智能LED照明系统与传感技术简述

　LED照明正在向智能化方向发展，LED照明智能化目的是为了更好的节省能源和实现智能控制，LED照明技术的智能化需要将传感技术、信号智能处理技术、电子控制执行技术整合在一个系统里，LED光源模组的点亮还需要用直流恒流电源驱动。本文将围绕智能LED照明简述几种智能LED照明系统及传感技术，以及光敏传感器、热释电红外传感器、菲涅尔透镜、信号放大处理和控制电路，红外自控LED节能灯具系统设计方案。

　　智能照明控制系统通常可以分为三类：一是室内智能照明系统—适用于商业照明、居家照明;二是室外智能照明系统—适用于景观照明、公共建筑和道路系统照明;三是专业智能照明系统—适用于特定场所艺术照明。

　　目前，应用机会比较多的智能照明控制系统是景观照明、公共建筑和道路系统照明，它们大多数是多灯智能网络控制照明系统;居家照明是室内智能照明控制系统，大多数是智能单灯自动控制。

　　简单的智能LED照明系统

　　简单的智能LED照明系统如图1所示。它由传感器+MCU+控制执行+LED(包括LED光源、驱动电源)组成。特别适合于室内智能照明单灯。

　　传感器的主要功能是采集各种有用信号，将非电量信号变换成电量信号，将微弱信号进行放大。目前适用于LED智能照明的传感器有红外线传感器、超声波传感器、光敏传感器、照度传感器、声敏传感器、霍尔传感器。它们能自动的收集人体的活动信息、光线的明暗变化的信息、声音响度变化的信息、物体位移的信息。将这些非电量信号变换成电量信号，经智能处理后，就能对照明灯具进行自动控制，开启或关闭LED照明灯具。适用于LED照明用的传感器大多是用微电子技术设计、制造的，如MEMS等，因其体积小容易与LED光源和驱动电源配置在一个灯具单元里。MEMS可以像集成电路那样大批量生产，成本低廉。

　　传感器输出的电信号十分微弱，需要对小信号进行预处理，因此需要信号调理处理器，智能信号处理包括模数转换(ADC)、多工器(MUX)、可编程增益放大器(PGA)、电压基准(REFERENCE)、激励电源(EXCITATIONS)，甚至嵌入微处理器(MCU、ASIC)、存储器(RAM、E2PROM)等单元，它们采用集成电路的技术制造。这种信号预处理器可作为输入信号调理前端与MCU做成一体。MEMS制程工艺与集成电路完全不同，因此不能与集成电路做在同一晶圆上。但是可以将MEMS和MCU采用片上系统(SOC)技术封装在一个单元的模块内。

　　MCU或ASIC对采集的信号自动进行智能化处理，可以在生产时用软件写入一些智能程序。以便产品在使用时自动实现这些既定功能。

　　电子控制执行部分是智能处理结果实现的自动操作系统，在智能照明应用中，一般它直接控制电源的电子开关，控制LED光源的点亮或熄灭。需要远程控制或集团控制的，还可加入Zigbee、WLAN、TCP/IP、WiFi等无线通讯的芯片，将控制信号远距离传送、遥控。

图1   简单的智能LED照明系统

　　MEMS传感器与智能MCU封装在一个SOC单元里的技术已经相当成熟。将物理量、化学量、生物量的MEMS传感器与带传感器信号调理的MCU封装在一个SOC中可方便设计智能照明灯具的使用(图2)。ASIC具有强大的功能，可以轻松的完成传感器送来的小型号处理和转换，推动控制执行动作。

图2   MEMS与智能MCU的SOC

　　七八年前汽车电子产品----自动胎压报警系统(TPMS)用的、放置在汽车轮胎内的传感模块，就是由MEMS的压力、加速度、温度传感器与ASIC芯片封装在一个SOC中，图3右下就是这个模块去掉封装塑料后内部窥视图，可见压力传感器、加速度传感器和MCU(ASIC)封装在一个SOC单元里。

  
图3 TPMS的SOC模块

　　单灯的智能照明控制系统

　　单灯的智能照明控制系统必须做得十分紧凑，才能放入空间有限的灯具里面。智能照明的单灯需要有一个收集外界信息的传感器、一个带信号处理的MCU、一个电子开关、一个AC/DC的恒流电源、一个LED光源板(图4)。设计一个单灯的智能照明控制系统的灯具，必须首先确定应用目标，才能决定选用哪一种传感器。

图4 单灯的智能照明控制系统

　　带红外传感器的LED照明灯具如图5所示，这款带红外传感器的LED照明灯具 ，采用E27标准螺口灯头的灯具，它的电源适用范围是 AC180V-250V (50/60Hz)， 红外传感器检测范围大约在3M—15M，它的标准产品 IFS-Bulb 3W灯具达80 lm ，5W灯具达140 lm 。随着LED的光通量提高，目前产品可达300-450lm。从图5可见在LED光源模块的中央部分嵌入红外线传感器。一旦红外传感器检测到人的体温，LED光源将会在50秒内自动开启，然后延迟一定时间关闭。适用于任何一种室内应用，如走廊、储藏室、楼梯和大厅入口处。

图5   带红外传感器的LED照明灯具

　　红外自控LED节能灯具系统方案设计思路

　　具体的红外自控LED节能灯具产品方案设计思路，应依据信号采集和处理的路径，设计各功能部分，整体上满足产品设计的目标。红外传感器输出的信号很小，必须加以放大才能使用，因此红外自控LED节能灯具系统方案设计思路如图6所示，将红外传感器的微弱信号通过一个四运放(LP2902M)的仪表放大器放大和比较，经CD4538多谐振荡器组成的计时器电路，再经一大功率三极管驱动继电器实现LED电源的开闭，由LED驱动电源去点亮灯具中的LED光源或LED光源阵列。电原理图如图7所示。

图6 红外自控LED节能灯具产品方案设计思路

图7 红外自控LED节能灯具系统方案电原理图

　　红外传感器与菲涅尔透镜

　　红外传感器是一种热释电红外传感器，它是用具有热电性能材料做成的热探测器，可能是产业界用得比较多的红外传感器之一。

　　红外热释电传感器信号产生原理示意如图8，传感器表层温度无变化时敏感元电荷保持平衡T [K]，当接收外界红外辐射，表层温度即发生变化，敏感元随之变化，T+∆T [K]。也即由于外界的红外辐射而引起传感器敏感元表层温度变化时，红外传感器才释放出电荷(电流);当温度变化趋于稳定，内部电荷就趋于平衡，敏感元就没有电荷(电流)产生，对静止的热源体没有电流输出。利用红外传感器这一特性，可以及时检测运动的红外热源，如人类的走动。红外传感器是一种被动型温度敏感器件，对应用环境温度不苛求，灵敏度高，光谱响应宽。可广泛用于各种红外入侵探测器、照明灯具的自动感应开关。

　　红外热释电传感器的外形如图9-1所示，图9-2是传感器的电原理图，图9-3是传感器的典型应用图。上海尼赛拉传感器有限公司在上海、昆山大批量生产红外传感器，为国内外提供高品质的稳定货源。

图8 红外热释电传感器信号产生原理示意

　　红外热释电传感器的成功应用需借助于菲涅尔透镜，菲涅尔透镜在红外热释电传感器前具有聚焦和视角调制的作用，菲涅尔透镜可扩大红外热释电传感器接收红外信号源的视角和探测区域，因此可以监视运动中的红外源或移动热源(图10)。菲涅尔透镜一般种类有：水平多分割式(或称水平幕帘式、特殊应用)、垂直多分割式(或称垂直幕帘式、特殊应用)、水平垂直分割式(常用)、圆锥多区分割式(顶视式、常用)等数种，应按不同灯具的产品功能需要来选用。菲涅尔透镜是由专业厂家制作的，有专门的光学设计，经专用模具压制的特种塑料零件。

图10 菲涅尔透镜与红外热释电传感器

　　光敏传感器与光敏电阻的原理

　　光敏传感器是一种光敏二极管，是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。 应用时需要有一个与环境光接触的窗口。当光线有明暗变化时，PN自动导通或关闭(图11)

图11 光敏传感器电原理

图12 光敏传感器和光敏电阻

　　与光敏传感器工作原理类似的还有光敏电阻，工作原理都是一样的，都可以用来采集光线明暗变化的信号，作为光线传感器来用，实物如图12。

　　室外智能照明系统方案

　　室外智能照明系统泛指景观智能照明、公共建筑和道路系统智能照明。智能照明控制技术是随着建筑和照明技术的发展而发展，利用了先进的电子技术、计算机网络技术对照明进行实时监控、调节，以节省能源;操纵多个电路去创造特定的视觉效果。照明不仅仅是满足人们视觉上明亮的要求，还要满足艺术性要求，调整灯光来改变一个空间的感觉。照明控制的作用 ：节能、延长光源寿命、提高照明质量、多种照明效果。照明控制原则：安全、可靠、灵活、经济。

图13 国家体育场—鸟巢LED灯光控制系统架构示意图

图14 一种楼宇LED智能照明网络方案

　　智能LED照明系统小规模应用时可以单独使用，例如商场、办公室等场所。也可以大范围并网控制，例如酒店、楼宇、景观等。组网形式简单、灵活，新增加的灯具可以随时接入已有的网络，无须改变原来的结构，方便LED在各领域的应用。通过遥控器、控制面板、液晶触摸屏可以方便地管理一定范围内所有的LED灯具实现无线控制、场景控制;彻底改变传统一组开关控制一组灯光的模式，提高LED灯的数字化管理和网络化管理。北京国家体育场鸟巢LED灯光控制系统架构示意图就是一个智能照明多网络组网控制实例(图13)。一种楼宇LED智能照明网络方案如图14，智能控制系统可以通过以太网和Zigbee无线通信方式智能控制楼宇中各个房间的LED照明灯具开关和调光。因室外智能照明系统技术涉及内容很多、范围很广，需要分门别类详述，本文在此暂不做具体介绍。