实现LED照明智能化

　　引言

　　想象一下，在炎热、雾霾天气下举行马拉松比赛，节省一丁点儿体耗，对比赛结果都至关重要。通常，当赛程不到一半时，就好像已经分出胜负。领跑者似乎不可超越，因为这些选手能够以较少的体能消耗跑出更远的距离。领跑者神采奕奕，光彩照人，在酷暑和竞赛中始终保持冷静和良好的状态。但是，这些选手真的能够在后半程比赛中稳定步伐、继续保持领先吗？在个个经过周密培训和激烈竞争的运动员当中，天赋和潜质也只能发挥至此。要想成功，需要在路上消耗巨大的潜能。现在的领跑者是否能够挖掘潜力、运用策略、应对各种自然环境，最终如愿以偿？时间和智慧将说明一切。

　　现在，您可能会问我：“马拉松跟LED有什么关系？你真的知道自己在说什么吗？”我想是的。就像强壮的选手领跑马拉松一样，LED在高能效照明领域遥遥领先。相对于白炽灯和荧光灯照明，LED的主要技术优势是消耗的能源更低、寿命更长，并且能够更好地控制照明颜色和方向。

　　据估算，美国2010年度的照明耗能占电能的19%1。截至2030年，每年的照明耗能将达到767太瓦时（TWh）1。对于我们这场特殊的马拉松领跑者来说，这是一个多么好的机会！到2030年，LED照明可将耗电降低25%1。此外，由于LED的寿命比其它照明方案寿命长5倍，并且不含有害物质，所以，LED可以减少照明形成的固体废料和种类。甚至有可能不需要更换LED，而只是在改造建筑时才需要更换。不仅如此，利用红、绿、蓝（RGB） LED精调颜色的能力，也为品质和创意提供了新机会。LED最终的用武之地将不仅限于空间照明，将更适合新风格和装置。

　　LED智能化——赢得比赛的关键所在

　　LED将如何发挥其巨大潜能？毫无疑问，第一道障碍是价格。LED目前的成本远远高于现有照明方案。节能往往不足以说服价格敏感的企业和消费者购买较贵的产品。随着时间推移，大规模生产可能会降低价格，但成本是否能够降得足够低，降价速度是否满足用户的预期？这些都是不确定因素，有待商榷。当然，这些问题也超出了本文的讨论范围。假如我们随便找两家五金店，尝试寻找相同的LED灯，这或许非常困难。许多零售商不会仅仅为了吸引稀稀拉拉的消费者而备有足够品种或数量的库存，为什么？这涉及到价格和库存周转率。那么这种情况对我们这些工程师、创新者而言，意味着什么？我们如何使LED照明发挥潜能？如何赢得这场马拉松比赛的胜利？

　　如果我们赋予LED“头脑”，使其智能化，为这些照明灯装上眼睛、喉咙、计数等功能。在照明领域设计出有价值的半导体材料，将优化能源效率、延长照明寿命，并降低维护成本。这将有助于LED跑完整个赛程，坚持到最后，凭借智慧赢得比赛。

　　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13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。