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LED智能控制技术的发展与趋势

2014-12-02 10:08:50 作者:CN_SZLED_2012HJ 来源: 浏览次数:0

摘要  随着计算机、通信、自动控制、总线、信号检测和微电子等技术迅速发展及互相渗透,智能控制技术的迅速发展,LED照明也进入了智能控制的时代。本文阐述了LED智能控制技术研究方向、技术原理与特点;分别从其应用类别、技术优势和存在问题等方面介绍了LED智能控制技术的应用现状;进而分析预测LED智能控制照明技术未来研究方向与市场经济的发展趋势。

关键词  LED照明   智能化   网络   调光    控制 

       1 LED智能控制技术概论
       1.1 研究内容
        LED智能控制技术是通过网络连接到控制系统,利用智能客户端对灯光进行调控,改变灯亮度或颜色以符合舒适性的环境需求,调配出更舒适、安全、节能、健康及适宜的光环境。LED是目前光源中最适合进行调节控制的光源,健康的智能照明是照明产业发展的新趋势。
       在智能控制应用中,最为盛行的照明控制系统均基于现场总线(FCS)技术,根据其协议开放性可以分为两大类,Bus及Dynet为封闭协议; EIB、DALI、X-10及HBS等为开放协议。
      (1)Bus总线协议:采用单组双绞线,总线设备之间可以直接通信,不用通过中央控制器,支持线形、星形及树形结构,但是不支持环网结构。
      (2)Dynet总线协议:采用两组双绞线,并应用RS485四线制传输的协议,仅支持线形结构。
      (3)EIB(European Installing Bus)总线协议:占据欧洲楼宇与家居自动化的标准主导地位。1999年进入中国并得到应用。
      (4)DALI(Digital Addressable Lighting Interface)协议:是定义控制装置和设备控制器的通信方式。DALI协议以其实用性、易于扩展、系统开发难度小和成本低的优势,在户外照明领域得到大量的应用。
      (5)X-10电力线载波(PLC)协议:起源于美国并获得巨大的商业成功。该协议应用时无需额外布线、安装便捷和价廉等优势被广泛接受及应用。
      (6)HBS(Home Bus System)家庭总线协议:采用了总线供电的方式,既要传输工作电压,又要传递控制信息的智能家居系统。是日本企业联合推出的家庭网络协议。
       1.2 技术原理与功能元素
       1.2.1 技术原理①
        通过环境光检测,可在已有充足照明时调暗照明灯,此外,通过环境光色检测并调节照明系统的颜色,通信功能则允许远程控制并将照明装置连接成中央网络。电能测量能准确地计算消耗的功率,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。
       环境光传感器(ALS)检测到附近的光量,这些功能器件成为LED照明系统的“眼睛”,也是二次节能的关键所在。当房间已经有充足的光亮时,灯的照明完全没有必要,系统就可将照明灯调暗或关闭,从而降低了照明功耗并延长了灯的寿命。传感器的关键特性包括对灯的流明、功耗以及IR和UV滤光进行监测,传感器不能消耗过多电能而影响系统节能的初衷。
       1.2.2 功能元素②
      (1)智能检测
       环境光传感器必须避开照明灯本身的光线照射,避免对环境光准确测量的影响。设计时将传感器位于照明灯主体的阴影下,这样使传感器能够真正检测到环境的光强,当环境光强超过预设值时系统就调暗或关闭照明灯。另外,RGB传感器能够为照明应用增加更多的“功能”,图1为带有 RGB 传感器的LED灯,其能够动态调节灯的亮度及颜色输出,以满足场所的应用需求。

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图1:传感器工作示意图


      (2)智能通信
      将LED灯组网,即可通过网络控制灯的开、关、调光及定时等功能,实现照明系统的二次节能。系统通信也为断电、维护和应急提供快速反馈,该智能通信将节省总体系统维护成本。有线和无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。无线适合于小型室内以及大型室外应用,前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。电力线载波(PLC)是利用现有电力线实现通信功能,电力线通信非常适合于大型市政类照明系统、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利用自然光的场所。
       图2照明灯开关上配备有能量收集射频(RF)收发器。系统收集用于启动开关的能量,产生可使用的直流电压,支持照明灯具的无线电通信(1GHzRF)。只要信号能够覆盖光源,该开关可置于房间内的任何地方。

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图2:能量收集射频收发器的应用

       电力线载波(PLC)利用现有的供电线路不失为高性价的选择,由于通过维护很好的现有供电线路实现通信,电力线载波避免了如共用通信频率、恶劣天气时的性能及网络维护等许多麻烦。其范围、速度和可靠性是设计电力线通信的关键。电力线的噪声极大影响系统通信的可靠性,G3-PLC通信是一种基于正交频分复用(OFDM)的新型电力线载波标准,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照明控制的应用。

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图3:电力线通信的应用


       图3所示为用于道路照明的电力线载波(PLC)方案的示例,该系统的运行将节约25%的电能及降低30%维护成本。
      (3)电能测量功能
       智能LED照明系统还需具备电量测算能力,从智能电表到电压控制器及照明LED灯,每个LED灯及控制器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量信息。发回LED灯及控制器提供关于建筑及市政照明环境的详细信息,可确保电力公司收费与用户的实际耗电一致。此外,特定LED灯的耗电波动说明LED灯及控制器需要进行维修、维护或更换,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。

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图4:电能测量系统


       图4为一种LED照明方案电能测量设计,具有电能测量、调光及和DALI接口等。
       1.3  技术特点
      (1)智能化:控制系统具备信息采集、传输、逻辑分析、智能分析和反馈控制等智能控制特性。
      (2)环境检测:可运用各种传感器对灯光进行自动检测及控制。
      (3)时间控制:某些场合可以随上下班或需求时间进行调整亮度。
      (4)系统集成:构建以计算机、网络通信、自动控制、微电子、数据库及系统集成等技术为一体的现代控制系统平台。
      (5)系统联网:应用控制技术进行系统控制与楼宇智能控制组网。
      (6)系统可控制任意回路连续调光或开关。
      (7)红外遥控:可用手持红外遥控器对灯光进行控制。
      (8)由声、光、热、人及动物的移动检测达到对灯光的控制。
      (9)场景控制:根据照明需求任意场景模式设置并储存,并淡入或淡出进行模式切换。
      (10)移动传感器:通过对人体红外感应来控制灯光。人来灯亮,人走灯灭或降低亮度。
      (11)照度传感器:根据传感器对室外光线强弱的检测,对室内照明灯进行调整达到标准要求照度。例如需要恒照度控制的教室。
      (12)网络化:常规照明都是相对独立的控制,无需专门的网络进行连接。智能照明是大范围的控制系统,包括硬件技术和软件技术的支持,并运用网络进行控制信息的交换和通信。
       2 LED智能控制技术的应用现状
       LED智能照明系统在硬件应用方面,采用ZigBee无线技术,并结合Wi-Fi(或3G/4G)技术实现近距离操控,远距离应用GPRS操控或远近结合的通信模式,可以身在千里之外,犹若尽在咫尺之间。在软件方面,高度集成于可扩展的功能,基本需求(灯具开关)、扩展需求(电流、电压、功率因素检测)及创新需求(单灯控制、多灯联动、调光、调色)灵活组成,既满足照明需求,同时又能扩展更多的功能带来更好的用户体验。
       2.1 应用类别
       2.1.1点(灯)控制
       直接对某一盏灯或某一组灯进行控制,早期居家照明及商业照明基本都使用电器开关、导线及组合完成点(灯)控制模式,也是使用最为广泛的照明控制系统的基本单元。
       2.1.2区域控制
       区域控制照明系统仅在某个区域范围内组成的照明控制系统,其对区域范围内的所有灯具按不同功能要求进行直接或间接的控制。其电路设计上是按回路的容量进行的,所以又称路(线)控型照明。并由主控、照明单元和控制信号交互等组成,主要应用在公共场所、街路、隧道、桥梁、城市标志性建筑和公共活动区域的照明中。
      2.1.3网络控制
       网络控制照明系统是通过计算机网络技术将局部或区域照明进行联网,由控制中心进行统一管理的照明控制系统。照明控制中心的计算机控制系统对控制区域的照明设备进行统一的控制管理,并通过控制中心对系统的每盏灯进行监控达到全面控制目的。
       2.2技术创新实例
      (1)Lumen Smart LED
       Lumen Smart LED的设置非常简单,你只需要把灯装入灯具、在应用iOS或Android系统的手机下载应用程序就可以开始配对,并用Wi-Fi与灯连接应用程序来调控灯。应用程序非常直观,可以自由调节灯的颜色、开启、关闭或RGB模式预设功能。400 lm的光通量相当于40 W的白炽灯泡,Lumen Smart LED的优势在于更广泛的颜色范围和更准确的色调,可以实现更生动的照明,尤其是 “派对模式”需要这种丰富颜色效果的场景。
      (2)Philips hue③
       在2014年拿下iF大奖的Philips hue,是可连结网路与智慧型手机APP的LED灯,其改变了灯泡只有照明功能的传统概念。可透过不同灯色来辨识天气状态、球赛结果、电子邮件以及社群网站的讯息。Philips hue最基本的功能就是自由变换居家灯光色调,使家居照明的环境可以变得更精彩,甚至可以表现我们的心情和生活态度。这可以说是LED照明技术和无线智能控制技术的完美结合,未来的应用性更广,不只透过时间来自动提醒,另外在定位、远端遥控、场景控制、照片取色…等灯光管理运用,都是非常有创意的功能。
      (3)Lifi④
       复旦大学计算机科学技术学院的研究人员将网络信号接入一个1W的LED灯,灯光下的4台电脑即可上网,最高离线速率可达3.75Gbit/s,实时速率达到150Mbit/s,堪称世界最快的“灯光上网”。研究人员指出,光和无线电波一样都属于电磁波的一种,传播网络信号的基本原理是一致的。给普通的LED灯装上微芯片可以控制它每秒数百万次闪烁,由于频率太快,人眼根本觉察不到,光敏传感器却可以接收到这些变化,二进制的数据就被快速编码成灯光信号并进行了有效的传输。灯光下的电脑通过一套特制的接收装置读懂灯光里的“莫尔斯密码”。
       “有灯光的地方,就有网络信号。关掉灯,网络全无。”与现有Wi-Fi相比,未来的可见光通讯安全又经济,Wi-Fi依赖看不见的无线电波传输,设备功率越来越大,局部电磁辐射势必增强,无线信号穿墙而过,网络信息不安全。这些安全隐患在可见光通讯中“一扫而光”。而且,光谱比无线电频谱大10000倍,意味着更大的带宽和更高的速度,适用于航空、航海、地铁和室内定位等封闭场所的应用。
       2.3技术优势
       2.3.1 转换场景多样化
       智能控制照明系统可预先设置不同的场景模块,需要时只要在相应的控制面板上进行操作即可调入所需的场景。用户还可以通过可编程控制面板对场景进行实时调节,以适应不同要求。另外,用户还可以通过接口用便携式编程器进行不同场景的变换设置。 
       2.3.2 照度均匀性更好  
       一般照明设计师对新建筑物进行照明设计时,会考虑到随着时间推移,灯具光通量和墙面反射率的衰减,因此,其初始照度设置较高。这种设计不仅造成建筑物在不同使用期(或再次装修的间隔期)的照度不一致,而且还会由于初期照度偏高而造成不必要的能源浪费。当采用智能照明控制后,虽然照度还是偏高设计,但由于可以智能调光,系统将会按照预先设置的标准亮度使照明区域保持恒定的照度,而不受灯具效率降低和墙面反射率衰减的影响。
       2.3.3 提升节能效果
       智能控制照明系统凭借不同的智能设置控制方式和控制组,对不同时间段及环境的照度进行精确管控,对照明灯具实现二次节能。统计分析结果表明,使用智能照明系统比常规照明节约30%以上能源。
       应用智能控制系统后,当人进入传感器感应区域灯渐亮,当人离开感应区域后灯的亮度降低或熄灭。并使公共区域的“长明灯”受控,系统给需要的地方在需要的时段以充分的照明及关闭不需要的灯,使照明节能效果更好。
       2.3.4 延长灯具寿命
       电网电压波动大是导致灯损坏的主要原因,智能控制照明系统通过对电压的限定以及轭流滤波可以有效地抑制电网电压的波动。灯的控制装置采用宽电压自适应、软启动及软关闭电路,避免电网冲击电压和浪涌电压的冲击及延长灯具寿命。降低了系统故障率及减少运行维护工作量。 
       综上所述,智能化与照明技术的结合,构筑了充分的技术平台,将节能、低能耗、长寿命、运行节约、以人为本和二次节能的理念充分演绎。
       2.4存在的问题
       推广智能照明的应用主要障碍是需要复杂的系统支持,有的智能照明方案存在施工难度大、成本较高、需专业人员进行调试和维护,用户难以接受。
       3 智能控制LED照明的发展趋势
       《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》在“推进智慧城市建设”一节中指出,智慧城市建设要“统筹城市发展的物质资源、信息资源和智力资源利用,推动物联网、云计算、大数据等新一代信息技术创新应用,实现与城市经济社会发展深度融合。
       3.1技术发展方向
       3.1.1 Bus系统
       Bus系统由系统主机、信号输入和控制单元组成,信号输入是把外界控制信号转换为系统信号,包含各种触屏、控制面板、遥控器和传感器。系统主机含多通信接口和监控软件,控制单元包含各种调光模块和控制模块,执行系统命令实现现场和中控电脑集中控制的智能化控制。系统的兼容性、扩展性和可靠性非常高。
       3.1.2 DALI系统
       可寻址照明接口DALI控制协议不属于任何公司, DALI定义协议采用主从式结构,目的在于建立一个结构清晰和简单的系统,应用在智能照明的高性能管理。DALI提供一种简单及灵活的数字通讯方式,并且可以组合不同厂家符合DALI标准的照明灯,系统中可有多个单独存储数据的控制器。
       3.1.3 节能设计及数字控制
       楼宇智能控制技术和照明技术的快速发展,采用先进节能方案设计和数字控制是行业发展的必然趋势。封闭协议与自控技术发展的潮流不同,当企业研究开发智能控制系统时应遵循开放协议,保证系统具备极强的可扩展性和兼容性,可以将不同厂家产品按协议组网,满足各类用户的需求。
       照明控制系统应考虑采用成熟的TCP/IP协议,其通信接口成熟且价格低廉,控制系统可依托建筑内部网络实现数据的交换,不再额外敷设总线,可减少项目的复杂程度和降低投资。
       3.2 技术应用前景  
       3.2.1家居领域——提供舒适的生活空间  
       据了解,随着互联网、物联网和大数据的不断发展,预计智能家居市场需求将迎来快速增长期。根据《2013年度中国智能家居行业研究报告》中显示,未来3年,国内智能家居市场增速将不断提升,到2016年预计可达到29.17%,到2017年,国内智能家居行业市场规模将达80亿元。
       智能家居市场的迅速发展,吸引了众多企业加入。智能家居已成为LED照明企业的主要技术开发方向之一。尤其在无线网络业务的普及下,大多数家庭都具备了部署智能化家居系统的基础条件,为智能家居照明做了很好的铺垫。而近年来智能手机的迅猛发展,也使得人们对智能照明应用的接受度大大提高。
       IGOO发布了一款智能灯,号称颠覆传统家庭照明产品,将高端科技带入家用照明领域,其独特的“光曲播放器”中更拥有起居、睡眠、就餐、教育、聚会、爱情、音乐、光疗等八大类光曲。据说光疗功能还可以有效改善失眠的症状,帮助调节商务人士经常出现的时差状况等。Philips推出过一款概念LED灯,不仅通过以太网供电,还能感知区域内人员动作和环境温度等信息。近期LG也发布了首款名为Smart Lamp的智能灯泡,该灯泡据称要比传统的灯泡节能80%,用户可以通过手机上的app来开启、关闭或调整灯的亮度。
       智能照明无疑带给了人们全新的家居生活体验,而目前智能照明的推广障碍,主要集中在产品价格和使用习惯。在产品价格方面,由于LED照明市场已日趋成熟,整个产业链的整合已经将LED灯的成本拉到了用户可接受范围内。在使用习惯方面,随着互联网高速发展以及各个照明巨头如Philips、Osram等纷纷进入这一领域,未来的家居必然会走向智能化。
       3.2.2 办公领域——在节能中体现效率
       办公环境优越代表了公司的形象,智能控制技术营造的光环境让人倍感舒适,通过对自然光的诱导结合LED灯的补光,在会议室应用智能调光系统实现任意预设场景模式,通过按钮切换不同的场景模式,让员工处于最佳工作状态完成自己的工作。同时,良好节能意识在智能照明系统得到体现,其自动感应控制装置可最大化利用自然光,使照明环境保持在恒照度的状态,自动关闭无人区域的照明灯,把能耗降至最低。
       3.2.3 公共领域——节能环保
       在公共领域的隧道照明中,普遍存在内光线太暗或内外光线差别太大容易引起交通事故。应用智能控制LED照明可改善光线暗和光差问题并实现二次节能,系统可随着外面光线的强弱而自动调节隧道内的灯光,避免内外光差对驾驶员的影响。通过对节能环保的LED照明的推广应用,可以让隧道内的LED灯光强度随着太阳升起而慢慢增强,又能随太阳偏西而逐渐减弱进入夜间照明模式。
       3.3 打造利润新增长点
      未来几年,中国LED照明的市场规模将突破1000亿美元,而目前国内的智能控制LED照明市场渗透率还不足2%,应用主要体现在可调光调色的家居照明和可调亮度的道路照明。随着家居、公共场所以及各领域照明市场对智能照明需求的逐步扩大,即使以20%的渗透率计算,也有数千亿元人民币的市场空间待发掘。
       技术创新是推动经济社会发展的动力,在智能控制LED照明广阔的市场需求条件下打造其利润新的增长点,其发展趋势则是将相互兼容的品牌产品集中在一起得到合理应用,使照明行业走向以智能控制为导向的市场引领,让智能控制与新光源结合,创造一种崭新的高技术和高科学思想含量的照明文化。
 
       ①②参考LED照明网
www.jspsoft.cn《2014年智能LED制胜之道》,2014年1月5日行业新闻报道
       ③参考LED在线
http://www.ledinside.cn/《玩家“大秀”飞利浦hue智慧照明体验》2014年4月25日新闻报道。
       ④参考中国半导照明网
http://www.china-led.net《复旦新技术:无需WiFi 点盏LED灯就能上无线网》

参考文献

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