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      蘭州交通大學學報公布照明系統與傳感技術新應用

      廣東LED2020-11-03 16:02:09

      摘要

      闡述傳感技術配合“LED+智能”照明進行系統管理,從工作原理,硬件和軟件設計方案中體現傳感器在智能LED照明系統中擔當的重要角色。預測LED照明與更多傳感器及無線通訊技術相融合得到廣泛應用,讓人們感受更為舒適的光環境。


      關鍵詞

      傳感技術、智能、熱釋電紅外探測器、環境光傳感器、聲控傳感器



      引言

      隨著人們生活水平的提高,具有色彩豐富的LED(light emitting diode,LED)在家居照明、商業照明、公共照明和景觀照明等領域得到廣泛應用,各類傳感器和智能控制系統在LED照明的二次節能中發揮的作用得到充分地體現,傳感器在“LED+智能”照明系統中起到傳輸信息與交互的作用,有效控制燈的照明時間實現節約能源,也是實現智能控制的重要一環。本文重點介紹“LED+智能”照明與傳感技術結合應用的方案特點,為了讓人們擁有舒適的光環境及可持續節約能源,照明產品正由傳統單一的照明轉變為智能照明系統,各種傳感器與LED照明產品匹配充當智能控制系統的眼睛。例如在公共照明領域,LED路燈利用光敏傳感器根據白晝周期實現光控,紅外傳感器采集人們的活動信息實現人走燈滅,使我們的生活更加節能環保,“LED+智能”照明與傳感技術的結合應用將顛覆傳統照明概念。


      1 傳感技術概述?

      人為了從外界獲取信息必須借助于感覺器官,在信息傳輸過程中,首先要解決的就是獲取準確及可靠的信息,傳感器(transducers)是獲取自然環境和相應工作過程中信息的主要途徑與手段。國家標準GB/T?7665-2005《傳感器通用術語》定義傳感器為:能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成。


      1.1 ?典型傳感器


      (1)熱釋電紅外傳感器:熱釋電紅外傳感器(passivelnfrared ray)是將具備熱釋電材料做成的熱敏型紅外傳感器,可把透過濾光晶片紅外輻射能量轉變為電信號的熱電轉換。其工作原理如圖1,探測器表層溫度沒有變化時,內部電荷與表面吸附電荷所中和,則探測器的溫度保持平衡T[K]。如果接收到外部紅外輻射時,其溫度發生變化,敏感元則會有變化T+?T [K],即由外部紅外輻射引發探測器敏感元表層的溫度變化時,傳感器會釋放出電流。當溫度穩定,內部電流則平衡,敏感元就無電流產生,對相對靜止的熱源體則無電流輸出,通過利用熱釋電紅外探測器這一特征,可檢測到如人運動的紅外熱源,此類傳感器是被動型的溫度敏感器件,對應用的環境溫度要求不高,靈敏度極高且光譜效應寬,大量應用于照明行業。



      ?圖1 ?熱釋電紅外探測器原理


      值得注意的是紅外熱釋電傳感器的應用必須借助菲涅爾透鏡(fresnel lens),菲涅爾透鏡為聚烯烴或玻璃制造的薄片,薄片表面一面為光面,另一面刻錄了由小到大的同心圓,在傳感器結構中具有視角調制與聚焦的作用,可擴大探測器接收信號源的范圍,探測警戒線內紅外能量的變化,監視在運動的紅外源或者移動熱源。菲涅爾透鏡與紅外熱釋電傳感器配合應用如圖2,由系統固化軟件對采集的全部數據進行分析后傳輸給控制中心,并經過邏輯分析并判斷是否發出控制信號。

      圖2 ?菲涅爾透鏡與熱釋電紅外探測器的應用


      (2)光敏傳感器:光敏傳感器(photovaristor)即光敏二極管,是一種通過感知周圍光線并能將光信號變為電信號的半導體器件,通過核心部件光敏電阻利用半導體光電效應形成電阻值,可隨著入射光線的強弱改變電阻器的阻抗值,光亮度強時則其電阻小,光弱則其電阻大。光敏傳感器常用于光的測量、控制及光電轉換,另一核心部分PN結的結構不同于普通二極管,為便于接入光線,PN結的面積會盡量做大和電極面積做小,把PN結空穴做淺到小于1 μm。圖3為光敏傳感器工作原理圖,在應用時會有一個感應環境光強弱的端口,當光線變化時,PN會自動開關。通常路燈運用光敏傳感器實現天黑時開燈及天亮后滅燈的功能,不需人工操作而實現光控模式的典型應用。


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      圖3 ?光敏傳感器電路


      (3)聲控傳感器:由聲音控制傳感器、音頻放大器、選擇頻道電路、延時開啟電路及可控硅控制電路等組成的聲控傳感器(microphone array)。以聲音對比結果來判斷是否要啟動控制電路,用調節器給定聲控傳感器的原始值設定,聲控傳感器不斷地將外界聲音強度與原始值做比較,當超過原始值時向控制中心傳達“有音”信號,聲控傳感器在樓道及公共照明場所得到廣泛的應用。


      ?(4)溫度傳感器:?能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器為溫度傳感器(temperature transducer)。由于LED燈具散熱不佳而導致LED早期失效或光衰嚴重的案例很多,固照明產品在結構設計時廣泛采用溫度傳感器作為LED或控制裝置的過溫保護裝置,在燈具的熱源處利用溫度傳感器來實時監控燈具的溫度,當燈體溫度升高到上限值時,電路自動降低控制裝置的輸出電流或關閉控制裝置使燈具降溫,當溫度降至設定下限值時自動調整控制裝置的輸出電流至額定值或重新開啟,其工作原理見圖4。


      ?圖4??NTC過溫保護電路


      1.2??LED+智能”照明與傳感技術


      物聯網是全球信息化應用的熱點,每個需要識別和管理的物體或場景都需要安裝與之對應的傳感器來實現信息收集和傳遞。圖5為“LED+智能”照明系統架構圖,系統的設計首先是將傳感器置入各應用端,并編制照明回路的負載清單,使每路LED燈的控制性質保持一致,系統對回路的劃分根據管理需要進行分組及控制,構建協調的管理模式及編制系統設備配置表,并設計好匹配的控制裝置,采用多模式控制與集成模塊架構的系統管理方案。


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      圖5 ?“LED+智能”照明系統架構


      ?在“LED+智能”照明系統的硬件設計方面,通常采用光敏傳感器來檢測環境光的亮度,采用熱釋電紅外傳感器檢測人身體輻射微量,采用溫度傳感器檢測照明燈具LED的定點溫度,采用聲控傳感器來感知現場的聲音強度。智能控制系統將傳感器采集到的信息經A/D轉換之后傳輸給CPU,運算處理后的信息再經D/A轉換成電信號傳輸到運算放大器進行運算處理,形成指令發送到每個終端LED燈的控制電路,由LED控制裝置來執行對LED燈的控制,具體方案見圖6。


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      圖6 ?“智能+LED”照明控制架構


      “LED+智能”照明系統的程序采用模塊化集成電路,以主程序為核心的傳感器應用軟件設計,在運行時通過主程序指令到子程序的功能單元,對傳感器收集信息的處理及把指令傳達到終端LED燈。




      2“LED+智能”照明與傳感技術結合應用


      2.1 ??智能照明的“利器”


      ?“LED+智能”照明系統由傳感器、微控制單元(MCU)、控制執行和LED燈組合而成,傳感器負責將多種信號采集并傳遞的一種電子器件,隨著微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技術的日趨成熟,傳感器正向小型化、多功能化、智能化及產業化同步發展。傳感器把采集到的物理量信息轉換成電信號,由A/D轉換器、MCU和D/A轉換器進行甄別及運算處理,以達到控制LED燈具的目的,適用于“LED+智能”照明的傳感器有熱釋電紅外線傳感器、光敏傳感器、聲控傳感器、超聲波傳感器和霍爾傳感器等各類傳感器,并可在控制中心的MCU上設置不同的控模式,實現LED燈的開關時間、亮度調節及變換色彩的控制,可見傳感技術是實現“LED+智能”照明的第一步,也是照明系統對環境和管理信息收集的“利器”。


      2.2 ?商業照明


      “LED+智能”照明結合傳感器在辦公場所、商場、樓宇、綜合大樓及公共場所得到大量應用,通過傳感器便可管理特定范圍的全部LED燈,任意選擇無線遙控或現場控制方式,改變傳統的一對一開關控制模式,提升了LED燈在數字化和網絡化的系統管控能力。商業照明典型應用總線協議(European Installing Bus,EIB)照明系統將管理區域內LED燈通過組網進行系統管理的架構如圖7。管理中心將建筑群的照明及安監等事項進行集中管理,把散布于各走道、房間、樓梯及門庭等地方的熱釋電紅外線傳感器、光敏傳感器、聲控傳感器或光敏傳感器收集的信息自動地連續采集,系統對由管理平臺與網關傳到中央處理器進行運算處理,管理員可依據處理后的信息進行控制設定,把所有終端LED燈按需求實現分組開關或調光控制,有效提升系統管理效率。


      圖7 ?商業照明系統架構


      2.3 ?植物工廠照明


      人類面臨食物、資源、環境和人口等問題的解決都與農業生產密切相關,植物可接收的太陽光能越來越少,因此,農業照明用智能控制補光系統受到世界各國的廣泛重視。系統利用傳感器對植物工廠環境中的溫度、濕度、光照、二氧化碳(CO2)濃度及營養液等參數進行監測,并實時采集及傳輸信息到控制中心根據植物相應“光配方”需求對終端LED燈的定時開關、調光和調色設置管理,起到對植物生長過程起到保駕護航的作用。


      2.4 ?特殊應用


      我國北方供暖消耗電能約占全年用電量的20 %,整棟樓的不間斷供暖是用電量高居不下的主要原因,利用傳感技術基于人體跟蹤單點供暖與傳統中央供暖系統相比較,不同點在于其供暖是以精確定位到空間中的具體個體及人群,而不是傳統中央供暖覆蓋整個空間。系統通過傳感器對需要供暖區域進行探測定位,指引LED燈發射紅外光束在該區域形成暖光圈,并利用傳感技術與無線通信相結合的跟蹤功能,使裝在天花板上供暖光束隨著個體及人群移動而切換或移動,由此可見傳感技術在單點供暖系統中發揮著重要作用。


      3 傳感技術應用要點及趨勢


      3.1 傳感器應用要點


      隨著物聯網技術的進步,傳感器不僅具備基礎的信息收集功能,在智能照明系統的信息處理能力也成為判斷其性能高低的重要依據,實際應用中應根據使用目的、動態特性指標和環境來選擇相應的傳感器。各種傳感器使用注意要點:①當傳感器應用在高溫環境時,傳感器涂覆層易于脫落,內部電路板(printed circuit board)焊點容易開路,應力作用導致結構變異等問題的出現。對于高溫環境下工作的傳感器通常結構設計時采用隔熱層或灌膠處理。②在高粉塵或潮濕環境應用時,傳感器容易出現短路或靈敏度下降等故障。在該環境條件下應選用密閉性很高的結構設計。應注意不同廠家生產的傳感器密封性能存在較大差異。③在腐蝕性、潮濕及酸性環境下使用,傳感器容易造成彈性體受損或產生短路等問題,應選用抗腐蝕性能更好的不銹鋼外殼結構。④特定場所的電磁場對傳感器輸出紊亂信號的影響是明顯的,應對傳感器的電磁兼容性進行嚴格測試,確保其具有良好的電磁兼容能力來保證穩定工作。⑤易燃易爆不僅會對傳感器造成功能損害,而且對人身安全也將造成嚴重的威脅,因此,在易燃易爆環境下工作的傳感器應具備防爆性能更高的傳感器,設計傳感器外罩不僅要確保密閉性,還要考慮到防爆及防水能力。


      3.2 傳感技術應用趨勢


      隨著“LED+智能”照明和傳感技術的成熟應用,把控制功能、場景控制、信號處理、電子控制及執行器組成的智能控制系統,加入Wireless、TCP/IP、GP、RS 、Wi-Fi、ZigBee等各種無線通訊和組網技術的應用,實現遠程傳輸和控制,將是LED照明的主流技術發展和市場需求的趨勢?;谥悄苁謾C和IPAD的便捷功能,將會給人們生活帶來更多的便利,如晚上回家前可實現人未到先開燈,也能通過無線網絡遠程監控到家里的情況,這些都與傳感技術的應用密不可分。由于傳感器與無線通信的深度結合應用,該系統的安裝極為方便和不用擔心增加布線,可輕松實現照明系統的智能化,為人類提供高品質光環境的同時實現二次節能,同時也將成為未來智能照明技術發展的趨勢。


      結語


      隨著傳感技術在“LED+智能”照明系統中的成熟應用,更多類型的傳感器將成為照明系統方案設計者的關注焦點,利用多路傳感器收集信息作為系統控制的依據,并結合各類無線通訊技術在照明系統中得到創新應用。同時,利用傳感技術的“LED+智能”照明系統正逐步得到人們的認知,也將使我們的生活變得更加便捷及舒適。


      參考文獻


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      作者簡介?

      曹小兵(1969年-),男,高級工程師,深圳市長運通光電技術有限公司技術副總,全國標準化原理與方法標準化技術委員會標準化評價分技術委員會(SAC TC286 SC1)委員,主要參與30余項國家和聯盟標準制修訂,發表論文20余篇,第1發明人申請20余項專利,主要從事智能照明技術及其標準化研究。





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      發現半導體新方式

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      《廣東LED》雜志科技廳主管期刊

      時任廣東省副省長宋海題詞,廣東省科技廳主管,八個地市科技局聯合協管,廣東省半導體照明產業聯合創新中心、廣東省半導體光源產業協會、深圳市LED產業聯合會(5A級)聯合主辦。

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