擊敗傳統(tǒng)照明的關(guān)鍵：智能LED是這樣贏得比賽的

現(xiàn)在，您可能會問我：“馬拉松跟LED有什么關(guān)系?你真的知道自己在說什么嗎?”我想是的。就像強壯的選手領(lǐng)跑馬拉松一樣，LED在高能效照明領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先。相對于白熾燈和熒光燈照明，LED的主要技術(shù)優(yōu)勢是消耗的能源更低、壽命更長，并且能夠更好地控制照明顏色和方向。 　　LED智能化——贏得比賽的關(guān)鍵所在 　　LED將如何發(fā)揮其巨大潛能?毫無疑問，第一道障礙是價格。LED目前的成本遠遠高于現(xiàn)有照明方案。節(jié)能往往不足以說服價格敏感的企業(yè)和消費者購買較貴的產(chǎn)品。隨著時間推移，大規(guī)模生產(chǎn)可能會降低價格，但成本是否能夠降得足夠低，降價速度是否滿足用戶的預(yù)期?這些都是不確定因素，有待商榷。當然，這些問題也超出了本文的討論范圍。假如我們隨便找兩家五金店，嘗試尋找相同的LED燈，這或許非常困難。許多零售商不會僅僅為了吸引稀稀拉拉的消費者而備有足夠品種或數(shù)量的庫存，為什么?這涉及到價格和庫存周轉(zhuǎn)率。那么這種情況對我們這些工程師、創(chuàng)新者而言，意味著什么?我們?nèi)绾问筁ED照明發(fā)揮潛能?如何贏得這場馬拉松比賽的勝利? 　　如果我們賦予LED“頭腦”，使其智能化，為這些照明燈裝上眼睛、喉嚨、計數(shù)等功能。在照明領(lǐng)域設(shè)計出有價值的半導(dǎo)體材料，將優(yōu)化能源效率、延長照明壽命，并降低維護成本。這將有助于LED跑完整個賽程，堅持到最后，憑借智慧贏得比賽。 　　LED智能化的關(guān)鍵元素 　　環(huán)境光檢測、通信和電能測量是智能化照明系統(tǒng)的關(guān)鍵元素。通過環(huán)境光檢測，可以在其它光源已提供充足照明時調(diào)暗照明燈;此外，通過檢測環(huán)境光的顏色，能夠調(diào)節(jié)高級RGBLED照明系統(tǒng)的顏色。通信功能則允許遠程控制并將小型、大型照明裝置連接成中央網(wǎng)絡(luò)。電能測量準確計算消耗的功率，為預(yù)測性維護提供系統(tǒng)洞察力。所有這些特性——環(huán)境光檢測、通信、電能測量——將進一步節(jié)省能源，降低運營成本。本文探討為LED照明系統(tǒng)增加環(huán)境光檢測、通信(包括無線和電力線)以及電能測量功能的關(guān)鍵設(shè)計考慮。提供了參考設(shè)計示例。 　　環(huán)境光傳感器(ALS)檢測傳感器附近的光量。這些簡單器件成為LED照明系統(tǒng)的“眼睛”，也是節(jié)約能耗的關(guān)鍵。當房間已經(jīng)有充足的光源時，照明完全沒必要，可將照明燈調(diào)暗或完全關(guān)閉，降低功耗、延長照明燈壽命。ALS的關(guān)鍵特性包括功耗、流明監(jiān)測范圍，以及IR和UV濾光。這些傳感器必須安靜地呆在系統(tǒng)中，不能消耗過大電能，從而破壞節(jié)約系統(tǒng)能耗的初衷。好的ALS耗流達到1μA以下。流明檢測范圍必須達到室外環(huán)境的典型流明范圍。0.1lx至100，000lx一般可滿足大多數(shù)應(yīng)用要求?？紤]到系統(tǒng)可靠性，可能有必要采用略大的范圍。IR和UV濾光可消除實際系統(tǒng)中不可見光的光譜。 　　智能LED光檢測功能 　　傳感器必須避開照明燈本身的光線，避免對環(huán)境光測量的影響。該設(shè)計中，ALS位于獨立的電路板上，處于照明燈支架的陰影下。這種簡單的設(shè)計使ALS能夠在檢測到環(huán)境光超過預(yù)設(shè)值時關(guān)閉照明燈。RGB傳感器甚至能夠為照明應(yīng)用增加更多“功能”。類似于圖中所示帶有RGBLED和ALS的LED照明系統(tǒng)，能夠動態(tài)調(diào)節(jié)其顏色輸出，以滿足特殊的應(yīng)用需求，例如舞臺情景照明或百貨公司的展示效果。 　　圖1：ALS安裝在獨立的PCB，處于照明燈支架的陰影下，防止傳感器讀取照明燈本身的光強。 　　LED智能通信 　　下面，我們討論LED的智能通信。耳朵和喉嚨是接下來實現(xiàn)LED照明智能化的最重要功能。通過將照明燈簡單組網(wǎng)，即可通過網(wǎng)絡(luò)控制燈的開、關(guān)，或者調(diào)光，這種操作將降低能耗。通信也為斷電、維護和應(yīng)急提供快速反饋，該信息將節(jié)省總體系統(tǒng)維護成本。無線和有線通信能夠在不同環(huán)境下很好地工作，取決于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和拓撲。無線比較適合于小型室內(nèi)以及大型室外應(yīng)用，后者需要具有連續(xù)視線、可用的頻帶以及裕量足夠的傳輸功率。電力線通信(PLC)利用現(xiàn)有電力線實現(xiàn)通信。PLC非常適合于大型市政類照明裝置、隧道、室內(nèi)停車場等由于物理位置或建筑墻壁的原因而無法使用自然光的環(huán)境。所有通信引用中，可靠性是關(guān)鍵所在。如果通信發(fā)生故障，系統(tǒng)就毫無益處。 　　無線應(yīng)用中，信號傳輸方式可能是Wi-Fi、ZigBee或其它往往屬于，但不僅限于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)射頻的標準協(xié)議。限制功耗提供了網(wǎng)絡(luò)靈活性，如果端點使用電池時則至關(guān)重要。圖2所示是一種獨特的應(yīng)用，其中照明燈開關(guān)上配備有能量收集射頻(RF)收發(fā)器。系統(tǒng)收集用于撥動開關(guān)的能量，產(chǎn)生可使用的直流電壓，支持照明燈具的無線電通信(《1GHzRF)。只要信號能夠覆蓋光源，該開關(guān)可置于房間內(nèi)的任何地方。無需連接照明開關(guān)，室內(nèi)設(shè)計更靈活，照明控制更可靠。 　　圖2：樓宇自動化應(yīng)用，其中的照明開關(guān)具有一個無需接線的能量收集射頻收發(fā)器，用以控制LED照明。 　　PLC照明控制方法利用現(xiàn)有的供電線路，不失為高性價選擇。由于通過維護很好的現(xiàn)有供電線路實現(xiàn)通信，PLC避免了許多麻煩，如共用通信頻率、惡劣天氣時的性能及網(wǎng)絡(luò)維護。范圍、速度和可靠性是設(shè)計PLC的關(guān)鍵。 　　電力線的噪聲極大，影響系統(tǒng)通信的可靠性。G3-PLC通信是一種基于OFDM的新型PLC標準，可實現(xiàn)電力線的可靠通信。該標準支持高達300kbps的速度、網(wǎng)狀組網(wǎng)以及高噪聲環(huán)境下的可靠模式非常適合LED控制網(wǎng)絡(luò)?；贠FDM、PLC控制的照明網(wǎng)絡(luò)類似于現(xiàn)有的G3-PLC。 　　圖3所示為NyxHemeraTechnologies公司用于隧道照明的PLC裝置4，該系統(tǒng)已經(jīng)節(jié)約了25%的電能，維護成本降低30%。該大型設(shè)施系統(tǒng)支持最多1022盞照明燈，通信距離長達3km。 　　圖3：采用PLC的市政路燈網(wǎng)絡(luò)示例 　　智能LED燈電能測量功能 　　智能LED燈還需要具備電量計算能力。從智能電表到電壓控制器再到電動汽車充電器，每個智能電網(wǎng)裝置都具有電能測量功能，實時為電力公司和用戶提供準確的用電信息。發(fā)回耗電量的大多數(shù)照明裝置提供關(guān)于建筑及市政照明環(huán)境的詳細信息，可確保電力公司的收費與耗電嚴格一致。通過調(diào)光或在不使用時關(guān)閉照明燈，及時、準確地響應(yīng)用戶需求。此外，特定照明燈的耗電波動說明需要進行系統(tǒng)維修、維護或更換。毫無疑問，許多照明燈處于難以觸及的區(qū)域，優(yōu)化維護可節(jié)省費用。為生成智能電網(wǎng)中的有用數(shù)據(jù)，電能測量設(shè)計必須在較寬的電流范圍保持高精度測量。不僅如此，限制或消除校準時間也會降低總體系統(tǒng)成本。圖4所示為一種靈活的LED照明參考設(shè)計，具有電能測量功能。5電能測量芯片也提供系統(tǒng)調(diào)光和DALI接口。 　　目前許多城市安裝了非智能LED照明燈，這為改善LED照明設(shè)施性能的集成模塊提供了巨大的商機。為實現(xiàn)可升級，這些系統(tǒng)需要連接到智能照明系統(tǒng)。如果LED的成本和容量一定，簡單更換相對較新和效率較高的LED，性價比較低。簡單接口，例如DALI，允許將來增加ALS、通信和電能測量功能。 　　圖4：完整的智能LED照明參考設(shè)計，具有電能測量、環(huán)境光檢測和通信功能 　　智能化LED將贏得最后勝利 　　這對我們意味著什么？消費者從觀念上對LED照明的認可和轉(zhuǎn)換是一個長期過程。顯而易見，LED照明具有改變照明方式以及節(jié)省巨大電能的潛力。增加“智能”照明的關(guān)鍵元素——ALS、通信和電能測量——將使LED更加強大，更具吸引力。智能化LED提供的測量數(shù)據(jù)能夠進一步降低照明系統(tǒng)的能耗，降低運營和維護成本。增加智能化設(shè)計，LED將充分發(fā)揮潛力，在已經(jīng)如火如荼的競賽中擊敗傳統(tǒng)照明。