智能可調(diào)節(jié)LED燈節(jié)能控制的開發(fā)

楊盛

[摘 ? ?要]LED燈是照明技術(shù)發(fā)展的重要成果，特別是在低碳經(jīng)濟背景下，其利用價值不斷升高。針對LED節(jié)能性與智能控制問題，簡述了LED燈的幾類基本熱性，給出了一種自然光可調(diào)LED智能節(jié)能燈的設(shè)計方法。最后，結(jié)合人工智能技術(shù)、新材料技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展情況對未來LED智能節(jié)能燈的研究趨勢進行了探討。

[關(guān)鍵詞]LED節(jié)能燈;智能控制;發(fā)展趨勢

[中圖分類號]TP273 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]LED lights are an important result of the development of lighting technology， especially in the context of low-carbon economy， their utilization value is constantly increasing. Aiming at the problems of LED energy-saving and intelligent control， firstly， the basic thermal properties of LED lamps are briefly described， and secondly， a design method of natural light adjustable LED intelligent energy-saving lamps is given. Finally， combined with the development of artificial intelligence technology， new material technology， and data processing technology， the future research trend of LED smart energy-saving lamps is discussed.

[Keywords]LED energy-saving lamps; intelligent control; development trend

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)水平不斷提高，LED燈的應(yīng)用愈加廣泛，特別是隨著技術(shù)不斷提升，LED燈的能耗更低，照明亮度也更強，通過引入智能控制模塊，使得LED照明設(shè)備能夠在更多的場景應(yīng)用。利用LED光亮度可調(diào)光的特性，能夠根據(jù)環(huán)境實際需求讓照明趨于智能化、節(jié)能化。傳統(tǒng)的照明設(shè)備大都存在功能單一、能耗偏大、調(diào)光線性能力差等缺陷，人們在這種照明條件下長期工作生活會對注意力、精神狀態(tài)產(chǎn)生不良影響，特別是一些藝術(shù)活動區(qū)域，如光線變化不協(xié)調(diào)導(dǎo)致繪畫創(chuàng)作者對色度的判斷出現(xiàn)錯亂，降低了作品的完成度。智能可調(diào)節(jié)LED燈基于對人們需求、環(huán)境變化信息的捕捉主動進行光照強度的調(diào)節(jié)，使照明遵循最低耗能、最佳適用原則進行動態(tài)平順調(diào)整，進而提高照明質(zhì)量。近年來，針對LED燈智能調(diào)節(jié)節(jié)能控制的研究涌現(xiàn)出越來越多的成果，一些理論已經(jīng)被成功應(yīng)用到實際場景當(dāng)中，例如基于人機交互的照明節(jié)能控制系統(tǒng)，能夠讓用戶直觀快速地獲得照明系統(tǒng)實時的情況，根據(jù)這些信息選擇手動或自動的方式進行調(diào)整，如果配合一些語音識別、面部捕捉等技術(shù)，便可以進一步達成智能化控制的目標(biāo)。基于此，本文將展開詳細的討論，并給出一種自然調(diào)光的LED燈設(shè)計方法。

1 LED燈的特點

1.1 節(jié)能性

在電能消耗的數(shù)據(jù)上來看，相同照明需求條件下，LED燈只有白熾燈的1/10，只有節(jié)能燈的1/4。可見，優(yōu)異的節(jié)能性是LED燈的顯著特點之一。當(dāng)前，隨著人們對生態(tài)環(huán)保觀念的不斷加深，為了降低能源消耗，減少污染，使得LED燈的節(jié)能應(yīng)用愈加受到歡迎。

1.2 可在高速開關(guān)狀態(tài)工作

生活中，高速開關(guān)狀態(tài)下工作的LED燈非常常見，例如街道兩邊大型的廣告牌，其展示的內(nèi)容變化流暢而多樣。這便得益于LED燈具有良好的高速開關(guān)工作性能，相比之下，傳統(tǒng)的白熾燈就沒有這樣的能力，在高頻次開關(guān)下還很容易燒毀白熾燈。

1.3 環(huán)保

與白熾燈不同，LED燈內(nèi)部發(fā)光材料沒有重金屬等材料，在發(fā)光過程中不會揮發(fā)有毒物質(zhì)，同時，在生產(chǎn)加工中，其有害副產(chǎn)物也很少，因此LED燈具有良好的環(huán)保性能。在當(dāng)前環(huán)保意識不斷增強的社會，人們對LED燈的使用比較更加廣泛。

1.4 響應(yīng)速度快

LED燈還有一個突出的特點，就是響應(yīng)的速度比較快。只要一接通電源，LED燈馬上就會亮起來。對比平時使用的節(jié)能燈，其反應(yīng)速度更快，在打開傳統(tǒng)燈泡時，往往需要很長的時間才能照亮房間，在燈泡徹底的發(fā)熱之后，才能亮起來。

1.5 LED燈比其他光源更“干凈”

這里的“干凈”不是指傳統(tǒng)意義上的設(shè)備表面潔凈程度等，而是指冷光源的LED燈由于散發(fā)的熱量較少，所以不會吸引大量的昆蟲圍繞，特別是在一些植被茂密的地區(qū)，傳統(tǒng)的白熾燈在夜間往往被大量蚊蟲吸引，給人們帶來很多不便，而LED燈則可以很好地避免這些問題。也正是如此，所以LED等表面很少會粘附蚊蟲排泄物、蟲卵等臟物，使設(shè)備長期保持干凈。

2 自然調(diào)光LED節(jié)能燈

基于智能可調(diào)節(jié)LED燈節(jié)能控制的思路，研究了一種自然調(diào)光LED節(jié)能燈，具體方案如下。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

通過結(jié)合K-means聚類分析算法，以STC89C51平臺為基礎(chǔ)進行自然調(diào)光LED節(jié)能燈的設(shè)計開發(fā)。為了提升系統(tǒng)對環(huán)境的感知能力，相應(yīng)的配備光線探測器、人體傳感器。其中，周圍環(huán)境的探測由傳感器完成，數(shù)據(jù)處理中心利用接收到的環(huán)境量化數(shù)據(jù)進行綜合分析，節(jié)能LED燈光系統(tǒng)依據(jù)用戶的實際需求完成智能調(diào)節(jié)。為了避免系統(tǒng)被電磁干擾，設(shè)計相互獨立的系統(tǒng)控制器電路與驅(qū)動器電路，控制器借助PWM波對MOS管開關(guān)進行實時控制進而驅(qū)動LED燈照明。為了最大程度地縮減硬件成本，降低LED燈功率消耗，同時保證用戶需求，智能控制器應(yīng)當(dāng)具備以下能力。

（1）智能調(diào)節(jié)。LED照明系統(tǒng)啟動后，能夠?qū)χ苓吙諝馔该鞫?、環(huán)境亮度進行實時檢測，將用戶對環(huán)境光強度的需求變化信息進行數(shù)字量化處理，系統(tǒng)基于智能算法對用戶習(xí)慣進行“學(xué)習(xí)”，在各個時間段智能控制器將結(jié)合先驗知識對燈珠亮度進行自動調(diào)整。

（2）非線性調(diào)光。通過一系列智能處理后，控制系統(tǒng)通過非線性控制算法調(diào)整燈珠亮度，使環(huán)境亮度變化更加舒適，更符合人體視覺接受程度，避免因光照亮度突增突減引起視覺疲勞和精神不振。非線性調(diào)光能夠盡可能地模擬自然光，營造自然的視覺體驗。

（3）自動節(jié)能。傳統(tǒng)燈具在使用過程中，往往會由于使用者忘記關(guān)閉或其他原因?qū)е码娔艿睦速M。智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以對用戶狀態(tài)進行監(jiān)測，當(dāng)使用者離開光源時，自動降低照明亮度，使其僅維持在能夠識別物體輪廓的程度，當(dāng)使用者長時間不在時，則自動斷開電路，從而實現(xiàn)自動節(jié)能。

（4）主動調(diào)節(jié)與數(shù)據(jù)顯示。為系統(tǒng)配置主動微調(diào)開關(guān)，從而使用戶能夠在智能調(diào)節(jié)基礎(chǔ)之外，依據(jù)特殊需求對照明亮度及燈光色溫進行手動調(diào)整，提升了LED燈的應(yīng)用范圍。另一方面，系統(tǒng)配置相應(yīng)的顯示裝置，將燈光亮度、色溫在OLED顯示屏上全面展示出來，并給出推薦設(shè)定值，提升用戶的操作感。顯示屏幕與調(diào)節(jié)按鈕進行防水、防振處理，避免滲水損壞系統(tǒng)內(nèi)部元件。

（5）規(guī)避頻閃可視問題。借助51單片機控制定時器輸出高頻次的方波，在頻閃超過100次/s時，此時人體肉眼已經(jīng)看不清頻閃現(xiàn)象，既使頻閃頻率遠遠超過可視范圍為。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)分為控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)，由于兩者分離為系統(tǒng)的擴展提供了更多可能性。在這一設(shè)計中，控制系統(tǒng)的硬件部門主要由環(huán)境光感知器、主控芯片、人體探測傳感器組成，進行自動調(diào)整。主控制系統(tǒng)中的單片機為CMOS8，由ATMEL公司生產(chǎn)，單片機內(nèi)包含有運算速度8kbytes的Flash存儲器，能夠?qū)崿F(xiàn)反復(fù)擦除，便于對大量程序的處理。此外，由于單片機具有豐富的I/O接口，因此可以便捷地實現(xiàn)功能擴展?？刂葡到y(tǒng)的整體硬件框圖如圖1所示。

使用光敏電阻以及寬電壓LM393比較器共同組成YL-38環(huán)境光線檢測傳感器模塊。其中，光敏電阻的阻值在自然光線環(huán)境下能夠快速減小，靈敏度很高。YL-38環(huán)境光線檢測傳感器模塊包含兩個輸出端，既AO和DO，AO作為模擬電壓的輸出端，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，進而得到精確的環(huán)境光強度等級。DO輸出高低電平的數(shù)字信號，直接被單片機I/O口識別。利用紅外線人體感應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)對人體狀態(tài)行為的實時探測，根據(jù)紅外檢測情況判斷是否有人體靠近照明設(shè)備。模塊的感應(yīng)范圍如圖2所示。其中，最大感應(yīng)距離為5～7 m，感應(yīng)角度為100°，最大感應(yīng)角度下感應(yīng)距離為3～4 m。

顯示器采用0.96英寸、分辨率為128×64的四線制OLED屏。通信方式為I2C串行通信，使得顯示器與單片機的連接更簡單。為了解決由于單片機IO口的輸出電壓無法驅(qū)動大功率LED燈珠的問題，將大功率的驅(qū)動電路接入到系統(tǒng)主控制系統(tǒng)當(dāng)中。將基于MOS管的PWM控制開關(guān)作為驅(qū)動模塊，利用PWM波控制MOS管的導(dǎo)通與閉合狀態(tài)，進而實現(xiàn)供電電路的開啟和關(guān)閉控制。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件中的算法包含伽馬自然調(diào)光算法、色溫計算算法、K-means機器學(xué)習(xí)算法。軟件系統(tǒng)包括雙路占空比可調(diào)PWM輸出模塊和人體感應(yīng)節(jié)能系統(tǒng)等部分。主控系統(tǒng)啟動后，對環(huán)境光進行自動檢測，依據(jù)采集的數(shù)據(jù)用智能學(xué)習(xí)算法進行分析，得到期望值（用戶在各個時段對光照的需求程度），此后，利用伽馬自然調(diào)光系統(tǒng)推算出最佳調(diào)光曲線并轉(zhuǎn)換成PWM波占空比調(diào)節(jié)曲線，單片機依據(jù)調(diào)節(jié)曲線對PWM波的占空進行勻速調(diào)節(jié)，最終讓光源達到預(yù)想亮度。

3 發(fā)展趨勢

3.1 智慧控制

隨著人工智能的發(fā)展，照明技術(shù)與智能控制必將更加深入的結(jié)合，未來照明系統(tǒng)將從智能控制向智慧控制轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)意義上的智能區(qū)別在于，智慧可以被視為近乎擬人的模擬狀態(tài)，能夠?qū)κ挛锿瓿瑟毩⒌乃伎歼^程，針對特定問題快速、準(zhǔn)確、全面地給出解決方案。所以，智慧控制在很大程度上是高于智能控制等級的?？v觀人類工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)變革歷程，從最初的電氣化到控制智能化，再到智慧化。而照明技術(shù)也會呈現(xiàn)出相似的發(fā)展路徑。從智能到智慧并不只是簡單的一個字的改變，而是要讓控制系統(tǒng)向人一樣去主動思考問題，在學(xué)習(xí)過程中不斷積累知識，能夠在脫離

人們主觀意愿的控制下，自主達到用戶想要的結(jié)果。

3.2 意念控制

不久的未來，高度智慧化的照明系統(tǒng)從本質(zhì)上來講，其實質(zhì)已經(jīng)成為了人工智能系統(tǒng)，在很大程度上可以實現(xiàn)真正的“意念交互”。例如結(jié)合大數(shù)據(jù)構(gòu)建的“智慧家居云服務(wù)平臺”，人工智能系統(tǒng)將徹底代替用戶完成對照明系統(tǒng)的精細化控制，管理人們活動空間的燈光環(huán)境，實現(xiàn)人們主觀意識與光線感受上的“情投意合”。不過，“意念溝通”同樣要遵守基本的“協(xié)議”，人機互通的“意念信息”不可避免地要具備數(shù)據(jù)地址碼、數(shù)據(jù)完成碼、數(shù)據(jù)結(jié)束碼，機器意識并不是真正的意識，而是基于高度智能算法與超級計算機結(jié)合下的擬人大型運算機，在照明系統(tǒng)方面投入如此巨大的成本顯然是不切實際的，在未來，隨著大數(shù)據(jù)共享程度不斷深入，計算機共享機制不斷完善，在超強算力的基礎(chǔ)上，這些設(shè)想都將成為現(xiàn)實。

3.3 自由組網(wǎng)

未來，智慧化的照明控制系統(tǒng)將會在今天自由的傳輸介質(zhì)、自由化拓撲、無線通信網(wǎng)絡(luò)、動態(tài)組網(wǎng)、自動搜尋的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)真正意義上的自由組網(wǎng)。LED等大量的智能燈具將全都會嵌入智慧網(wǎng)絡(luò)接口，構(gòu)成智能家居系統(tǒng)。而無線的“智慧家居云服務(wù)平臺”將會全面受理接入的所有燈具，會按照你的“預(yù)想”指揮模塊組網(wǎng)，大量的智慧照明系統(tǒng)將具備“接入后不用管”的能力，甚至于人們無需再去思考關(guān)于設(shè)備接線、控制程序編寫等事由。隨著照明系統(tǒng)越來越復(fù)雜，其所蘊含的功能也會愈加強大，設(shè)備的使用也將變的“傻瓜化”，兒童都可能應(yīng)用自如，因為所有系統(tǒng)都是“一聲啟動”。

3.4 感官控制

聽覺是人們最直觀的感官體驗，但其實對于機器識別系統(tǒng)而言，聲音與圖像相對來講是最容易實現(xiàn)的方式。在未來，隨著量子計算機與生物計算機的問世，計算機運算速度將發(fā)生質(zhì)的改變，一些不能被傳統(tǒng)計算機所實現(xiàn)的高級算法將從理論走向?qū)嵺`，屆時，智慧系統(tǒng)甚至可以根據(jù)人體極度微妙的神態(tài)變化來判斷其照明需求，進而讓計算機與人腦形成“意識共同體”，將沉浸式感官控制變?yōu)楝F(xiàn)實。

4 結(jié)束語

LED燈對人們的日常生活的確具有重要影響，在生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的理念指導(dǎo)下，針對LED智慧節(jié)能燈的研究將更加深入。從智慧控制、意念控制、自由組網(wǎng)、自由燈光場景等層面思考提出了一些對未來LED照明系統(tǒng)發(fā)展方向的推測，希望對行業(yè)進步有所借鑒。

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