模塊化設(shè)計(jì)的LED智能控制系統(tǒng)研究

劉紅平

（長沙師范學(xué)院，湖南 長沙410000）

1 研究現(xiàn)狀

（1）國外早在20世紀(jì)90年代就開始從事智能照明控制系統(tǒng)的開發(fā)，已開發(fā)出相對獨(dú)立的、專門用于照明控制的智能照明控制系統(tǒng)。澳大利亞邦奇公司開發(fā)Dynalite照明控制系統(tǒng)，能夠?qū)ν粓鏊亩鄠€(gè)燈區(qū)進(jìn)行控制，且每個(gè)燈區(qū)可以設(shè)置5種場景，通過對智能面板操作可選擇適宜的照明氛圍，采取遙控、現(xiàn)場感應(yīng)、現(xiàn)場面板、場景等控制方式，營造各種適宜的光環(huán)境。但是它不完全符合LED驅(qū)動設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，忽略了光源的光衰現(xiàn)象，環(huán)境總體照度達(dá)不到照明質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)不到恒照度照明光環(huán)境的要求，且除常規(guī)的過壓、過流保護(hù)外，在過溫保護(hù)方面達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)；美國路創(chuàng)公司開發(fā)的LC&D照明控制系統(tǒng)，能夠按照用戶的需求，設(shè)定照明時(shí)間、區(qū)域、方法，對每一個(gè)回路進(jìn)行獨(dú)立控制，可以解決傳統(tǒng)控制存在的相對分散與不易管理等弊端，但控制系統(tǒng)的智能化程度不夠高，在場景控制和燈光亮度調(diào)節(jié)方面技術(shù)不夠成熟，且存在無故障自檢功能、維護(hù)不便，靈活性低，可擴(kuò)展性差等問題；隨著無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，韓國友美、西班牙SALICRU公司推出的基于GPRS的智能照明控制系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代通信、自動控制等先進(jìn)技術(shù)，通過有線或無線的傳輸方式，對照明設(shè)備集中實(shí)現(xiàn)遙測、遙控、遙調(diào)等“三遙”智能數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，使LED照明與現(xiàn)場環(huán)境緊密相結(jié)合，達(dá)到節(jié)約能源和方便控制的目的。但應(yīng)用在智能照明控制的產(chǎn)品不穩(wěn)定，市場定位較高，主要用于一些高檔場所，難以被廣泛推廣。盡管如此，但他給智能照明控制系統(tǒng)的研究帶來新的思路。

（2）我國的智能照明控制研究起源于20世紀(jì)90年代，一方面源于科技的進(jìn)步及資源節(jié)約型社會的發(fā)展需要，另一方面，由于一些國際知名智能照明控制廠商相繼進(jìn)入中國市場，為中國的照明市場注入了新活力，進(jìn)入21世紀(jì)，國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了眾多的智能照明廠商，如合廣測控、清華同方、瑞朗、索博等。第四代光源LED出現(xiàn)后，照明廠商加大資金、人力和科技的投入，推出各類LED智能控制產(chǎn)品。如遠(yuǎn)紅外的電子節(jié)能開關(guān)、用于教室照明的智能控制器等，她們利用各種傳感器采集外界信息，通過簡單的照明控制策略來控制LED，其在遠(yuǎn)程控制、智能化控制方面的技術(shù)遠(yuǎn)不夠成熟。

現(xiàn)行的照明控制系統(tǒng)存在著功能簡單，效率不高，操作復(fù)雜，智能化低等諸多缺點(diǎn)：一是系統(tǒng)智能化水平還不高，控制策略不夠完善，二是在故障自檢、遠(yuǎn)程調(diào)控方面的技術(shù)還有待提高；三是存在安裝復(fù)雜、擴(kuò)展性低、成本昂貴的問題。

正是由于存在的這些問題，為企業(yè)和開發(fā)者提供了更多的競爭和發(fā)展機(jī)遇。由重慶大學(xué)承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目“高可靠大功率分布式諧振恒流LED驅(qū)動電源系統(tǒng)研究”提出一種新型的可以直接適用于工頻交流輸入的無源恒流LED驅(qū)動電源，可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)及輸出電流平均值恒定的功能。可靠性高，使用壽命長，無源元件可以回收利用，能夠滿足可持續(xù)照明電源的三大要求。但由于內(nèi)部不含電解電容、有源開關(guān)及相關(guān)驅(qū)動、控制和輔助電源電路，即沒有考慮電源電磁兼容性（EMI濾波器）的設(shè)計(jì)，防浪涌、短路、過載、防雷等保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。

吉林大學(xué)承擔(dān)的吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目重大專項(xiàng)“大功率LED照明燈散熱與光效研究及新產(chǎn)品開發(fā)”通過深入研究照明控制系統(tǒng)架構(gòu)和無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了適用于該系統(tǒng)的通信協(xié)議，提出了一種新的照明控制系統(tǒng)，可以對LED燈實(shí)施統(tǒng)一開關(guān)，對夜間照明系統(tǒng)和LED燈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的不足，有效節(jié)約電能消耗，具有遠(yuǎn)程遙控和故障報(bào)警等功能。 但對于LED的智能調(diào)光控制功能遠(yuǎn)達(dá)不到要求，智能調(diào)光裝置需進(jìn)一步完善。同時(shí)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

將LED光源與智能照明相結(jié)合已成為照明控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。國內(nèi)雖然在智能照明控制系統(tǒng)研究方面上取得一定進(jìn)展,但目前為止尚未出現(xiàn)一種較為完善的照明系統(tǒng)能夠滿足智能化的照明控制要求。

2 理論分析

本文通過深入研究LED智能照明控制系統(tǒng)通信技術(shù)，LED驅(qū)動電源技術(shù)和LED調(diào)光技術(shù)，開展LED智能照明層級式控制架構(gòu)、區(qū)域節(jié)點(diǎn)控制器、智能調(diào)光裝置以及控制中心管理系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)及各功能模塊的配置與相應(yīng)的軟硬件的研究與設(shè)計(jì)工作。

（1）分析LED多模式層級化智能照明控制系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)及管理通信模式，按結(jié)構(gòu)功能模塊對各個(gè)模塊作功能需求分析；

（2）分析LED發(fā)光特性、伏安特性，建立具多路驅(qū)動能力的無電解電容串聯(lián)諧振恒流LED驅(qū)動電源理論模型，分析與系統(tǒng)仿真基于恒定導(dǎo)通時(shí)間控制的LED驅(qū)動電源模塊電路，確定AC/DC(PFC)+DC/DC的兩級驅(qū)動方案；

（3）分析LED調(diào)光技術(shù)，建立PWM調(diào)光的期望光度量、色度量與電流占空比之間的定量計(jì)算模型，利用Saber軟件對調(diào)光模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真,設(shè)計(jì)多模式數(shù)字調(diào)光的滑膜變結(jié)構(gòu)的PWM智能恒流調(diào)光電路；

（4）對比分析現(xiàn)場總線、無線通信和電力線載波通信與其他通信方式的異同點(diǎn)，選擇LED智能照明控制系統(tǒng)通信組合方式，分級分層次構(gòu)建控制系統(tǒng)通信鏈路；

（5）分析基于Z-Stack協(xié)議棧的操作系統(tǒng)，完成區(qū)域節(jié)點(diǎn)控制器、調(diào)光裝置應(yīng)用程序的開發(fā)；控制中心軟件采用Visual Basic，數(shù)據(jù)庫采用Access，設(shè)計(jì)區(qū)域照明控制模式，優(yōu)化控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。

3 技術(shù)路線

（1）首先分析LED多模式層級化智能控制系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)，對各個(gè)模塊提出功能需求（驅(qū)動電源、調(diào)光技術(shù)、通信方式）。

（2）分析LED發(fā)光特性、伏安特性，建立LED串聯(lián)諧振恒流電源理論模型，確定AC/DC（PFC）+DC/DC的兩級驅(qū)動方案，研制LED驅(qū)動電源原型機(jī)。

（3）根據(jù)恒流調(diào)光原理，采用開關(guān)穩(wěn)壓器，選用PWM波設(shè)計(jì)恒流調(diào)光電路，制作實(shí)驗(yàn)電路板測試，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。

（4）分析LED調(diào)光芯片的輸入輸出端口特性，選用LM3409HV芯片制作低壓恒流調(diào)光電路，選用IRS2541芯片制作高壓恒流調(diào)光電路，并設(shè)計(jì)出LED智能調(diào)光裝置。

（5）針對不同通信方式的優(yōu)劣勢，LED智能控制系統(tǒng)與區(qū)域節(jié)點(diǎn)控制器采用現(xiàn)場總線或GPRS鏈路，區(qū)域節(jié)點(diǎn)控制器與LED智能調(diào)光裝置采用電力載波通信或無線通信，實(shí)現(xiàn)雙向通信。

（6）采用基于ARM系列微控制器主板，設(shè)計(jì)區(qū)域節(jié)點(diǎn)控制器的軟硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)置其智能監(jiān)控與管理方式。（7）建立整個(gè)智能照明控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的有效性。

4 研究展望

本文開展所依托的主要理論基礎(chǔ)——電磁學(xué)理論、電力電子技術(shù)和通信技術(shù)都是成熟的理論，且LED驅(qū)動電源技術(shù)、調(diào)光技術(shù)及LED照明控制通信技術(shù)的發(fā)展,為LED多模式層級化智能照明控制系統(tǒng)的研究奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)；國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)也開展了相似的研究并取得了一定的成果，如吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目重大專項(xiàng)“LED照明燈散熱與光效研究及新產(chǎn)品開發(fā)”、澳大利亞邦奇公司開發(fā)Dynalite照明控制系統(tǒng)，這些研究的成果都為本研究的開展提供了良好的經(jīng)驗(yàn)積累和理論借鑒，國內(nèi)外科學(xué)研究者們已進(jìn)行了大量的研究工作并取得了較為矚目的成果。特別在LED驅(qū)動電源、調(diào)光技術(shù)、通信方式組合、抗干擾等方面。本研究期望針對上述問題進(jìn)行更加深入研究，為實(shí)現(xiàn)具有工程實(shí)用價(jià)值的LED智能照明控制系統(tǒng)，提供先進(jìn)的基礎(chǔ)研究理論與系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。

針對LED傳統(tǒng)照明控制節(jié)能效率低、控制方式單一、智能化低、擴(kuò)展性差等問題，本文通過探索LED發(fā)光、伏安特性，分析基于恒定導(dǎo)通時(shí)間控制的LED驅(qū)動電源的模塊電路，建立具多路驅(qū)動能力的串聯(lián)諧振恒流LED驅(qū)動電源理論模型，構(gòu)建LED恒流驅(qū)動電源原型機(jī)；分析PWM調(diào)光技術(shù)的幾何、光度、色度與電力約束條件，建立PWM調(diào)光的期望光度量、色度量與電流占空比之間的定量計(jì)算模型，設(shè)計(jì)多模式數(shù)字調(diào)光的滑膜變結(jié)構(gòu)的PWM調(diào)光裝置；對比現(xiàn)場總線、無線通信和電力載波通信及其他通信方式的異同，分級分層構(gòu)建控制系統(tǒng)通信鏈路；采用模塊化軟件結(jié)構(gòu)，完成應(yīng)用層程序和控制中心軟件開發(fā)等研究，擬開發(fā)出LED多模式層級化照明控制系統(tǒng)。期望實(shí)現(xiàn)多種照明模式控制，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控LED的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障，通知用戶維修的目標(biāo)，具節(jié)能效率高、智能化高、靈活性大等特點(diǎn)。本文同時(shí)對LED驅(qū)動電源、調(diào)光技術(shù)以及軟件編程奠定科學(xué)的理論基礎(chǔ)，為LED智能照明控制的應(yīng)用提供有價(jià)值的、科學(xué)的思路。