用LED制作照明系统的研究与应用.docx

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用LED制作照明系统的研究与应用

用LED制作照明系统的研究与应用

摘要

LED光源作为一种高效、低功耗的光源，得到广泛的应用及推广。

与智能控制技术、网络技术相结合的LED智能照明成为发展的必然趋势。

针对目前照明系统存在效率低、照明方式单一、可扩展性差等一系列问题，本文根据LED光源的特点，结合计算机技术、无线通信技术、自动控制技术开发了一套分布式LED智能照明控制系统。

本文首先介绍了LED智能照明控制系统研究的目的及意义，国内外智能照明发展现状，并对总线式、电力线路载波式及无线通信方式的LED智能照明控制系统优缺点比较分析，设计了系统总体结构并确定了系统方案，最后完成了系统的软硬件设计。

关键词：

LED，远程监控，控制系统

RESEARCHANDDESIGNOFLEDLIGHTINGCONTROLSYSTEM

ABSTRACT

TheLEDasahigh-efficiencyandlowpowerconsumptionlightsource,hasbeenwidelyusedandpromoted.TheLEDintelligentlightingcombinedwithintelligentcontroltechnologyandnetworktechnologywillbecomeaninevitabletrendofdevelopment.Accordingtoaseriesofproblemsexistedinpresentlightingsystem,suchaslowefficiency,singleilluminationmode,poorextensibility,adistributedLEDintelligentlightingcontrolsystemhasbeendesignedbasedonthecharacteristicsoftheLEDlightsource,whichcombinedwithcomputertechnology,wirelesscommunicationtechnology,automaticcontroltechnology.LEDlampsinthesameregionwiththecoordinatorformednetworkthroughZigBeenetwork,andcommunicatedwiththemonitoringcenterbyRS-485Busindifferentregions.

Firstly，itintroducedthatthepurposeandsignificanceofreseachaboutLEDintelligentlightingcontrolsystemandthepresentintelligentlightingdevelopmentsituationinthispaper,anditanalysedtheadvantagesanddisadvantagesofcommunicationmodeswhichusedinLEDintelligentlightingcontrolsystem,suchasBusmode,powerlinecommunicationmodeandwirelesscommunicationmode.Thenitdesignedthesystem'soverallstructureanddeterminedthesystemscheme.Finally,itcompletedthedesignofsystemhardwareandsoftware.

KEYWORDS:

LED,ZigBee,remotemonitoring

1前言

1.1课题研究的目的与意义

在我国，照明用电的电消耗约2000亿千瓦时，占年发电量的12%左右，随着环保、低碳的理念被众多的人所重视，节能照明已成为现今面临的一个重要社会问题。

由于白炽灯的发光机理决定了它的光能转换效率低，大部分能量以热能的形式消耗，而只有很少部分才转换成可见光，已逐渐在市场上消退。

目前市场上的主流光源以荧光灯为主，相比白炽灯，荧光灯节能效果较好，但相同亮度下，相比LED灯具[1]，荧光灯需要多消耗一倍的功率，发光效率低；而且荧光灯里都含有汞，生产过程和废弃灯管都会对环境造成污染。

而LED照明相对于这些传统照明具有绿色环保、高效节能、光效高、寿命长、易于控制等众多优点，如果将LED灯代替白炽灯和荧光灯，则可以带来巨大的节能效益，对缓解我国能源紧缺问题，无疑具有重要的战略意义[2]。

一方面，由于会议厅、机场、火车站、办公室、商场、学校、工厂等公共场所的人流量弹性较大，采取24小时全天照明的模式将浪费大量能源，因而要对这些弹性较大的场合采取按需照明并无需人工控制的智能照明模式。

另一方面，LED照明在推广中也存在一些问题，由于LED电流过大导致LED使用寿命缩短，产生光衰现象等问题严重影响了LED照明的效果[3]。

LED故障监测一般都是人工巡检，无自动监测功能。

LED照明光衰及灯具的损坏，导致环境总体照度达不到照明质量标准，因此光衰补偿及故障自动监测成为一种客观需求。

1.2国内外智能照明发展概况

智能照明控制系统是指以计算机技术为核心，结合通信、自动化等相关学科，对照明设备进行自动控制，在提供合适光环境的同时，降低对电能的消耗以及成本费用或安装费用。

传统的照明控制系统主要有手动控制和时间控制等，虽然简单、有效、直观，但它过多依赖控制者，控制相对分散，且无法有效地集中进行管理，实时性和智能化程度太低。

在绿色节能方面，传统控制下的光源大部分时间处于工作状态，甚至在无人情况下都开启，浪费了大量的能源；在电路保护方面，传统的控制方式仅仅能够实现过压、过流保护，而对过温保护方面还有所欠缺。

在智能照明系统方面，国内外学者已研究开发了相对独立的、专门用于照明控制的智能照明系统，微观上采取遥控、现场感应、现场面板、场景等人性化控制方式，营造各种适宜的光环境；宏观上逐渐从集中控制向集散和分布式控制方式发展，有效地解决了以往传统控制存在的相对分散与不易管理等弊端。

如Dynalite智能照明控制系统由澳大利亚邦奇开发，可对同一场所的多个灯区进行控制，而且每个灯区可以设置5种场景，通过对智能面板操作即可选择适宜的照明氛围。

美国的LC&D智能照明控制系统可以按照用户的需求，设定照明时间、区域、方法对每一个回路进行独立控制[4]。

但是目前LED智能照明控制研究仍存在以下问题：

（1）针对室内照明，LED智能照明主要以节能为主要目的，并不完全符合LED驱动设计的要点，并忽略了光源的光衰现象导致环境总体照度达不到照明质量标准，人们对恒照度照明光环境的追求。

除了常规的过压、过流保护之外，在过温保护方面有所欠缺。

（2）LED智能照明程度的智能化程度还不够高，技术还有待提高，在场景控制和灯光亮度调节方面技术还不够成熟。

而且存在无故障自检功能、维护不便，灵活性低，可扩展性差等问题[5]。

（3）LED照明在户外领域发展较快，但在室内通用照明市场方面仍显落后。

应用在智能照明控制的产品还不够多，尤其是住宅照明光环境方面，具有很大的开发前景。

将电力电子技术、计算机技术、无线通信技术、自动控制技术一体化是目前智能照明控制系统的迫切需求。

随着现代社会对环境保护、资源节省的大力提倡，对照明的智能化控制要求也越来越高。

系统要求具备稳定性高、易于扩展、通信安全可靠、易于操LED智能照明控制系统的研究与设计作、便于维护、灵活性高等特点。

目前主要采用以下5种类型的智能照明系统。

智能照明系统都采用总线型和电力线载波型的有线型连接方式，现场安装与布线连接繁琐，设备移动性差。

无线通信技术不断发展，国内外很多研究者为将无线通信技术引入智能照明控制系统中做了研究，尤其是ZigBee无线通信技术，因自身的优势，成为了智能照明控制研究的热门通信技术。

ZigBee网络具有低功耗、低速率、低成本、短时延、组网灵活，网络容量大且传输可靠性高等优点，作为一种双向无线通信技术，不仅能进行设备点对点通信，而且可以实现多点对多点通信，能够对设备进行组网控制，采用独立的协议栈，成本低。

因而ZigBee技术用于构建无线传感与照明控制网络具有相当的优势，目前，国内外许多学者已经开始将ZigBee技术开发应用于自动控制和远程控制领域[10]，随着其技术的不断提高，ZigBee无线网络必将能实现LED照明控制的智能化及网络化。

1.3课题研究内容

LED智能照明控制系统是基于ZigBee无线通信和RS-485总线控制网络的分布式控制系统，监控中心可以对LED灯具实现多种照明模式的远程控制，并对LED灯具工作范围内的环境照度、LED灯具工作状态进行实时监测，从而达到节约能源、按需控制的目的。

LED灯具作为一种智能化设备，不仅仅作为光源，而且是灯光控制器，执行LED灯光的亮度的控制。

当LED灯具工作出现异常，远程监控中心通知用户及时维修。

整个系统旨在克服传统照明控制系统节能效率低、控制方式单一、智能化程度低、维修不便、安全可靠性低、可扩展性差等问题。

本系统针对LED光源的特点，结合电力电子技术、计算机技术、无线通信网络技术、自动控制技术等，在研究LED照明在实际应用中存在的问题和对LED照明需求进行分析的基础上，开发了一套分布式LED智能照明控制系统。

2LED智能照明控制系统相关技术

2.1LED特性

（1）LED发光原理LED（LightEmittingDiode），即发光二极管，它是利用注入式电致发光原理实现发光的半导体。

下面根据发光二极管两端电压的三种情况，对其内部工作过程进行介绍。

当发光二极管两端不加电压时，N型半导体中的电子向P型半导体运动，P型半导体中的空穴向N型半导体运动，在PN结内，N型半导体中的自由电子填充了P型半导体中的空穴。

在其交接的部分形成了耗尽区，电荷无法流动。

当在电极两端加正向电压，N型半导体中的自由电子由于受正负极的双重影响注入P区；同样P型半导体中的空穴注入N区。

如果正向电压足够高，使耗尽区内的电子再次移动，光能是由载流子复合时产生的。

电子和空穴之间的能量的大小决定了光子能量的高低，进而决定了LED发光的颜色。

当在电极两端加负向电压，N型半导体中的电子会被正极吸引，聚集在发光二级管的负极；P型半导体中的空穴则会被负极吸引，聚集在发光二级管的正极。

因此，PN结将不会有电流通过，耗尽区也会扩大。

（2）LED的特征参数

1）发光强度：

发光强度定义为单位立体角所发射出的光通量，单位为烛光（Candela/cd）。

光源往不同方向放射的光通量的强度不同，在某一特定方向，其放射出的光的辐射强度定义为光强度。

2）光通量（Φ）：

光源在单位时间内发射并被人的眼睛所接收的能量定义为光通量（Φ）。

国际标准把流明（Lm）作为光通量的单位。

3）照度（E）：

被照射物体在单位面积上，单位时间内接收到的光通量定义为照度。

用米烛光或英尺烛光（Ftc）表示照度。

照度与发光与及被照物的距离、发光强度有关。

4）光效（流明/瓦、Lm/w）：

光源所发出的总光通量与该光源所消耗的电功率（瓦）的比值，称为该光源的光效。

5）色温：

在某一温度下，光源所发出的颜色与“黑体”辐射的颜色相同，那么光源的色温就是此时“黑体”的温度。

6）光色：

光色即光源的颜色，通常把光色成分的变化用色温表示。

根据人们对不同色温的感觉，将色温分为三个区间。

2.2LED光源特点

相比于传统光源，LED光源具备以下特点：

（1）功耗低、效率高：

相对于荧光灯、卤素灯等传统光源，LED光效高，可达100～10120lm/W，具有高效节能的效果。

（2）绿色环保：

光线中不含紫外线和红外线，无辐射废弃物不含汞并可回收利用。

（3）寿命长：

使用寿命一般在5万小时以上。

（4）LED体积小，反应速度快，显色性好，可控性好。

在高频使用下，易于进行亮度调节，能够创造照明的最佳效果。

（5）直流驱动，易于控制，无频闪。

（6）抗震性强，适应性强，不易碎，安全系数高。

基于LED光源的特点，能够满足先进绿色节能智能照明控制系统的高效、环保、节能、易于控制等要求，因此将LED照明与智能控制相结合将成为照明产业发展的趋势，产生极大的社会效益和经济效益。

2.3LED驱动电源的分类及特点

LED光源相对于传统光源节能效率高，但LED需要直流低压工作，因此LED光源不能同传统光源一样直接采用市电供电，必须采用专用的驱动电源，完成降压与整流，提供给LED正常工作的额定电压及电流。

不同LED驱动电源的转换效率和性能各不相同，转换效率低的LED驱动电源自身就消耗了大量电能，严重影响了LED高效节能的效果。

因此LED驱动电源的设计将是系统设计的一个重点，直接影响了系统工作的稳定性、高效性、节能性及LED光源寿命。

（1）LED驱动电源按照驱动方式可分为恒压驱动式和恒流驱动式，下面对这两种驱动电源的特点进行介绍。

1）恒压驱动式及其特点：

恒压驱动式电源的输出电压是恒定不变的，但是输出电流会因为所连接的LED负载的不同而变化。

由于LED的I-V特性具有非线性，LED两端的正向电压微小的波动将导致LED正向电流大幅度变动。

例如，当LED额定正向电压为3.6V时，LED的正向电流为20mA，正向电压改变11%，正向电流就会出现30%的大幅度变动。

LED亮度会受正向电流的影响，进而影响LED亮度的稳定性。

由于LED负温度效应的影响，电流波动可能导致结温和电流的互相影响，严重时将会烧毁LED。

因此，对LED恒压驱动的电压稳定性有较高的要求。

2）恒流驱动式及其特点:

恒流式驱动电源的输出电流是恒定不变的，但是输出电压会因为所连接的LED负载的不同而变化。

LED负载在恒流驱动式电源的电路中开路的现象是不允许发生的。

相对于恒压驱动，由于恒流驱动输出电流恒定，因此，LED安全性强、亮度稳定性高。

方便过流保护，损耗低、转换效率高。

由于恒流驱动电路中无过多限流电阻，电路消耗低，能量转换效率高。

综上所述，恒流式驱动相比于恒压式驱动具有发光亮度稳定性高、转换效率高、易于过压、过流、过温保护等特点。

（2）LED驱动电源按照连接方式可分为串联配置、并联配置、混联配置三种。

采用AC/DC驱动电源的LED照明应用中，电源转换主要包括二极管、开关连接形式优点缺点串联配置电路简单，连接方便；各个LED电流相同，亮度一致；仅有两个LED接口；恒流驱动时可靠性高驱动电路输出电压高，不利于设计制造；无容错设计，一个LED失败，所有LED均不亮；恒压驱动时可靠性低并联配置低驱动电压；单个LED保护完善；独立的LED亮度控制；电路简单，连接方便；恒压驱动时可靠性高多个LED接头；恒压驱动时可靠性低；需要考虑各个LED电流的匹配混联配置可靠性好，驱动电路设计制造方便；总体效率较高；适用范围广电路较为复杂；需要考虑各LED之间电流的匹配。

2.4LED驱动电源的设计要点

目前，国内外LED照明的应用还处于发展阶段，但是对LED驱动电源要求不断提高，LED驱动电源需要具备高效率、体积小、成本低、抗浪涌能力强、功率因数高、符合安规及电磁兼容（EMC）的要求、并且具有短路保护、高温保护的作用。

因此，LED照明驱动电源的研究开发具有很大的社会效益和经济效益。

为了达到将LED照明的应用普及及推广的目的，本方案中采用市电作为驱动电源的供电模式。

由于LED需要直流低压工作，LED光源不能像传统的光源直接使用市电，它必须配有专用电压转换电路（专用驱动电源），解决降压及整流的问题，提供能够满足LED额定的电压和电流，才能使LED正常工作。

根据电网的用电规则和LED驱动电源的特性要求，在设计LED驱动电源时必须具备以下特性：

（1）具有较宽的电源输入范围：

输入范围为85V~265V交流电压使用范围较广。

（2）高可靠性：

LED光源安装在高空中，不便于维修、成本高，因此，要求其具备较高的可靠性。

（3）高效率：

LED是绿色环保节能光源，为进一步增强LED照明的节能效果，应提高驱动电源的效率。

如果驱动电源的效率低、损耗较大，释放的热能就会很大，导致温度增加，从而引起LED的光衰现象。

（4）PFC功率因数校正电路：

PF（PowerFactor）功率因数定义为有功功率与视在功率的比值。

功率因数是电能合理性应用的重要指标，它是电网对于负载的要求。

为了避免较低功率因数对电网造成较严重的污染，因此，LED驱动电源应具有较高的功率因数。

目前LED电源PFC电路主要有三种：

无PFC电路，PF值一般为0.65左右；无源PFC（填谷式），与灯管匹配较好的话，一般可以达到0.92；有源PFC，采用专用芯片，PF值可达0.99，但成本较高。

（5）恒流源驱动：

由于LED两端正向电压的微小波动会引正向电流较大的波动，电流波动导致结温与电流的影响恶性循环，引起LED光衰，甚至导致LED的损坏。

恒流式驱动相比于恒压式驱动具有发光亮度稳定性高、转换效率高、易于过压、过流、过温保护等特点。

（6）浪涌保护：

由于电网中存在电感，当某设备在通断的瞬间将在电网产生“浪涌电压”，从而引发浪涌电流。

LED由于本身特性的原因，抗浪涌能力较差，特别是反向抗压能力，因此加入浪涌保护电路非常必要。

（7）保护电路：

由于LED结温对LED的寿命及光衰有很大的影响，除常规的过压保护、过流保护外，过温控制保护电路是必须的。

（8）符合EMI标准：

由于LED驱动器将在非隔离DC/DC电路环节中产生额外的高频开关噪声，LED照明系统传导和辐射EMI会迅速增加，无法满足LED照明EMI标准要求。

因此，需要采用恒流驱动，减小高频开关噪声，达到EMI标准。

（9）LED的驱动电源外围电路设计要简单，缩减模块面积。

（10）采用专用的驱动芯片，缩短开发周期，降低成本，保证稳定性。

3总体结构设计

3.1需求分析

针对传统照明系统存在节能效率低、智能化程度低、可扩展性差、人们对室内照明水平要求提高等一系列问题，本文根据LED光源的特点，结合电力电子技术、计算机技术、无线通信网络技术、自动控制技术等，开发一套分布式LED智能照明控制系统。

该系统具备灯光的开关控制、亮度控制、过温保护控制、故障监测、远程遥控等功能，并且留有系统升级和扩展的接口。

下面对LED智能照明控制系统的需求进行分析，系统需求主要包括以下几点：

（1）目前被照明领域广泛采用的DALI标准和DMX512标准并不能满足LED照明控制的需求。

一些厂商也根据市场需求开发了控制系统，但都是对以上两个标准的修改，扩展了部分功能，目前还没有统一的行业标准。

为了使不同生产厂家生产的LED灯具和控制系统相互兼容，便于系统组网，必须有一个LED照明控制系统结构设计，为LED智能照明控制系统的进一步推广与应用奠定基础。

（2）分布式照明控制系统，模块化结构，系统可分区控制，网络灵活性大，可扩展性强，系统便于维护。

当需要改变灯光结构或扩充系统功能时，可将新增设备方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，不影响系统其它模块的工作。

系统必须保障各个智能控制模块之间工作独立，不依赖于其它模块，单个智能控制模块出现故障不影响其它模块的正常运行。

（3）系统具备开放的通信接口和通信协议，便于系统的升级与扩展。

（4）为了防止灯具集中启动时的浪涌电流，LED驱动器应有灯具开启的延时功能，即软启动功能。

（5）为了保障系统运行的可靠性，系统配置的控制模块应自带电源提供网络供电，不允许配置附加电源。

（6）为了实现LED照明的集中管理，系统应该配置监控中心，对整个照明系统进行监控，用户可以通过监控中心对整个照明系统进行监控。

3.2LED照明控制系统分层结构的设计

根据系统的需求分析，在前期对控制系统研究的基础上，提出了LED照明控制系统分层结构的设计思路。

将控制系统划分为供电层、驱动层、保护层、调光层、传感层、协议层、通信层、操作层和系统实现层等9个层次设计，每一层次有自己的明确的任务和标准接口方式。

3.3系统的总体结构

根据系统的需求分析，在LED照明控制系统分层结构设计思路的基础上，提出了一种分布式LED智能照明控制系统的总体结构设计。

整个系统主要包括LED灯具终端节点、协调器及监控中心三部分。

系统基于RS-485总线和ZigBee无线通信网络，监控中心通过RS-485总线与各个协调器进行通信，协调器与LED灯具终端节点通过ZigBee无线通信网络进行通信，系统将控制功能分散到各个协调器，如果某个协调器出现故障，只影响其网络范围内的节点正常工作，不影响其他网络内节点的正常工作。

通过RS-485总线和ZigBee无线通信网络，能确保LED灯具控制指令实时可靠的下传以及LED灯具相关数据的实时上传。

LED灯具终端节点将环境照度、照明模式、工作状态、故障信息，通过ZigBee网络传送给协调器，协调器对信息进行存储。

监控中心一方面根据反馈的数据及状态信息进行数据处理和存储，另一方面，通过RS-485总线发送控制命令给协调器，完成照明模式及参数的设置。

协调器根据控制命令实现对LED灯具终端节点的照明控制，即实现恒照度照明、节能照明及定时照明三种照明模式控制。

3.4系统主要组成及系统特点

LED智能照明系统主要由LED灯具终端节点、协调器及监控中心三部分组成，下面对各组成部分的功能进行详细说明。

LED灯具作为一个智能化的设备，它不仅是发光源，同时是光源的控制器。

LED灯具终端节点主要负责与协调器进行信息传输及LED的智能照明控制。

具体功能如下：

（1）灯具网络化：

任何一个LED灯具都是ZigBee网络的一个终端节点，LED灯具终端节点接收协调器发送的控制命令，从而实现对LED的开关、亮度控制等。

同时把环境照度、照明模式、工作状态、故障信息上传到协调器。

（2）恒照度照明：

通过照度检测模块检测环境照度。

根据协调器发送的恒照度控制命令，调节LED的亮度，从而达到照度的预设值。

当检测到照度与预设置不同时，自动调节至相同。

（3）节能照明：

通过红外检测模块，检测是否有人员信息。

根据人员的有无情况，自动控制LED灯具开关，达到节约能源的目的。

（4）定时照明：

根据协调器发送的定时控制命令，定时打开或关闭LED灯具，避免了能源的浪费。

（5）有效的热管理确保LED的安全性：

通过温度检测模块，检测LED光板温度。

由于外界或LED本身发热而出现LED温度超限时，微控制器可以通过调节控制信号减小LED的平均驱动电流以确保LED安全工作。

（6）光衰补偿功能：

每个LED灯具的亮度预留20%的调节余量，当LED出现光衰现象，微控制器可以通过调节控制信号增加LED的平均驱动电流，对LED光衰进行补偿，从而确保LED的恒照度照明。

3.5系统特点

LED智能照明控制系统将电力电子技术、计算机技术、无线通信网络技术、自动控制等技术集于一体。

多种照明控制方式，在保证提供合适照明光环境的同时能够达到节约能源的目的。

分布式LED智能照明控制系统主要包括以下几个特点：

（1）绿色环保及良好的节能效果：

本系统采用LED光源，相对于传统光源具有绿色环保节能的效果。

（2）智能化照明控制及多种照明控制方式：

不仅实现传统的开关节能控制而且能够对LED灯具进行亮度的控制。

（3）LED驱动电路设计安全可靠：

具有较宽的电源输入范围、高可靠性、高效率、功率因数高、恒流驱动、浪涌保护、面积小、成本低。

LED智能照明控制系统的研究与设计27

（4）管理维护方便：

LED灯具终端节点的控制器