、色度量與電流占空比之間的定量計算模型，利用Saber軟件對調光模型進行系統仿真,設計多模式數字調光的滑膜變結構的PWM智能恒流調光電路；

（4）對比分析現場總線、無線通信和電力線載波通信與其他通信方式的異同點，選擇LED智能照明控制系統通信組合方式，分級分層次構建控制系統通信鏈路；

（5）分析基于Z-Stack協議棧的操作系統，完成區域節點控制器、調光裝置應用程序的開發；控制中心軟件采用Visual Basic，數據庫采用Access，設計區域照明控制模式，優化控制系統相關參數。

3 技術路線

（1）首先分析LED多模式層級化智能控制系統的整體框架結構，對各個模塊提出功能需求（驅動電源、調光技術、通信方式）。

（2）分析LED發光特性、伏安特性，建立LED串聯諧振恒流電源理論模型，確定AC/DC（PFC）+DC/DC的兩級驅動方案，研制LED驅動電源原型機。

（3）根據恒流調光原理，采用開關穩壓器，選用PWM波設計恒流調光電路，制作實驗電路板測試，優化設計參數。

（4）分析LED調光芯片的輸入輸出端口特性，選用LM3409HV芯片制作低壓恒流調光電路，選用IRS2541芯片制作高壓恒流調光電路，并設計出LED智能調光裝置。

（5）針對不同通信方式的優劣勢，LED智能控制系統與區域節點控制器采用現場總線或GPRS鏈路，區域節點控制器與LED智能調光裝置采用電力載波通信或無線通信，實現雙向通信。

（6）采用基于ARM系列微控制器主板，設計區域節點控制器的軟硬件結構，設置其智能監控與管理方式。（7）建立整個智能照明控制系統的實驗平臺，進行實驗驗證，進一步檢驗設計方法的有效性。

4 研究展望

本文開展所依托的主要理論基礎——電磁學理論、電力電子技術和通信技術都是成熟的理論，且LED驅動電源技術、調光技術及LED照明控制通信技術的發展,為LED多模式層級化智能照明控制系統的研究奠定了一定的技術基礎；國內外科研機構也開展了相似的研究并取得了一定的成果，如吉林省科技發展計劃項目重大專項“LED照明燈散熱與光效研究及新產品開發”、澳大利亞邦奇公司開發Dynalite照明控制系統，這些研究的成果都為本研究的開展提供了良好的經驗積累和理論借鑒，國內外科學研究者們已進行了大量的研究工作并取得了較為矚目的成果。特別在LED驅動電源、調光技術、通信方式組合、抗干擾等方面。本研究期望針對上述問題進行更加深入研究，為實現具有工程實用價值的LED智能照明控制系統，提供先進的基礎研究理論與系統設計思路。

針對LED傳統照明控制節能效率低、控制方式單一、智能化低、擴展性差等問題，本文通過探索LED發光、伏安特性，分析基于恒定導通時間控制的LED驅動電源的模塊電路，建立具多路驅動能力的串聯諧振恒流LED驅動電源理論模型，構建LED恒流驅動電源原型機；分析PWM調光技術的幾何、光度、色度與電力約束條件，建立PWM調光的期望光度量、色度量與電流占空比之間的定量計算模型，設計多模式數字調光的滑膜變結構的PWM調光裝置；對比現場總線、無線通信和電力載波通信及其他通信方式的異同，分級分層構建控制系統通信鏈路；采用模塊化軟件結構，完成應用層程序和控制中心軟件開發等研究，擬開發出LED多模式層級化照明控制系統。期望實現多種照明模式控制，達到遠程監控LED的工作狀態，發現故障，通知用戶維修的目標，具節能效率高、智能化高、靈活性大等特點。本文同時對LED驅動電源、調光技術以及軟件編程奠定科學的理論基礎，為LED智能照明控制的應用提供有價值的、科學的思路。