如何MAX44009的ALS应用于室外灯具设计

Duke 2018-06-26 09:25 次阅读

LED 照明的数字化本质显著增强了可控制性,利用这种可控制性,我们可以实现众多不同的照明效果,从调光和颜色变换到基于占位的特性。照明已经实现了智能化,提供灵敏的响应,但如果与新兴的物联网 (IoT) 配合使用,并且部署更多的传感器,它将能够支持更强大的功能。例如,如果街灯配备了摄像头、接近传感器或空气质量传感器,则可为智能城市管理发挥辅助作用。嵌入民用灯具内部的传感器可以增强危险检测或应急呼叫。

如何能够经济高效地将新一代智能灯具引入到现有网络中?这个问题亟待解决。物联网是一个快速发展的领域,但现今已安装新型 LED 灯具的用户却期望灯具在使用很长时间之后再进行升级,从而最大程度地提高他们的投资回报。这正是新型智能灯具大展身手的舞台,因为它们带有功能全面及可升级的传感器接口,能够随时利用云技术的快速进步,为用户提供更多价值。

照明和物联网

人们对智能照明的宽泛理解是实现灯具响应自动化,例如调光或开关控制,旨在增强用户舒适度并节省电能。环境光传感器 (ALS) 可用于检测自然光的多少,从而相应地调节灯具的输出。该传感器必须位于接近灯具的位置,以便提供环境条件的相关指示,但它的定位又必须最大程度地避免暴露在灯具自身的光线下,以防止出现不适宜的调光和亮度调节。

Maxim Integrated 已经演示了如何将类似 MAX44009 的 ALS 应用于室外灯具设计,如图 1 所示。该系统基于 Microchip PIC18LF4520 微控制器。硬件相对简单,在 MCU 和传感器之间使用简单直观的双线缆连接。参考设计将 ALS 安装在单独的 PCB 上,以实现最佳传感器定位。

集成 ALS 以构建智能照明灯具的框图

图 1: 集成 ALS 以构建智能照明灯具。

如图 2 的流程图所示,智能照明控制器软件可以测量环境光线,跟踪时间,让我们能够通过简单的用户界面,对光照度阈值、早晚开关时间进行编程。图中包括一个按钮,还有两个 7 分段显示屏和指示灯 LED。Maxim 应用说明 AN5320 提供了十六进制格式的控制器软件。

ALS 增强照明系统的软件控制流程图

图 2: ALS 增强照明系统的软件控制流程图。

在监控该软件管理的灯具附近区域的环境光照强度方面,ALS 可以发挥重要作用。另一方面,也可使用 PIR 传感器进行占位检测,打开或关闭相对位置较远的灯具,这种技术应用于各个区域,例如在办公室、零售店、工厂或家里。与 ALS 传感器相同,PIR 传感器也可以直接连接到灯具。另外,传感器阵列能够支持更高级功能,例如在有人走过时,对走廊进行分段照明,或者当工人进入仓库从特定位置提货时,有选择地为仓库中的某些区域照明。

接近传感器作为云连接物联网端点

Texas Instruments 提出了一种将 PIR 传感器作为云连接物联网端点部署的方法,可将占位数据发送到云应用。

Texas Instruments 的参考设计基于 CC1310 SimpleLink™ 超低功耗次 1 GHz 无线微控制器。选择用来调节模拟 PIR 传感器信号的 LPV802 双运算放大器和 TLV3691 双比较器是毫微功耗器件,可以最大程度地降低整体功耗,让传感器能够在没有钮扣电池的情况下独立工作数年时间。TLV3691 比较器充当一个窗口,区分运动和噪声,当检测到运动时,它会为 CPU 生成中断。这使 MCU 能够在节能模式下工作,从而延长电池寿命,只有在需要将消息发送回到远程主机时,才会唤醒 MCU。图 3 显示了传感器节点的功能框图。

CC1310 是一款多标准器件,能够支持多种无线电协议,带有 wM-Bus 和 IEEE 802.15.4g 协议栈。参考设计使用基于 IEEE 802.15.4 协议栈的应用来处理传感算法,以及网关和传感器节点之间的次 1 GHz 通信。

将运动传感器作为云连接物联网端点的 Texas Instruments 参考设计的图片

图 3: 将运动传感器作为云连接物联网端点的 Texas Instruments 参考设计

通过物联网,更充分地利用智能照明

将传感器连接至云之后,除了管理照明以及供暖或通风等其他服务之外,我们还可以通过很多方式利用它们的数据。这些数据还可用于监控使用模式,例如识别活动大于或小于正常水平的区域或时间。另外还可以实现一些先进的安防应用。PIR 传感器可用于直接激活入侵者警报,云应用可以协调更复杂的响应,例如向关键人员发送短信报警,对入侵进行记录并加上时间戳,然后执行受控制的防范禁闭。

这种与智能照明相关的数据的增强使用,可以支持广泛的照明场景。灯具外壳可提供放置传感器的理想位置,因为它通常安装在发生活动的区域的上方,具有广阔的无阻碍视场。如 CMOS 摄像头等视觉传感器也可以受益于灯光,捕捉高质量的图像。

采用大量传感器的照明系统在室内和室外均可应用。在智能城市中,街灯可以监控交通流量和道路使用情况。云应用可以提取关于道路施工影响、交通灯顺序变化的宝贵信息,并且协调关闭街灯,以此优化节能,而不危害公民的安全。街灯也是放置摄像头或用于检测车辆的其他传感器的理想位置,用于监控受控制的停车区域,为执法人员提供导向。相反,停车数据可作为一种服务提供给驾驶员,帮助他们寻找可用的停车位,以减少交通拥堵,避免不必要的尾气排放。

智能互联照明也可与家庭或工作场所的传感器结合使用,在发生紧急情况的情况下,提供更多的视觉指示。对于存在听力障碍的人员而言,这是非常实用的。另外,它也可向建筑外部的人员发出指示,向他们寻求帮助。

充分利用数据

在智能城市中,灯具维护可能是非常难于管理的,实施成本非常昂贵。如果连接到物联网,灯具可以检测自身的故障,并立即通知相关维护机构,提示需要更换或维修。我们可以设计传感器来检测其他故障,例如灯罩破碎或污损,需要更换或清洁。

通过智能照明收集的数据可为公共事业机构提供宝贵的信息,帮助他们计划维修,并识别高峰需求时段。功耗数据对政府机构开展能源调查也是非常有用的。

所有照明系统是否都应该为物联网准备就绪?

我们有很多机会在高级灯具中采用不同类型的传感器,今后,随着物联网的功能和覆盖范围进一步扩展,还将会有其他很多传感器问世。我们很容易设想,在今后某个时候,将有大量灯具需要进行升级,添加更多传感器。

IoT-Ready™ 联盟已经指出,现在正是定义标准化传感器接口的适当时机,这样可以让升级变得尽可能简单。该机构指出,当前安装的 LED 灯具的典型使用寿命为大约 15 年,随着物联网技术的快速发展,在 LED 灯具的典型使用寿命内,将需要进行多次升级。他们还指出,更改整个灯具来添加新的物联网连接功能,这种做法不太经济,将会增加不必要的成本。让新的 LED 灯具为物联网集成做好准备,可以节省这笔开支。该联盟的目标是确定一种经济高效的、影响很小的更改传感器的方法,让用户能够轻松地添加或升级传感器。为了实现这个目标,该机构计划定义电气接口、连接器和机械外形尺寸。

此计划能否得到主要灯具厂商和设计人员的认可,让我们拭目以待。另一方面,有些公司可能打算“单打独斗”,开发专有的解决方案,然后进行游说,让他们的规范成为事实上的标准。无论是哪种情况,只有在能够轻松连接至云、大量采用传感器的新型灯具开始进入市场之时,业界期待的“智能照明”才能真正实现。

总结

与其他很多新的创新相同,智能照明可在短期内提供极具吸引力的优势,而且它们的功能还能够得到显著演进,在未来提供更大的优势。既然物联网技术正在快速发展,照明行业也必须迅速采取行动,才能跟上这种发展步伐。

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