LED智能控制技术的发展与趋势[1]

　　1 LED 智能控制技术概论

　　1.1 研究内容

　　LED 智能控制技术是通过网络连接到控制系统，利用智能客户端对灯光进行调控，改变灯光以符合场景舒适性的场景设置，调配出更舒适、安全、节能、健康及适宜的光环境。LED 是目前光源中最适合进行调节控制的光源，健康的智能照明是照明产业发展的新趋势。

　　智能控制照明系统利用先进电磁调压及电子感应装置，以公共照明 G-BUS 系统智能为平台，对供电进行实时监控与跟踪，自动平滑地调节电路的电压和电流幅度，改善照明电路中不平衡负荷所带来的额外功耗，提高线路功率因素，降低灯具和线路的工作温度，达到优化供电目的。

　　当前盛行的照明控制系统均基于现场总线(FCS)技术，按协议的开放性可分为封闭和开放两类。封闭协议有 Bus 和 Dynet;开放协议有 EIB、DALI、X-10 和 HBS。

　　(1)Bus 总线协议，采用一对双绞线(既提供总线设备工作电源、又传输总线设备信息)，总线设备之间能直接通信，无须通过中央控制器，支持线形、星形或树形结构但不支持环网结构。

　　(2)Dynet 总线协议，采用两对双绞线(一对双绞线提供 DC12V 总线设备工作电源、另一对双绞线用于传输总线设备信息)，基于 RS485 四线制的传输协议，只支持线形结构。

　　(3)EIB(European Installing Bus)总线协议，在欧洲占主导地位的楼宇和居家自动化标准。1999年，EIB 进入中国。

　　(4)DALI(Digital Addressable Lighting Interface)协议，是数字式可寻址灯光接口的缩写，它定义了控制装置与设备控制器之间的通信方式。DALI 协议以其实用性强、易于扩展、系统开发难度小及开发成本低等特点，在智能控制照明领域中具有一定优势。

　　(5)X-10 采用电力线载波技术，在北美取得了巨大的商业成功。应用该协议的产品无需布线，易用和价廉是其最大亮点。

　　(6)HBS 是日系企业推出的家庭网络协议。

　　1.2 技术原理与功能元素

　　1.2.1 技术原理

　　通过环境光检测，可在其它光源已提供充足照明时调暗照明灯，此外，通过检测环境光的颜色，能够调节 RGB 照明系统的颜色。通信功能则允许远程控制并将照明装置连接成中央网络。电能测量准确计算消耗的功率，为预测性维护提供系统洞察力。所有这些特性——环境光检测、通信、电能测量——将进一步节省能源，降低运营成本。

　　环境光传感器(ALS)检测到附近的光量,这些功能器件成为 LED 照明系统的“眼睛”，也是节约能耗的关键。当房间已经有充足的光亮时，照明完全没必要，系统可将照明灯调暗或完全关闭，降低功耗并延长了照明灯的寿命。ALS 的关键特性包括灯的流明、功耗监测以及 IR 和 UV 滤光，这些传感器必须安静地运行在系统中，不能消耗过大电能而破坏系统节能的初衷。好的 ALS 耗流达到 1μ A 以下，流明检测范围必须达到室外环境的典型流明范围 0.1lx-100 000lx，一般可满足大多数应用要求。考虑到系统可靠性，可能有必要采用略大的范围。IR 和 UV 滤光可消除实际系统中不可见光的光谱。

　　1.2.2 功能元素

　　(1)智能 LED 光检测功能

　　环境光传感器必须避开照明灯本身的光线照射，避免对环境光测量的影响。该设计中，ALS 位于独立的电路板上，处于照明灯主体的阴影下，这种设计使 ALS 能够在检测到环境光超过预设值时，系统将关闭照明灯。RGB 传感器甚至能够为照明应用增加更多“功能”。类似于图 1 带有 RGB 和 ALS 的 LED 照明系统能够动态调节灯颜色输出，以满足特殊的应用需求，例如舞台情景照明或商业展示。

　　图 1：ALS 安装处于照明灯主体的阴影下避免传感器读取本身光强

　　(2)LED 智能通信

　　通过将照明灯组网，即可通过网络控制灯的开、关及调光，这种操作将降低能耗。通信也为断电、维护和应急提供快速反馈，该智能通信将节省总体系统维护成本。无线和有线通信能够在不同环境下很好地工作，取决于网络规模和拓扑。无线比较适合于小型室内以及大型室外应用，后者需要具有连续视线、可用的频带以及裕量足够的传输功率。电力线通信(PLC)是利用现有电力线实现通信，PLC 非常适合于大型市政类照明系统、隧道、室内停车场等由于物理位置或建筑墙壁的原因而无法利用自然光的环境。所有通信引用中，可靠性是关键所在，如果通信发生故障系统就毫无益处。

　　无线应用中，信号传输方式可能是 WiFi、ZigBee 或其它，往往属于但不仅限于工业、科学和医疗(ISM)射频的标准协议。限制功耗提供了网络灵活性，如果端点使用电池时则至关重要。图 2 所示是一种独特的应用，其中照明灯开关上配备有能量收集射频(RF)收发器。系统收集用于启动开关的能量，产生可使用的直流电压，支持照明灯具的无线电通信(1GHzRF)。只要信号能够覆盖光源，该开关可置于房间内的任何地方。无需连接照明开关，应用设计更灵活及照明控制更可靠。

　　图2：楼宇自动化应用照明开关具有收发器用以控制 LED 照明

　　PLC 照明控制方法利用现有的供电线路不失为高性价选择，由于通过维护很好的现有供电线路实现通信，PLC 避免了如共用通信频率、恶劣天气时的性能及网络维护等许多麻烦。其范围、速度和可靠性是设计PLC 的关键。

　　电力线的噪声极大影响系统通信的可靠性，G3-PLC 通信是一种基于 OFDM 的新型 PLC 标准，可实现电力线的可靠通信。该标准支持高达 300kbps 的速度、网状组网以及高噪声环境下的可靠模式，非常适合 LED控制网络。基于 OFDM、PLC 控制的照明网络类似于现有的 G3-PLC。

　　图3：采用 PLC 的市政路灯网络示例

　　图3 所示为 NyxHemeraTechnologies 公司用于道路照明的 PLC 装置，该系统节约 25%的电能及维护成本降低了 30%。该大型设施系统支持最多 1022 盏照明灯，其通信距离长达 3km。

　　(3)智能 LED 照明电能测量功能

　　智能 LED 照明还需具备电量计算能力，从智能电表到电压控制器再到电动汽车充电器，每个智能电网装置都具有电能测量功能，实时为电力公司和用户提供准确的用电量信息。发回耗电量的大多数照明装置提供关于建筑及市政照明环境的详细信息，可确保电力公司收费与用户的实际耗电一致。通过调光或在不使用时关闭照明灯，及时和准确地响应用户需求。此外，特定照明灯的耗电波动说明需要进行系统维修、维护或更换。毫无疑问，许多照明灯处于难触及的区域，优化维护可节省费用。为生成智能电网中的有用数据，电能测量设计必须在较宽的电流范围保持高精度测量。不仅如此，限制或消除校准时间也会降低总体系统成本。图 4 所示为一种灵活的 LED 照明设计，具有电能测量功能，电能测量芯片也提供系统调光和DALI 接口。

　　图4：完整的具有电能测量功能的智能 LED 照明系统

　　目前许多城市安装了非智能 LED 照明灯，这为改善 LED 照明设施性能的集成模块提供了巨大的商机。为实现可升级，这些系统需要连接到智能照明系统，如果 LED 的成本和容量一定，简单更换相对较新和效率较高的 LED。简单接口例如 DALI 允许将来增加 ALS、通信和电能测量功能。

　　1.3 技术特点

　　(1)智能化：具有信息采集、传输、逻辑分析、智能分析推理及反馈控制等智能特征的控制系统。

　　(2)可接入各种传感器对灯光进行自动控制。

　　(3)时间控制：某些场合可以随上下班或需求时间进行调整亮度。

　　(4)系统集成：是集计算机技术、计算机网络通信技术、自动控制技术、微电子技术、数据库技术和系统集成技术于一体的现代控制系统。

　　(5)系统联网：利用上述控制手段进行综合控制或与楼宇智能控制系统联网实现系统联网。

　　(6)系统可控制任意回路连续调光或开关。

　　(7)使用方便：由于各种控制信息可以以图形化的形式显示，所以控制方便，显示直观，并可以利用编程的方法灵活改变照明效果。

　　(8)场景控制：可预先设置多个不同场景，场景切换时可多种变换模式淡入或淡出。

　　(9)移动传感器：对人体红外线检测达到对灯光的控制。如人来灯亮，人走灯灭(暗)。

　　(10)光亮照度传感器：对某些场合可根据室外光线的强弱调整室内光线，如学校教室的恒照度控制。

　　(11)红外遥控：可用手持红外遥控器对灯光进行控制。

　　(12)可由声、光、热、人及动物的移动检测达到对灯光的控制。

　　(13)网络化：传统照明控制大都是独立的、本地的或局部的系统，不需要利用专门的网络进行连接，而智能照明控制可以是大范围的控制系统，需要包括硬件技术和软件技术的计算机网络通信技术支持，以进行必要的控制信息交换和通信。

　　2 LED 智能控制技术的应用现状

　　LED 照明使世界变得更节能，同时 LED 灯通信和控制方式结合的智能照明会更加便捷及可控。LED 灯可以通过光线传输网络信号、控制信号和发出调制过的信号，完成信息和指令的传输。除了连接网络外，LED灯还能充当各种家用电器的指挥官。

　　可通过计算机网络对整个智能控制系统进行监控，例如了解当前各个照明回路的工作状态、设置及修改场景、当有紧急情况时控制整个系统及发出故障报告。 可通过网关接口及串行接口与大楼的 BA 系统、消防系统或保安系统等控制系统相连接, LT-net 智能照明控制系统通常由调光模块、开关功率模块、场景控制面板、传感器、编程器、编程插口及 PC 监控等部件组成，将各种具备独立控制功能的模块连接在计算机数据线上，即可组成一个独立的照明控制系统，实现对灯光系统的各种智能化管理及控制。

　　在硬件方面，采用 ZigBee 无线技术，并结合 GPRS(或 3G/4G)技术，实现近距离操作、远距离 GPRS 操控或远近结合的通信模式，可以身在千里之外，犹若尽在咫尺之间。在软件方面，高度集成于可扩展的功能，基本需求(灯具开关)、扩展需求(电流、电压、功率因素检测)及创新需求(单灯控制、多灯联动、调光调色)灵活组成，既满足照明需求，同时又能扩展更多的功能带来更好的用户体验。

　　2.1 应用类别

　　智能控制照明技术在确保灯能够正常工作的前提下，对灯输出一个最佳的照明功率，可减少照明眩光，使灯光所发出的光线更加柔和及照明分布更加均匀，又节省电能 20%-40%。智能控制照明技术适应性强，可在照明及混合电路中使用，也能在各种恶劣的电网环境和复杂的负载情况下连续稳定地工作，同时还将有效地延长灯具寿命和减少维护成本。

　　2.1.1 点(灯)控制型

　　点(灯)控制就是指可以直接对某盏灯进行控制的系统或设备，早期的照明控制系统和家庭照明控制系统及普通的室内照明基本上都采用点(灯)控制方式，这种控制方式仅使用一些电器开关、导线及组合就可以完成灯的控制，是目前使用最为广泛和最基本的照明控制，也是照明控制系统的基本单元。

　　2.1.2 区域控制型

　　区域控制照明系统，是指能在某个区域范围内完成照明控制的系统，特点是可以对整个区域范围内的所有灯具按不同的功能要求进行直接或间接的控制。由于照明控制系统在设计时基本上是按回路容量进行的，即按照每回路进行分别控制的，所以又叫做路(线)控型照明系统。

　　一般而言，路(线)控型照明系统由控制主机、控制信号输入单元、控制信号输出单元和通信控制单元等组成。主要用于道路照明控制、广场及公共场所照明、大型建筑物、城市标志性建筑物、公共活动场所和桥梁照明控制等应用场合。

　　2.1.3 网络控制型

　　网络控制型照明系统通过计算机网络技术将许多局部或小区域内的照明设备进行联网，从而由一个控制中心进行统一管理的照明控制系统。在照明控制中心内，由计算机控制系统对控制区域内的照明设备进行统一的控制管理，网络控制型照明系统一般由硬件控制系统(服务器、计算机工作站、网络控制交换设备)和照明控制软件(数据库、控制应用等)两大部分组成。通过控制信号传输系统完成照明网络控制系统中有关控制信号和反馈信号的传输，从而完成对控制区域内的照明设备进行控制。

　　网络控制交换设备实际上是对一定控制区域的若干小区域的照明控制系统(设备)进行联网控制，区域照明控制系统(设备)是整个联网控制系统的一个子系统，它既可以作为一个独立的控制系统使用，也可以作为联网控制系统的终端设备使用。

　　通过整个照明控制系统要完成对每盏灯的控制，灯的控制设备安装在每盏灯上，并可以通过远程控制信号传输单元与照明控制中心通信，从而完成对每盏灯的有关控制(如开/关、调光控制)，并可以通过照明控制中心对每盏灯的工作状态进行有关监控，从而完成对每盏灯的控制。