1、“LED+智能”照明系統(tǒng)與傳感技術(shù)闡述傳感技術(shù)配合“智能”照明進(jìn)行系統(tǒng)管理，從工作原理 硬件和軟件設(shè)計方案中體現(xiàn)傳感器在智能 LED 照明系統(tǒng)中擔(dān) 當(dāng)?shù)闹匾巧?。預(yù)測 LED 照明與更多傳感器及無線通訊技術(shù) 相融合得到廣泛應(yīng)用，讓人們感受更為舒適的光環(huán)境。 引言隨著人們生活水平的提高，具有色彩豐富的LED (lightemitting diode, LED)在家居照明、商業(yè)照明、公共照明和 景觀照明等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，各類傳感器和智能控制系統(tǒng) 在 LED 照明的二次節(jié)能中發(fā)揮的作用得到充分地體現(xiàn)，傳感 器在“LED +智能”照明系統(tǒng)中起到傳輸信息與交互的作用，有 效控制燈的照明時間實現(xiàn)節(jié)約能源

2、，也是實現(xiàn)智能控制的重 要一環(huán)。本文重點介紹“LED +智能”照明與傳感技術(shù)結(jié)合應(yīng)用 的方案特點，為了讓人們擁有舒適的光環(huán)境及可持續(xù)節(jié)約能 源，照明產(chǎn)品正由傳統(tǒng)單一的照明轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苷彰飨到y(tǒng)，各 種傳感器與 LED 照明產(chǎn)品匹配充當(dāng)智能控制系統(tǒng)的眼睛。例 如在公共照明領(lǐng)域， LED 路燈利用光敏傳感器根據(jù)白晝周期 實現(xiàn)光控，紅外傳感器采集人們的活動信息實現(xiàn)人走燈滅， 使我們的生活更加節(jié)能環(huán)保，“LED +智能”照明與傳感技術(shù)的 結(jié)合應(yīng)用將顛覆傳統(tǒng)照明概念。1、傳感技術(shù)概述人為了從外界獲取信息必須借助于感覺器官，在信息傳輸過 程中，首先要解決的就是獲取準(zhǔn)確及可靠的信息，傳感器 2(tra nsdu

3、cers )是獲取自然環(huán)境和相應(yīng)工作過程中信息的主 要途徑與手段。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7665 2005傳感器通用術(shù) 語定義傳感器為：能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成 可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組 成。11 典型傳感器(1)熱釋電紅外傳感器：熱釋電紅外傳感器( passivelnfrared ray)是將具備熱釋電材料做成的熱敏型紅外傳感器，可把透 過濾光晶片紅外輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕臒犭娹D(zhuǎn)換。其工作 原理如圖 1，探測器表層溫度沒有變化時，內(nèi)部電荷與表面 吸附電荷所中和，則探測器的溫度保持平衡T K。如果接 收到外部紅外輻射時，其溫度發(fā)生變化，敏感元則會有變化 T+T

4、K,即由外部紅外輻射引發(fā)探測器敏感元表層的溫 度變化時，傳感器會釋放出電流。當(dāng)溫度穩(wěn)定，內(nèi)部電流則 平衡，敏感元就無電流產(chǎn)生，對相對靜止的熱源體則無電流 輸出，通過利用熱釋電紅外探測器這一特征，可檢測到如人 運動的紅外熱源，此類傳感器是被動型的溫度敏感器件，對 應(yīng)用的環(huán)境溫度要求不高，靈敏度極高且光譜效應(yīng)寬，大量 應(yīng)用于照明行業(yè)。圖 1 熱釋電紅外探測器原理值得注意的是紅外熱釋電傳感器的應(yīng)用必須借助菲涅爾透 鏡(fresnel lens),菲涅爾透鏡為聚烯烴或玻璃制造的薄片, 薄片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，在 傳感器結(jié)構(gòu)中具有視角調(diào)制與聚焦的作用，可擴大探測器接 收信號源的

5、范圍，探測警戒線內(nèi)紅外能量的變化，監(jiān)視在運 動的紅外源或者移動熱源。菲涅爾透鏡與紅外熱釋電傳感器 配合應(yīng)用如圖 2，由系統(tǒng)固化軟件對采集的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析后傳輸給控制中心，并經(jīng)過邏輯分析并判斷是否發(fā)出控制 信號。圖 2 菲涅爾透鏡與熱釋電紅外探測器的應(yīng)用(2)光敏傳感器：光敏傳感器(photovaristor)即光敏二極管，是一種通過感知周圍光線并能將光信號變?yōu)殡娦盘柕陌?導(dǎo)體器件，通過部件光敏電阻利用半導(dǎo)體光電效應(yīng)形成電阻 值，可隨著入射光線的強弱改變電阻器的阻抗值，光亮度強 時則其電阻小，光弱則其電阻大。光敏傳感器常用于光的測 量、控制及光電轉(zhuǎn)換，另一部分 PN 結(jié)的結(jié)構(gòu)不同于普通二 極

6、管，為便于接入光線，PN結(jié)的面積會盡量做大和電極面積 做小，把PN結(jié)空穴做淺到小于1 pm。圖3為光敏傳感器工 作原理圖，在應(yīng)用時會有一個感應(yīng)環(huán)境光強弱的端口，當(dāng)光 線變化時， PN 會自動開關(guān)。通常路燈運用光敏傳感器實現(xiàn)天 黑時開燈及天亮后滅燈的功能，不需人工操作而實現(xiàn)光控模 式的典型應(yīng)用。圖 3 光敏傳感器電路(3)聲控傳感器：由聲音控制傳感器、音頻放大器、選擇 頻道電路、延時開啟電路及可控硅控制電路等組成的聲控傳 感器(microphone array)。以聲音對比結(jié)果來判斷是否要啟 動控制電路，用調(diào)節(jié)器給定聲控傳感器的原始值設(shè)定，聲控 5傳感器不斷地將外界聲音強度與原始值做比較，當(dāng)超過

7、原始 值時向控制中心傳達(dá)“有音”信號，聲控傳感器在樓道及公共 照明場所得到廣泛的應(yīng)用。(4)溫度傳感器：能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳 感器為溫度傳感器(temperature transducer)。由于LED燈具 散熱不佳而導(dǎo)致 LED 早期失效或光衰嚴(yán)重的很多，固照明產(chǎn) 品在結(jié)構(gòu)設(shè)計時廣泛采用溫度傳感器作為 LED 或控制裝置的 過溫保護(hù)裝置，在燈具的熱源處利用溫度傳感器來實時監(jiān)控 燈具的溫度，當(dāng)燈體溫度升高到上限值時，電路自動降低控 制裝置的輸出電流或關(guān)閉控制裝置使燈具降溫，當(dāng)溫度降至 設(shè)定下限值時自動調(diào)整控制裝置的輸出電流至額定值或重 新開啟，其工作原理見圖 4。-plOlF.W

8、WWT1廣東LEU-plOlF.WWWT1廣東LEU圖 4 NTC 過溫保護(hù)電路12“LED +智能”照明與傳感技術(shù) 6 物聯(lián)網(wǎng)是信息化應(yīng)用的熱點，每個需要識別和管理的物體或 場景都需要安裝與之對應(yīng)的傳感器來實現(xiàn)信息收集和傳遞。 圖5為“LED +智能”照明系統(tǒng)架構(gòu)圖，系統(tǒng)的設(shè)計首先是將傳 感器置入各應(yīng)用端，并編制照明回路的負(fù)載清單，使每路LED 燈的控制性質(zhì)保持一致，系統(tǒng)對回路的劃分根據(jù)管理需要進(jìn) 行分組及控制，構(gòu)建協(xié)調(diào)的管理模式及編制系統(tǒng)設(shè)備配置表 并設(shè)計好匹配的控制裝置，采用多模式控制與集成模塊架構(gòu) 的系統(tǒng)管理方案。佶號預(yù)處紅外線光轂M度堆HRAM徽勵電源R )M雀準(zhǔn)電壓佶號預(yù)處紅外線光

9、轂M度堆HRAM徽勵電源R.D/Ar*甦悸電江外傳憋措運聲放大器*1 I.D控制裝翼/離控傳感器圖6 “智能+ LED”照明控制架構(gòu)“LED +智能”照明系統(tǒng)的程序采用模塊化集成電路，以主程序 為的傳感器應(yīng)用軟件設(shè)計,在運行時通過主程序指令到子程 序的功能單元，對傳感器收集信息的處理及把指令傳達(dá)到終 端 LED 燈。2、“LED +智能”照明與傳感技術(shù)結(jié)合應(yīng)用21 智能照明的“利器”“LED +智能”照明系統(tǒng)由傳感器、微控制單元(MCU)、控制 執(zhí)行和 LED 燈組合而成，傳感器負(fù)責(zé)將多種信號采集并傳遞 的 一 種 電 子 器 件， 隨 著微 機 電 系 統(tǒng) ( M icro Electro

10、Mechanical System, MEMS)技術(shù)的日趨成熟，傳感器正向小 型化、多功能化、智能化及產(chǎn)業(yè)化同步發(fā)展。傳感器把采集到的物理量信息轉(zhuǎn)換成電信號，由A/D轉(zhuǎn)換器、MCU和D A 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行甄別及運算處理，以達(dá)到控制 LED 燈具的目 的，適用于“LED +智能”照明的傳感器有熱釋電紅外線傳感器、 光敏傳感器、聲控傳感器、超聲波傳感器和霍爾傳感器等各 類傳感器，并可在控制中心的 MCU 上設(shè)置不同的控模式， 實現(xiàn) LED 燈的開關(guān)時間、亮度調(diào)節(jié)及變換色彩的控制，可見 傳感技術(shù)是實現(xiàn)“LED +智能”照明的步，也是照明系統(tǒng)對環(huán)境 和管理信息收集的“利器”。22 商業(yè)照明“LED +智能

11、”照明結(jié)合傳感器在辦公場所、商場、樓宇、綜合 大樓及公共場所得到大量應(yīng)用，通過傳感器便可管理特定范 圍的全部 LED 燈，任意選擇無線遙控或現(xiàn)場控制方式，改變 傳統(tǒng)的一對一開關(guān)控制模式，提升了 LED燈在數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò) 化的系統(tǒng)管控能力。商業(yè)照明典型應(yīng)用總線協(xié)議(European Installing Bus, EIB)照明系統(tǒng)將管理區(qū)域內(nèi)LED燈通過組網(wǎng) 進(jìn)行系統(tǒng)管理的架構(gòu)如圖 7。管理中心將建筑群的照明及安 監(jiān)等事項進(jìn)行集中管理，把散布于各走道、房間、樓梯及門 庭等地方的熱釋電紅外線傳感器、光敏傳感器、聲控傳感器 或光敏傳感器收集的信息自動地連續(xù)采集，系統(tǒng)對由管理平 臺與網(wǎng)關(guān)傳到中央處理器進(jìn)

12、行運算處理，管理員可依據(jù)處理 后的信息進(jìn)行控制設(shè)定，把所有終端 LED 燈按需求實現(xiàn)分組 開關(guān)或調(diào)光控制，有效提升系統(tǒng)管理效率。 91I,k宅卩辿giJE茁荊為1I,k宅卩辿giJE茁荊為tf囲i評【m利工hiHi rM1捋制器I FI卞到玻/破碎報警器I圖 7 商業(yè)照明系統(tǒng)架構(gòu)23 植物工廠照明人類面臨食物、資源、環(huán)境和人口等問題的解決都與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)，植物可接收的太陽光能越來越少，因此，農(nóng)業(yè)照明用智能控制補光系統(tǒng)受到世界各國的廣泛重視。系統(tǒng)利 用傳感器對植物工廠環(huán)境中的溫度、濕度、光照、二氧化碳(C02)濃度及營養(yǎng)液等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并實時采集及傳輸信息到控制中心根據(jù)植物相應(yīng)“光配方”需

13、求對終端 LED 燈的 定時開關(guān)、調(diào)光和調(diào)色設(shè)置管理，起到對植物生長過程起到 保駕護(hù)航的作用。24 特殊應(yīng)用我國北方供暖消耗電能約占全年用電量的 20 ，整棟樓的 不間斷供暖是用電量高居不下的主要原因，利用傳感技術(shù)基 于人體跟蹤單點供暖與傳統(tǒng)中央供暖系統(tǒng)相比較，不同點在于其供暖是以定位到空間中的具體個體及人群，而不是傳統(tǒng) 中央供暖覆蓋整個空間。系統(tǒng)通過傳感器對需要供暖區(qū)域進(jìn) 行探測定位，指引 LED 燈發(fā)射紅外光束在該區(qū)域形成暖光圈， 并利用傳感技術(shù)與無線通信相結(jié)合的跟蹤功能，使裝在天花 板上供暖光束隨著個體及人群移動而切換或移動，由此可見 傳感技術(shù)在單點供暖系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。3、傳感技術(shù)

14、應(yīng)用要點及趨勢31 傳感器應(yīng)用要點 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，傳感器不僅具備基礎(chǔ)的信息收集功 能，在智能照明系統(tǒng)的信息處理能力也成為判斷其性能高低 的重要依據(jù)，實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)使用目的、動態(tài)特性指標(biāo)和 環(huán)境來選擇相應(yīng)的傳感器。各種傳感器使用注意要點：當(dāng) 傳感器應(yīng)用在高溫環(huán)境時，傳感器涂覆層易于脫落，內(nèi)部電 路板(printed circuit board)焊點容易開路，應(yīng)力作用導(dǎo)致結(jié) 構(gòu)變異等問題的出現(xiàn)。對于高溫環(huán)境下工作的傳感器通常結(jié) 構(gòu)設(shè)計時采用隔熱層或灌膠處理。 在高粉塵或潮濕環(huán)境應(yīng) 用時，傳感器容易出現(xiàn)短路或靈敏度下降等故障。在該環(huán)境 條件下應(yīng)選用密閉性很高的結(jié)構(gòu)設(shè)計。應(yīng)注意不同廠家生產(chǎn)

15、的傳感器密封性能存在較大差異。 在腐蝕性、潮濕及酸性 環(huán)境下使用，傳感器容易造成彈性體受損或產(chǎn)生短路等問題 應(yīng)選用抗腐蝕性能更好的不銹鋼外殼結(jié)構(gòu)。 特定場所的電 11磁場對傳感器輸出紊亂信號的影響是明顯的，應(yīng)對傳感器的 電磁兼容性進(jìn)行嚴(yán)格測試，確保其具有良好的電磁兼容能力 來保證穩(wěn)定工作。易燃易爆不僅會對傳感器造成功能損害, 而且對人身安全也將造成嚴(yán)重的威脅，因此，在易燃易爆環(huán) 境下工作的傳感器應(yīng)具備防爆性能更高的傳感器，設(shè)計傳感 器外罩不僅要確保密閉性，還要考慮到防爆及防水能力。 32 傳感技術(shù)應(yīng)用趨勢隨著“LED +智能”照明和傳感技術(shù)的成熟應(yīng)用，把控制功能、 場景控制、信號處理、電子控制

16、及執(zhí)行器組成的智能控制系 統(tǒng)，加入 Wireless、 TCPIP、 GP、 RS 、 WiFi、 ZigBee 等各 種無線通訊和組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸和控制，將是 LED 照明的主流技術(shù)發(fā)展和市場需求的趨勢?；谥悄苁謾C 和 IPAD 的便捷功能，將會給人們生活帶來更多的便利，如晚 上回家前可實現(xiàn)人未到先開燈，也能通過無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控 到家里的情況，這些都與傳感技術(shù)的應(yīng)用密不可分。由于傳 感器與無線通信的深度結(jié)合應(yīng)用，該系統(tǒng)的安裝極為方便和 不用擔(dān)心增加布線，可輕松實現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能化，為人類 提供高品質(zhì)光環(huán)境的同時實現(xiàn)二次節(jié)能，同時也將成為未來 智能照明技術(shù)發(fā)展的趨勢。結(jié)語隨著傳感

17、技術(shù)在“LED +智能”照明系統(tǒng)中的成熟應(yīng)用，更多類 型的傳感器將成為照明系統(tǒng)方案設(shè)計者的關(guān)注焦點，利用多路傳感器收集信息作為系統(tǒng)控制的依據(jù)，并結(jié)合各類無線通 訊技術(shù)在照明系統(tǒng)中得到創(chuàng)新應(yīng)用。同時，利用傳感技術(shù)的 “LED +智能”照明系統(tǒng)正逐步得到人們的認(rèn)知，也將使我們的 生活變得更加便捷及舒適。參考文獻(xiàn)江磊基于高效率 LED 驅(qū)動器及 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的智能照明控制系統(tǒng)D復(fù)旦大學(xué)，2010.徐勇基于 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能照明系統(tǒng)研 究與設(shè)計D哈爾濱工程大學(xué)，2010.3曹小兵.LED智能照明技術(shù)的發(fā)展與趨勢J中 國照明電器， 2014(11)：610 4 張軍朝路燈、景觀燈照明控制系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究D太原理工大學(xué)，2012王輝林，李莎莎基于ZigBee技術(shù)傳感器檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)J傳感器世界，2008 (3): 38