智能照明设计关键元素及解决方案汇总

　　智能照明是指利用计算机、无线通讯数据传输、扩频电力载波通讯技术、计算机智能化信息处理及节能型电器控制等技术组成的分布式无线遥测、遥控、遥讯控制系统，来实现对照明设备的智能化控制。

　　智能照明系统工作原理

　　智能家居的照明控制系统，其实就是根据某一区域的功能、每天不同的时间、室外光亮度或该区域的用途来自控制照明，是整个智能家居的基础部分。

　　智能照明系统最为人称道的是，它可进行预设，即具有将照明亮度转变为一系列设置的功能。这些设置也称为场景，可由调光器系统或中央建筑控制系统自动调用。在家庭内使用时，可以采用集成中央控制器的形式，并可能带有一个触屏界面。

　　总体而言，智能照明系统作为整个智能家居的核心部分，特别适合于大面积住房，它将使生活方便，舒适。照明控制系统分为独立式、特定于房间式或大型的联网系统，在联网系统中，调光设备安装在电气柜中，由诸如传感器和控制面板组成的外部设备网络来操作。联网系统的优势是可从许多点来控制不同的房间中区域。在家庭中，可以在靠近主进口的墙上安装一个控制面板，以此作为多外房间的主控制点。

　　智能照明系统设备要求

　　针对大户型的装修风格和智能控制的需求，结合物联智能家居控制系统的控制方式的方便、灵活、易于修改、易于操作、易于维护等特点，实现智能照明控制的系统解决方案；

　　1.系统采用数字总线设计，采用2芯双绞线，所有设备通过2芯双绞线以星形或串形结构连接，连接不分极性，布线简单、方便，极大的节省了安装时间，减少了安装错误，降低了施工费用和后期维护费用；采用27VDC低电压供电方式，安全可靠，无电磁辐射；

　　2.信号传输速率很高，抗干扰能力强，可靠性高，距离可达5千米，经过扩展后传输距离更远，2芯双绞线可同时传输电源信号、控制信号、音频信号和视频信号，并可实现多通道传输，互不干扰；

　　3.所有控制器可随时更换位置，改变功能，改变控制负载对象，而无需更改线缆，并可自动修正设定，运行到最佳状态，节约能源，提高效率；

　　4.所有执行器均采用模块化设计，采用标准35mm导轨安装方式，安装体积小，可安装在照明箱中，无需定制特殊箱体，尤其适合于别墅安装空间小的环境；

　　5.系统稳定性、兼容性和扩展性强，所有设备均采用相同协议传输信号，任何一个设备均可独立工作运行，出现故障时不影响其他设备，含有丰富的外界通信接口如：RS232、USB、IP接口等；系统可随时通过USB、COM接口和IP接口进行升级，不影响系统的运行。

　　6.在控制上，可采用多种控制方式，进行各种调光灯和非调光灯的控制，负载功率强大。可点对点控制、场景控制、遥控、感应控制、触摸屏控制中心、远程网络、电话、PDA等多种控制方式，具有区控、组控、总控、定时、延时、条件判断等多种功能；

　　LED照明系统的智能化程度是一个值得关注的问题。LED照明能够降低能耗和维护成本，而智能化LED照明设计可以从两个方面进一步改善系统性能：从每 瓦特中获得更好的性能，降低长期运行成本。电能测量、环境光检测和通信是智能LED照明设计的基础：电能测量提供系统的健康运转及能耗信息；环境光检测可 以减少LED的实际照明时间，节约电能并延长二极管寿命；通信功能则将每个光源连接在一起，以进行维护识别、系统级协调。本文将探讨各部分电路对总体系统 的影响。

　　LED智能化的关键元素

　 　环境光检测、通信和电能测量是智能化照明系统的关键元素。通过环境光检测，可以在其它光源已提供充足照明时调暗照明灯；此外，通过检测环境光的颜色，能够调节高级RGB LED照明系统的颜色。通信功能则允许远程控制并将小型、大型照明装置连接成中央网络。电能测量准确计算消耗的功率，为预测性维护提供系统洞察力。所有这 些特性——环境光检测、通信、电能测量——将进一步节省能源，降低运营成本。本文探讨为LED照明系统增加环境光检测、通信（包括无线和电力线）以及电能 测量功能的关键设计考虑。提供了参考设计示例。

　　环境光传感器（ALS）检测传感器附近的光量。这些简单器件成为LED照明系统的“眼 睛”，也是节约能耗的关键。当房间已经有充足的光源时，照明完全没必要，可将照明灯调暗或完全关闭，降低功耗、延长照明灯寿命。ALS的关键特性包括功 耗、流明监测范围，以及IR和UV滤光。这些传感器必须安静地呆在系统中，不能消耗过大电能，从而破坏节约系统能耗的初衷。好的ALS耗流达到1μA以 下。流明检测范围必须达到室外环境的典型流明范围。0.1lx至100，000lx一般可满足大多数应用要求。考虑到系统可靠性，可能有必要采用略大的范 围。IR和UV滤光可消除实际系统中不可见光的光谱。

　　光检测

　　图1所示光源中的 ALS设计。传感器必须避开照明灯本身的光线，避免对环境光测量的影响。该设计中，ALS位于独立的电路板上，处于照明灯支架的阴影下。这种简单的设计使 ALS能够在检测到环境光超过预设值时关闭照明灯。RGB传感器甚至能够为照明应用增加更多“功能”。类似于图中所示带有RGB LED和ALS的LED照明系统，能够动态调节其颜色输出，以满足特殊的应用需求，例如舞台情景照明或百货公司的展示效果。

　　

　　图1：ALS安装在独立的PCB，处于照明灯支架的阴影下，防止传感器读取照明灯本身的光强。

　　通信

　 　下面，我们讨论LED的智能通信。耳朵和喉咙是接下来实现LED照明智能化的最重要功能。通过将照明灯简单组网，即可通过网络控制灯的开、关，或者调 光，这种操作将降低能耗。通信也为断电、维护和应急提供快速反馈，该信息将节省总体系统维护成本。无线和有线通信能够在不同环境下很好地工作，取决于网络 规模和拓扑。无线比较适合于小型室内以及大型室外应用，后者需要具有连续视线、可用的频带以及裕量足够的传输功率。电力线通信（PLC）利用现有电力线实 现通信。PLC非常适合于大型市政类照明装置、隧道、室内停车场等由于物理位置或建筑墙壁的原因而无法使用自然光的环境。所有通信引用中，可靠性是关键所 在。如果通信发生故障，系统就毫无益处。

　　无线应用中，信号传输方式可能是Wi-Fi、ZigBee或其它往往属于，但不仅限于工业、科 学和医疗（ISM）射频的标准协议。限制功耗提供了网络灵活性，如果端点使用电池时则至关重要。图2所示是一种独特的应用，其中照明灯开关上配备有能量收 集射频（RF）收发器。系统收集用于拨动开关的能量，产生可使用的直流电压，支持照明灯具的无线电通信（<1GHz RF）。只要信号能够覆盖光源，该开关可置于房间内的任何地方。无需连接照明开关，室内设计更灵活，照明控制更可靠。

　　

　　图2：楼宇自动化应用，其中的照明开关具有一个无需接线的能量收集射频收发器，用以控制LED照明。

　　PLC照明控制方法利用现有的供电线路，不失为高性价选择。由于通过维护很好的现有供电线路实现通信，PLC避免了许多麻烦，例如共用通信频率、恶劣天气时的性能以及网络维护。范围、速度和可靠性是设计PLC的关键。

　 　电力线的噪声极大，影响系统通信的可靠性。G3-PLC通信是一种基于OFDM的新型PLC标准，可实现电力线的可靠通信。该标准支持高达 300kbps的速度、网状组网以及高噪声环境下的可靠模式非常适合LED控制网络。基于OFDM、PLC控制的照明网络类似于现有的G3-PLC。

　　图3所示为Nyx Hemera Technologies公司用于隧道照明的PLC装置4，该系统已经节约了25%的电能，维护成本降低30%。该大型设施系统支持最多1022盏照明灯，通信距离长达3km。

　　

　　图3：采用PLC的市政路灯网络示例。

　　电能测量

　 　智能LED灯还需要具备电量计算能力。从智能电表到电压控制器再到电动汽车充电器，每个智能电网装置都具有电能测量功能，实时为电力公司和用户提供准确 的用电信息。发回耗电量的大多数照明装置提供关于建筑及市政照明环境的详细信息，可确保电力公司的收费与耗电严格一致。通过调光或在不使用时关闭照明灯， 及时、准确地响应用户需求。此外，特定照明灯的耗电波动说明需要进行系统维修、维护或更换。毫无疑问，许多照明灯处于难以触及的区域，优化维护可节省费 用。为生成智能电网中的有用数据，电能测量设计必须在较宽的电流范围保持高精度测量。不仅如此，限制或消除校准时间也会降低总体系统成本。图4所示为一种 灵活的LED照明参考设计，具有电能测量功能。5电能测量芯片也提供系统调光和DALI接口。

　　目前许多城市安装了非智能LED照明灯， 这为改善LED照明设施性能的集成模块提供了巨大的商机。为实现可升级，这些系统需要连接到智能照明系统。如果LED的成本和容量一定，简单更换相对较新 和效率较高的LED，性价比较低。简单接口，例如DALI，允许将来增加ALS、通信和电能测量功能。

　　

　　图4：完整的智能LED照明参考设计，具有电能测量、环境光检测和通信功能。

　　总结

　 　增加“智 能” 照明的关键元素——ALS、通信和电能测量——将使LED更加强大，更具吸引力。智能化LED提供的测量数据能够进一步降低照明系统的能耗，降低运营和维 护成本。增加智能化设计，LED将充分发挥潜力，在已经如火如荼的竞赛中击败传统照明。下面是几种典型的智能照明解决方案，带你一探智能照明“智”在何处。