一种智能LED照明系统节能控制系统的设计

2018-01-26伊凡维尼萨卡瓦利纳温诺欧乔西帕克宁

智能建筑电气技术 2018年4期

伊凡·爵，维尼萨·卡瓦利，纳温诺欧，乔西帕克宁

0 引言

研究表明，现代建筑具有很高的节能潜力，而电照明是其中一个关键目标。因为照明节能系统不仅可以保证较高节能效果，并且改造相对简单。

智能照明系统试图通过利用集成传感器在闭环控制系统中提供反馈来实现这一目的。一种常见的节能技术是感测，从集成传感器获得反馈。一些智能照明系统也依赖于手动控制，以作为感测的补充。除此之外，还可以采用诸如日光采收和自动调光控制等技术来进行节能。但与模拟性能相比，日光采收系统的实测性能通常要低得多。并有必要验证在真实环境中不同使用模式下的节能性能，因为仿真结果并不总是能提供真实世界的精确情况。此外，控制系统的优化是保证良好系统性能的重要步骤。

1 节能技术

为提供相关信息反馈到16MHz 8位AVR RISC的微控制器。笔者团队使用被动红外(PIR)传感器，测量从物体辐射的红外光，以提供关于其视野内的状态反馈。当一个人通过传感器的视场时，传感器会将所产生的红外辐射的变化转换成传感器电压的变化，从而触发检测。PIR传感器用于占用感测，当没有视场内的用户时，对灯具进行编程以自动关闭。允许用户定义一个合适的延时。延时是来自PIR传感器的逻辑高信号与灯具输出下降到零之间的时间差。一个小的延时将确保显著的节能效果，但房间里的用户如果在一段时间内静止不动可能会导致灯具关闭；一个较大的延时将解决这个问题，但会导致节能效果降低。

团队还利用了一种光传感器，为对可见光谱敏感的硅NPN外延平面光电晶体管。传感器上的入射照度与集电极光电流成正比。选择TEM6000环境光传感器，可以测量1 000 nm左右的峰值亮度。传感器输出的模拟光电流被转换成一个可变电压(0～5V)，通过连接10K串联电阻由微控制器读出。以一个带窗户的房间为例，白天用户可以选择打开窗帘，让阳光照亮房间。在这种情况下，人工照明可能是多余的，因为房间有足够多的光照亮工作空间。可以利用环境光来补充现有的照明，这是一种叫做日光采收的技术。这将导致提高节能效率，因为在最大亮度下灯具不需要接通。

1.1 控制算法

控制系统根据传感器的反馈自动调整灯具状态。对控制系统的用户定义的输入是目标亮度(SP)、增益(K)、滞后(H)、超时(τ)和采样周期(T)。对控制系统的非用户可定义的输入是用户人数状态[ M(t)]和测量的亮度[PV(t)]。这些非用户可定义的输入是通过传感器的反馈获得的。假定最大环境光强度在环境光传感器的感测极限之内。此外，采样周期被假定为足够大以考虑控制器的时钟速度。

1.2 控制系统优化

可以通过调整某些输入参数优化控制系统：增益(K)、滞后(H)、采样周期(T)。改变这些参数中的任何一个将对控制系统的响应产生影响。

2 智能灯具设计

为实现所提出的控制系统，设计并构造了一种智能LED灯具，该智能灯具由LED驱动器、LED串、ZigBee模块、微控制器和传感器组成；还设计了无线传感器模块，通过IEEE 802.15.4 ZigBee标准将环境光传感器与智能灯具接口，将环境光传感器放置在工作平面而不是灯具上，以允许环境光传感器在工作平面高度准确地收集环境光数据；设计了DC-DC LED驱动器，在每个通道的最大串电流为700mA时为8个LED串供电。使用德克萨斯仪器LM3406恒流Buck变换器作为驱动器的功率控制器。LM3 406包含一个具有适当电流限制的高侧N沟道MOSFET开关。它也有一个调光引脚，可以由ATMEGA328微控制器驱动，以实现PWM步进调光。通过实验验证了由LED驱动器驱动的LED串的亮度与PWM信号的串电流和占空比成正比。