智能LED照明系統(tǒng)與傳感技術(shù)介紹
來源： 作者： 時(shí)間：2012-10-09 瀏覽次數(shù)：
靈創(chuàng)科技照明專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)各種LED燈具，產(chǎn)品系列有：LED點(diǎn)光源,LED洗墻燈,LED數(shù)碼管,LED輪廓燈,LED投光燈,LED硬燈條,LED貼片數(shù)碼管,LED貼片點(diǎn)光源等，做過國內(nèi)外許多大型LED工程項(xiàng)目，歡迎選購及洽談合作！網(wǎng)址：klfm688.net.cn 電話：18988597052 QQ：1284965700
LED照明正在向智能化方向發(fā)展，LED照明智能化目的是為了更好的節(jié)省能源和實(shí)現(xiàn)智能控制，LED照明技術(shù)的智能化需要將傳感技術(shù)、信號(hào)智能處理技術(shù)、電子控制執(zhí)行技術(shù)整合在一個(gè)系統(tǒng)里，LED光源模組的點(diǎn)亮還需要用直流恒流電源驅(qū)動(dòng)。本文將圍繞智能LED照明簡述幾種智能LED照明系統(tǒng)及傳感技術(shù)，以及光敏傳感器、熱釋電紅外傳感器、菲涅爾透鏡、信號(hào)放大處理和控制電路，紅外自控LED節(jié)能燈具系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
智能照明控制系統(tǒng)
智能照明控制系統(tǒng)通?？梢苑譃槿悾阂皇鞘覂?nèi)智能照明系統(tǒng)—適用于商業(yè)照明、居家照明;二是室外智能照明系統(tǒng)—適用于景觀照明、公共建筑和道路系統(tǒng)照明;三是專業(yè)智能照明系統(tǒng)—適用于特定場所藝術(shù)照明。
目前，應(yīng)用機(jī)會(huì)比較多的智能照明控制系統(tǒng)是景觀照明、公共建筑和道路系統(tǒng)照明，它們大多數(shù)是多燈智能網(wǎng)絡(luò)控制照明系統(tǒng);居家照明是室內(nèi)智能照明控制系統(tǒng)，大多數(shù)是智能單燈自動(dòng)控制。
簡單的智能LED照明系統(tǒng)
簡單的智能LED照明系統(tǒng)如圖1所示。它由傳感器+MCU+控制執(zhí)行+LED(包括LED光源、驅(qū)動(dòng)電源)組成。特別適合于室內(nèi)智能照明單燈。
傳感器的主要功能是采集各種有用信號(hào)，將非電量信號(hào)變換成電量信號(hào)，將微弱信號(hào)進(jìn)行放大。目前適用于LED智能照明的傳感器有紅外線傳感器、超聲波傳感器、光敏傳感器、照度傳感器、聲敏傳感器、霍爾傳感器。它們能自動(dòng)的收集人體的活動(dòng)信息、光線的明暗變化的信息、聲音響度變化的信息、物體位移的信息。將這些非電量信號(hào)變換成電量信號(hào)，經(jīng)智能處理后，就能對(duì)照明燈具進(jìn)行自動(dòng)控制，開啟或關(guān)閉LED照明燈具。適用于LED照明用的傳感器大多是用微電子技術(shù)設(shè)計(jì)、制造的，如MEMS等，因其體積小容易與LED光源和驅(qū)動(dòng)電源配置在一個(gè)燈具單元里。MEMS可以像集成電路那樣大批量生產(chǎn)，成本低廉。
傳感器輸出的電信號(hào)十分微弱，需要對(duì)小信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，因此需要信號(hào)調(diào)理處理器，智能信號(hào)處理包括模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、多工器(MUX)、可編程增益放大器(PGA)、電壓基準(zhǔn)(REFERENCE)、激勵(lì)電源(EXCITATIONS)，甚至嵌入微處理器(MCU、ASIC)、存儲(chǔ)器(RAM、E2PROM)等單元，它們采用集成電路的技術(shù)制造。這種信號(hào)預(yù)處理器可作為輸入信號(hào)調(diào)理前端與MCU做成一體。MEMS制程工藝與集成電路完全不同，因此不能與集成電路做在同一晶圓上。但是可以將MEMS和MCU采用片上系統(tǒng)(SOC)技術(shù)封裝在一個(gè)單元的模塊內(nèi)。
MCU或ASIC對(duì)采集的信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行智能化處理，可以在生產(chǎn)時(shí)用軟件寫入一些智能程序。以便產(chǎn)品在使用時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)這些既定功能。
電子控制執(zhí)行部分是智能處理結(jié)果實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)操作系統(tǒng)，在智能照明應(yīng)用中，一般它直接控制電源的電子開關(guān)，控制LED光源的點(diǎn)亮或熄滅。需要遠(yuǎn)程控制或集團(tuán)控制的，還可加入Zigbee、WLAN、TCP/IP、WiFi等無線通訊的芯片，將控制信號(hào)遠(yuǎn)距離傳送、遙控。
圖1 簡單的智能LED照明系統(tǒng)
MEMS傳感器與智能MCU封裝在一個(gè)SOC單元里的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。將物理量、化學(xué)量、生物量的MEMS傳感器與帶傳感器信號(hào)調(diào)理的MCU封裝在一個(gè)SOC中可方便設(shè)計(jì)智能照明燈具的使用(圖2)。ASIC具有強(qiáng)大的功能，可以輕松的完成傳感器送來的小型號(hào)處理和轉(zhuǎn)換，推動(dòng)控制執(zhí)行動(dòng)作。
圖2 MEMS與智能MCU的SOC
七八年前汽車電子產(chǎn)品----自動(dòng)胎壓報(bào)警系統(tǒng)(TPMS)用的、放置在汽車輪胎內(nèi)的傳感模塊，就是由MEMS的壓力、加速度、溫度傳感器與ASIC芯片封裝在一個(gè)SOC中，圖3右下就是這個(gè)模塊去掉封裝塑料后內(nèi)部窺視圖，可見壓力傳感器、加速度傳感器和MCU(ASIC)封裝在一個(gè)SOC單元里?！?/p>
圖3 TPMS的SOC模塊
單燈的智能照明控制系統(tǒng)
單燈的智能照明控制系統(tǒng)必須做得十分緊湊，才能放入空間有限的燈具里面。智能照明的單燈需要有一個(gè)收集外界信息的傳感器、一個(gè)帶信號(hào)處理的MCU、一個(gè)電子開關(guān)、一個(gè)AC/DC的恒流電源、一個(gè)LED光源板(圖4)。設(shè)計(jì)一個(gè)單燈的智能照明控制系統(tǒng)的燈具，必須首先確定應(yīng)用目標(biāo)，才能決定選用哪一種傳感器。
圖4 單燈的智能照明控制系統(tǒng)
帶紅外傳感器的LED照明燈具如圖5所示，這款帶紅外傳感器的LED照明燈具 ，采用E27標(biāo)準(zhǔn)螺口燈頭的燈具，它的電源適用范圍是 AC180V-250V (50/60Hz)， 紅外傳感器檢測范圍大約在3M—15M，它的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 IFS-Bulb 3W燈具達(dá)80 lm ，5W燈具達(dá)140 lm 。隨著LED的光通量提高，目前產(chǎn)品可達(dá)300-450lm。從圖5可見在LED光源模塊的中央部分嵌入紅外線傳感器。一旦紅外傳感器檢測到人的體溫，LED光源將會(huì)在50秒內(nèi)自動(dòng)開啟，然后延遲一定時(shí)間關(guān)閉。適用于任何一種室內(nèi)應(yīng)用，如走廊、儲(chǔ)藏室、樓梯和大廳入口處。
圖5 帶紅外傳感器的LED照明燈具
紅外自控LED節(jié)能燈具系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)思路
具體的紅外自控LED節(jié)能燈具產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)思路，應(yīng)依據(jù)信號(hào)采集和處理的路徑，設(shè)計(jì)各功能部分，整體上滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目標(biāo)。紅外傳感器輸出的信號(hào)很小，必須加以放大才能使用，因此紅外自控LED節(jié)能燈具系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)思路如圖6所示，將紅外傳感器的微弱信號(hào)通過一個(gè)四運(yùn)放(LP2902M)的儀表放大器放大和比較，經(jīng)CD4538多諧振蕩器組成的計(jì)時(shí)器電路，再經(jīng)一大功率三極管驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)LED電源的開閉，由LED驅(qū)動(dòng)電源去點(diǎn)亮燈具中的LED光源或LED光源陣列。電原理圖如圖7所示。
圖6 紅外自控LED節(jié)能燈具產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)思路
圖7 紅外自控LED節(jié)能燈具系統(tǒng)方案電原理圖
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紅外傳感器與菲涅爾透鏡
紅外傳感器是一種熱釋電紅外傳感器，它是用具有熱電性能材料做成的熱探測器，可能是產(chǎn)業(yè)界用得比較多的紅外傳感器之一。
紅外熱釋電傳感器信號(hào)產(chǎn)生原理示意如圖8，傳感器表層溫度無變化時(shí)敏感元電荷保持平衡T [K]，當(dāng)接收外界紅外輻射，表層溫度即發(fā)生變化，敏感元隨之變化，T+?T [K]。也即由于外界的紅外輻射而引起傳感器敏感元表層溫度變化時(shí)，紅外傳感器才釋放出電荷(電流);當(dāng)溫度變化趨于穩(wěn)定，內(nèi)部電荷就趨于平衡，敏感元就沒有電荷(電流)產(chǎn)生，對(duì)靜止的熱源體沒有電流輸出。利用紅外傳感器這一特性，可以及時(shí)檢測運(yùn)動(dòng)的紅外熱源，如人類的走動(dòng)。紅外傳感器是一種被動(dòng)型溫度敏感器件，對(duì)應(yīng)用環(huán)境溫度不苛求，靈敏度高，光譜響應(yīng)寬。可廣泛用于各種紅外入侵探測器、照明燈具的自動(dòng)感應(yīng)開關(guān)。
紅外熱釋電傳感器的外形如圖9-1所示，圖9-2是傳感器的電原理圖，圖9-3是傳感器的典型應(yīng)用圖。上海尼賽拉傳感器有限公司在上海、昆山大批量生產(chǎn)紅外傳感器，為國內(nèi)外提供高品質(zhì)的穩(wěn)定貨源。
圖8 紅外熱釋電傳感器信號(hào)產(chǎn)生原理示意
紅外熱釋電傳感器的成功應(yīng)用需借助于菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡在紅外熱釋電傳感器前具有聚焦和視角調(diào)制的作用，菲涅爾透鏡可擴(kuò)大紅外熱釋電傳感器接收紅外信號(hào)源的視角和探測區(qū)域，因此可以監(jiān)視運(yùn)動(dòng)中的紅外源或移動(dòng)熱源(圖10)。菲涅爾透鏡一般種類有：水平多分割式(或稱水平幕簾式、特殊應(yīng)用)、垂直多分割式(或稱垂直幕簾式、特殊應(yīng)用)、水平垂直分割式(常用)、圓錐多區(qū)分割式(頂視式、常用)等數(shù)種，應(yīng)按不同燈具的產(chǎn)品功能需要來選用。菲涅爾透鏡是由專業(yè)廠家制作的，有專門的光學(xué)設(shè)計(jì)，經(jīng)專用模具壓制的特種塑料零件。
圖10 菲涅爾透鏡與紅外熱釋電傳感器
光敏傳感器與光敏電阻的原理
光敏傳感器是一種光敏二極管，是將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件。它的核心部分也是一個(gè)PN結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接受入射光照，PN結(jié)面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米。 應(yīng)用時(shí)需要有一個(gè)與環(huán)境光接觸的窗口。當(dāng)光線有明暗變化時(shí)，PN自動(dòng)導(dǎo)通或關(guān)閉(圖11)
圖11 光敏傳感器電原理
圖12 光敏傳感器和光敏電阻
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與光敏傳感器工作原理類似的還有光敏電阻，工作原理都是一樣的，都可以用來采集光線明暗變化的信號(hào)，作為光線傳感器來用，實(shí)物如圖12。
室外智能照明系統(tǒng)方案
室外智能照明系統(tǒng)泛指景觀智能照明、公共建筑和道路系統(tǒng)智能照明。智能照明控制技術(shù)是隨著建筑和照明技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，利用了先進(jìn)的電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)照明進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)節(jié)，以節(jié)省能源;操縱多個(gè)電路去創(chuàng)造特定的視覺效果。照明不僅僅是滿足人們視覺上明亮的要求，還要滿足藝術(shù)性要求，調(diào)整燈光來改變一個(gè)空間的感覺。照明控制的作用 ：節(jié)能、延長光源壽命、提高照明質(zhì)量、多種照明效果。照明控制原則：安全、可靠、靈活、經(jīng)濟(jì)。
圖13 國家體育場—鳥巢LED燈光控制系統(tǒng)架構(gòu)示意圖
圖14 一種樓宇LED智能照明網(wǎng)絡(luò)方案
智能LED照明系統(tǒng)小規(guī)模應(yīng)用時(shí)可以單獨(dú)使用，例如商場、辦公室等場所。也可以大范圍并網(wǎng)控制，例如酒店、樓宇、景觀等。組網(wǎng)形式簡單、靈活，新增加的燈具可以隨時(shí)接入已有的網(wǎng)絡(luò)，無須改變?cè)瓉淼慕Y(jié)構(gòu)，方便LED在各領(lǐng)域的應(yīng)用。通過遙控器、控制面板、液晶觸摸屏可以方便地管理一定范圍內(nèi)所有的LED燈具實(shí)現(xiàn)無線控制、場景控制;徹底改變傳統(tǒng)一組開關(guān)控制一組燈光的模式，提高LED燈的數(shù)字化管理和網(wǎng)絡(luò)化管理。北京國家體育場鳥巢LED燈光控制系統(tǒng)架構(gòu)示意圖就是一個(gè)智能照明多網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)控制實(shí)例(圖13)。一種樓宇LED智能照明網(wǎng)絡(luò)方案如圖14，智能控制系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)和Zigbee無線通信方式智能控制樓宇中各個(gè)房間的LED照明燈具開關(guān)和調(diào)光。因室外智能照明系統(tǒng)技術(shù)涉及內(nèi)容很多、范圍很廣，需要分門別類詳述，本文在此暫不做具體介紹
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