智能LED照明系統與傳感技術介紹
來源：   作者：   時間：2012-10-09    瀏覽次數：

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LED照明正在向智能化方向發展，LED照明智能化目的是為了更好的節省能源和實現智能控制，LED照明技術的智能化需要將傳感技術、信號智能處理技術、電子控制執行技術整合在一個系統里，LED光源模組的點亮還需要用直流恒流電源驅動。本文將圍繞智能LED照明簡述幾種智能LED照明系統及傳感技術，以及光敏傳感器、熱釋電紅外傳感器、菲涅爾透鏡、信號放大處理和控制電路，紅外自控LED節能燈具系統設計方案。

　　智能照明控制系統

　　智能照明控制系統通常可以分為三類：一是室內智能照明系統—適用于商業照明、居家照明;二是室外智能照明系統—適用于景觀照明、公共建筑和道路系統照明;三是專業智能照明系統—適用于特定場所藝術照明。

　　目前，應用機會比較多的智能照明控制系統是景觀照明、公共建筑和道路系統照明，它們大多數是多燈智能網絡控制照明系統;居家照明是室內智能照明控制系統，大多數是智能單燈自動控制。

　　簡單的智能LED照明系統

　　簡單的智能LED照明系統如圖1所示。它由傳感器+MCU+控制執行+LED(包括LED光源、驅動電源)組成。特別適合于室內智能照明單燈。

　　傳感器的主要功能是采集各種有用信號，將非電量信號變換成電量信號，將微弱信號進行放大。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。它們能自動的收集人體的活動信息、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。將這些非電量信號變換成電量信號，經智能處理后，就能對照明燈具進行自動控制，開啟或關閉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設計、制造的，如MEMS等，因其體積小容易與LED光源和驅動電源配置在一個燈具單元里。MEMS可以像集成電路那樣大批量生產，成本低廉。

　　傳感器輸出的電信號十分微弱，需要對小信號進行預處理，因此需要信號調理處理器，智能信號處理包括模數轉換(ADC)、多工器(MUX)、可編程增益放大器(PGA)、電壓基準(REFERENCE)、激勵電源(EXCITATIONS)，甚至嵌入微處理器(MCU、ASIC)、存儲器(RAM、E2PROM)等單元，它們采用集成電路的技術制造。這種信號預處理器可作為輸入信號調理前端與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(SOC)技術封裝在一個單元的模塊內。

　　MCU或ASIC對采集的信號自動進行智能化處理，可以在生產時用軟件寫入一些智能程序。以便產品在使用時自動實現這些既定功能。

　　電子控制執行部分是智能處理結果實現的自動操作系統，在智能照明應用中，一般它直接控制電源的電子開關，控制LED光源的點亮或熄滅。需要遠程控制或集團控制的，還可加入Zigbee、WLAN、TCP/IP、WiFi等無線通訊的芯片，將控制信號遠距離傳送、遙控。

圖1   簡單的智能LED照明系統

　　MEMS傳感器與智能MCU封裝在一個SOC單元里的技術已經相當成熟。將物理量、化學量、生物量的MEMS傳感器與帶傳感器信號調理的MCU封裝在一個SOC中可方便設計智能照明燈具的使用(圖2)。ASIC具有強大的功能，可以輕松的完成傳感器送來的小型號處理和轉換，推動控制執行動作。

圖2   MEMS與智能MCU的SOC

　　七八年前汽車電子產品----自動胎壓報警系統(TPMS)用的、放置在汽車輪胎內的傳感模塊，就是由MEMS的壓力、加速度、溫度傳感器與ASIC芯片封裝在一個SOC中，圖3右下就是這個模塊去掉封裝塑料后內部窺視圖，可見壓力傳感器、加速度傳感器和MCU(ASIC)封裝在一個SOC單元里。‖

  
圖3 TPMS的SOC模塊

　　單燈的智能照明控制系統

　　單燈的智能照明控制系統必須做得十分緊湊，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收集外界信息的傳感器、一個帶信號處理的MCU、一個電子開關、一個AC/DC的恒流電源、一個LED光源板(圖4)。設計一個單燈的智能照明控制系統的燈具，必須首先確定應用目標，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

　　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標準螺口燈頭的燈具，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，它的標準產品 IFS-Bulb 3W燈具達80 lm ，5W燈具達140 lm 。隨著LED的光通量提高，目前產品可達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光源將會在50秒內自動開啟，然后延遲一定時間關閉。適用于任何一種室內應用，如走廊、儲藏室、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節能燈具系統方案設計思路

　　具體的紅外自控LED節能燈具產品方案設計思路，應依據信號采集和處理的路徑，設計各功能部分，整體上滿足產品設計的目標。紅外傳感器輸出的信號很小，必須加以放大才能使用，因此紅外自控LED節能燈具系統方案設計思路如圖6所示，將紅外傳感器的微弱信號通過一個四運放(LP2902M)的儀表放大器放大和比較，經CD4538多諧振蕩器組成的計時器電路，再經一大功率三極管驅動繼電器實現LED電源的開閉，由LED驅動電源去點亮燈具中的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節能燈具產品方案設計思路

圖7 紅外自控LED節能燈具系統方案電原理圖

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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，可能是產業界用得比較多的紅外傳感器之一。

　　紅外熱釋電傳感器信號產生原理示意如圖8，傳感器表層溫度無變化時敏感元電荷保持平衡T [K]，當接收外界紅外輻射，表層溫度即發生變化，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，紅外傳感器才釋放出電荷(電流);當溫度變化趨于穩定，內部電荷就趨于平衡，敏感元就沒有電荷(電流)產生，對靜止的熱源體沒有電流輸出。利用紅外傳感器這一特性，可以及時檢測運動的紅外熱源，如人類的走動。紅外傳感器是一種被動型溫度敏感器件，對應用環境溫度不苛求，靈敏度高，光譜響應寬。可廣泛用于各種紅外入侵探測器、照明燈具的自動感應開關。

　　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是傳感器的典型應用圖。上海尼賽拉傳感器有限公司在上海、昆山大批量生產紅外傳感器，為國內外提供高品質的穩定貨源。

圖8 紅外熱釋電傳感器信號產生原理示意

　　紅外熱釋電傳感器的成功應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制的作用，菲涅爾透鏡可擴大紅外熱釋電傳感器接收紅外信號源的視角和探測區域，因此可以監視運動中的紅外源或移動熱源(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、特殊應用)、垂直多分割式(或稱垂直幕簾式、特殊應用)、水平垂直分割式(常用)、圓錐多區分割式(頂視式、常用)等數種，應按不同燈具的產品功能需要來選用。菲涅爾透鏡是由專業廠家制作的，有專門的光學設計，經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，是將光信號變成電信號的半導體器件。它的核心部分也是一個PN結，和普通二極管相比，在結構上不同的是，為了便于接受入射光照，PN結面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，而且PN結的結深很淺，一般小于1微米。 應用時需要有一個與環境光接觸的窗口。當光線有明暗變化時，PN自動導通或關閉(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，作為光線傳感器來用，實物如圖12。

　　室外智能照明系統方案

　　室外智能照明系統泛指景觀智能照明、公共建筑和道路系統智能照明。智能照明控制技術是隨著建筑和照明技術的發展而發展，利用了先進的電子技術、計算機網絡技術對照明進行實時監控、調節，以節省能源;操縱多個電路去創造特定的視覺效果。照明不僅僅是滿足人們視覺上明亮的要求，還要滿足藝術性要求，調整燈光來改變一個空間的感覺。照明控制的作用 ：節能、延長光源壽命、提高照明質量、多種照明效果。照明控制原則：安全、可靠、靈活、經濟。

圖13 國家體育場—鳥巢LED燈光控制系統架構示意圖

圖14 一種樓宇LED智能照明網絡方案

　　智能LED照明系統小規模應用時可以單獨使用，例如商場、辦公室等場所。也可以大范圍并網控制，例如酒店、樓宇、景觀等。組網形式簡單、靈活，新增加的燈具可以隨時接入已有的網絡，無須改變原來的結構，方便LED在各領域的應用。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所有的LED燈具實現無線控制、場景控制;徹底改變傳統一組開關控制一組燈光的模式，提高LED燈的數字化管理和網絡化管理。北京國家體育場鳥巢LED燈光控制系統架構示意圖就是一個智能照明多網絡組網控制實例(圖13)。一種樓宇LED智能照明網絡方案如圖14，智能控制系統可以通過以太網和Zigbee無線通信方式智能控制樓宇中各個房間的LED照明燈具開關和調光。因室外智能照明系統技術涉及內容很多、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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