闡述傳感技術(shù)配合“LED＋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ｎA(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（light emitting 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(shí)現(xiàn)節(jié)約能源，也是實(shí)現(xiàn)智能控制的重要一環(huán)。本文重點(diǎn)介紹“LED＋智能”照明與傳感技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的方案特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)光控，紅外傳感器采集人們的活動信息實(shí)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（transducers）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。

1．1 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 ［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(yùn)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(kuò)大探測器接收信號源的范圍，探測警戒線內(nèi)紅外能量的變化，監(jiān)視在運(yùn)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)殡娦盘柕陌雽?dǎo)體器件，通過核心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(qiáng)弱改變電阻器的阻抗值，光亮度強(qiáng)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，另一核心部分PN結(jié)的結(jié)構(gòu)不同于普通二極管，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 μm。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(qiáng)弱的端口，當(dāng)光線變化時，PN會自動開關(guān)。通常路燈運(yùn)用光敏傳感器實(shí)現(xiàn)天黑時開燈及天亮后滅燈的功能，不需人工操作而實(shí)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，聲控傳感器不斷地將外界聲音強(qiáng)度與原始值做比較，當(dāng)超過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)重的案例很多，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(shí)時監(jiān)控?zé)艟叩臏囟龋?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。

圖4 NTC過溫保護(hù)電路

1．2“LED＋智能”照明與傳感技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是全球信息化應(yīng)用的熱點(diǎn)，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(shí)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。

圖5 “LED＋智能”照明系統(tǒng)架構(gòu)（點(diǎn)擊圖片可查看大圖）

在“LED＋智能”照明系統(tǒng)的硬件設(shè)計方面，通常采用光敏傳感器來檢測環(huán)境光的亮度，采用熱釋電紅外傳感器檢測人身體輻射微量，采用溫度傳感器檢測照明燈具LED的定點(diǎn)溫度，采用聲控傳感器來感知現(xiàn)場的聲音強(qiáng)度。智能控制系統(tǒng)將傳感器采集到的信息經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換之后傳輸給CPU，運(yùn)算處理后的信息再經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換成電信號傳輸?shù)竭\(yùn)算放大器進(jìn)行運(yùn)算處理，形成指令發(fā)送到每個終端LED燈的控制電路，由LED控制裝置來執(zhí)行對LED燈的控制，具體方案見圖6。

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?yàn)楹诵牡膫鞲衅鲬?yīng)用軟件設(shè)計，在運(yùn)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

2．1 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(jī)電系統(tǒng)（Micro－Electro－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(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)“LED＋智能”照明的第一步，也是照明系統(tǒng)對環(huán)境和管理信息收集的“利器”。

2．2 商業(yè)照明

“LED＋智能”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)行運(yùn)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(shí)現(xiàn)分組開關(guān)或調(diào)光控制，有效提升系統(tǒng)管理效率。

圖7 商業(yè)照明系統(tǒng)架構(gòu)

2．3 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(bǔ)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（CO2）濃度及營養(yǎng)液等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并實(shí)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。

2．4 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(diǎn)供暖與傳統(tǒng)中央供暖系統(tǒng)相比較，不同點(diǎn)在于其供暖是以精確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(diǎn)供暖系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

3、傳感技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)及趨勢

3．1 傳感器應(yīng)用要點(diǎn)

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(shí)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(diǎn)：①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(diǎn)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。②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)的傳感器密封性能存在較大差異。③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)。④特定場所的電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。⑤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。

3．2 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、電子控制及執(zhí)行器組成的智能控制系統(tǒng)，加入Wireless、TCP／IP、GP、RS 、Wi－Fi、ZigBee等各種無線通訊和組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)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(jī)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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)，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)

［1］ 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．

［2］ 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）：6－10．

［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

［5］ 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(shí)現(xiàn)［J］．傳感器世界，2008（3） ：38－41．

［6］ 曹小兵． LED智能控制在農(nóng)業(yè)照明的應(yīng)用［J］． 中國照明電器，2015（5）：15－18．

［7］ 郭佑民，劉娟，孟凡剛，金乾坤．基于ZigBee的智能型LED路燈照明系統(tǒng)設(shè)計［J］．蘭州交通大學(xué)學(xué)報，2010（4） ：4－8．

作者簡介

曹小兵（1969年－），男，高級工程師，深圳市長運(yùn)通光電技術(shù)有限公司技術(shù)副總，全國標(biāo)準(zhǔn)化原理與方法標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會標(biāo)準(zhǔn)化評價分技術(shù)委員會（SAC TC286 SC1）委員，主要參與30余項國家和聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)制修訂，發(fā)表論文20余篇，第1發(fā)明人申請20余項專利，主要從事智能照明技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)化研究。