新时期LED智能灯的特点及设计思路研究①

周小军

（宁波凯耀电器制造有限公司 浙江宁波 315000）

伴随着能源消耗的不断加剧，地球资源的匮乏以及生态环境日益恶劣。人们对环境保护，节能降耗等问题的关注度越来越高，减少浪费，保护生态环境以及坚持可持续发展的理念已经成为社会关注的焦点。照明系统作为使用最频繁、能耗较高的设备，在节能降耗方面需要进行重点考虑。传统的白炽灯主要是依靠电能将灯丝加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光。在光能转化过程中，大部分能量是以热量的形式及性能消耗，光能转化率较低。LED光源作为一种高效、低功耗的光源，不仅符合节能环保的理念，而且比传统白炽灯灯泡的使用寿命更长。LED照明技术发展已经成为绿色照明、节能降耗的重要标志。随着LED技术的不断发展和创新，其应用领域将会无限扩展。

1 LED的基本概念

近年来，LED照明技术获得了广阔的发展空间，已经逐渐成为最具发展前景和影响力的一项高新技术产业。我国目前对于LED智能等技术方面的研究起步虽然较晚，但是具有广泛的潜在市场，LED智能灯的开发、设计、研制以及生产都具有较强的发展潜力。LED智能照明系统已经广泛应用于公共设施、室内外照明、汽车照明、医学及背光等领域，随着LED相关技术的不断成熟，灯具标注、能效标准以及安全标准的不断完善，LED智能灯无疑将成为最具竞争力的一种新型照明光源。

1.1 LED发光原理

图1 LED发光原理图

LED(Light Emitting Diode)光源主要依靠发光二极管，通过电子与空穴符合释放能量的形式进行发光。LED与普通二极管相似都具有一个PN结构组成，具有单向导电性，当给LED加上正向偏置电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的自由电子，在PN结附近分别与N区的自由电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的光。在不同的半导体材料中，自由电子和空穴所处的能量越多，发出的光波长越短[1]。当初在正向工作状态下，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流的大小有关。LED发光原理如图1所示。

1.2 LED结构

LED由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五部分组成。LED芯片是LED智能灯的核心部分，LED芯片为分层结构，芯片两端是金属电极，底部为衬底材料，中间是由P型层和N型层构成的PN结，发光层被夹在P型层和N型层之间，是发光的核心区域。P型层、N型层和发光层利用特殊的外延生长工艺在衬底材料上制作。现阶段，LED芯片朝着集成化、高亮度的方向发展，在大型购物商场、城市道路、室内照明等领域应用最为普遍。

1.3 LED光源特点

LED光源相比于传统光源具有功耗低、发光效率高的特点。LED的光谱全都属于可见光频段，其中不含有紫外线和红外线光，发光效率高达50%～60%，并且具有发热量，属于冷光源。LED使用低电压电源，采用直流驱动方式供电，发光稳定没有频闪，眩光小。LED与传统光源相比可以更好地与集成电路进行匹配，通过网络通信技术和计算机技术进行编程，可以轻松实现智能化控制[2]。此外，LED光源使用寿命可达5万h以上，体积小，反应速度快，显色性好，控制简单，可以获得理想的照明效果并且不含任何辐射物和有毒物质，可以进行回收再利用，价格低廉，具有显著的节能环保效果。LED与其他照明系统性能对比如表1所示。

2 LED智能灯的设计

在环境问题和能源危机日益突出的新时期，针对传统光源转化率低、节能效果差、智能化程度低以及照明效果不理想等问题，本文结合LED光源的特点，并结合计算机技术、无线通信技术和微电子技术等，设计出一套先进的LED智能照明系统。该系统可以根据室内外光照强度调节灯光亮度，并且具有远程监控和故障报警等功能。下面就对LED智能灯的设计进行详细分析。

2.1 结构设计

LED智能灯的设计采用了分布式模块化设计原理，分为供电模块、驱动模块、保护模块、调光模块、传感器模块、通信模块以及故障报警模块。其中供电模块负责给LED智能灯提供所必需的电能，具有统一的接口，电压和电流保持稳定，供电模块的稳定性直接影响着智能灯工作的可靠性；LED智能灯在工作过程中需要有不同功率的驱动器运行标准以及带载能力，包括驱动LED智能灯接入/输出方式和接口标准；保护模块是为LED智能灯提供过热、短路等保护，确保整个智能照明系统安全、可靠的运行[3]；调光模块是LED智能控制的基础，通过传感器感知外界环境的光照强度变化对LED的亮度进行调节；传感器模块主要是采集外界环境中的温度、光照、红外线强度等数据信息，并将其传递给LED智能照明系统进行分析处理；通信模块主要由电力载波通信、无线通信等方式，LED智能灯的通信方式对通信接入方式和接口形式有特殊要求，为了实现照明系统的可扩展性和灵活性，选择无线通信方式进行控制，组成分布式LED智能灯控制系统；故障报警模块主要是对LED智能灯的工作温度、电压、电流进行实时监控，确保LED智能灯在一个恒定的工作环境[4]。

表1 LED与其他照明系统性能对比

2.2 硬件设计

LED智能照明控制系统的硬件结构包括智能灯终端节点硬件设计和协调器硬件设计。LED智能灯节点电路主要控制电路和驱动电路构成，控制电路由电源电路、温度传感器电路、照明传感器电路、红外传感器电路以及继电器电路组成。温度传感器负责探测LED智能灯在工作过程中的温度，为过温保护提供数据支持。照明传感器则是采集周围环境的光照强度，为智能灯的亮度调节提供参考依据。在节能模式下，红外线传感器可以对黑暗环境中的运动情况进行实时监测，如果监测到有人员活动的信息，可立即传递给微控制器，微控制器通过对继电器进行控制进而实现对LED智能灯的开关控制。传感器将采集到的环境信息、LED智能灯的工作信息传递给微控制器，微控制器对这些信息进行分析处理，然后通过无线通信网络传递给协调器。驱动电路主要包括交流直流转换电路、功率因数校正电路，降压电路和恒流源控制电路。恒流源根据微控制器输出的信号改变输出电流大小，实现对LED智能灯的亮度调节，通过检测恒流源反馈的电压信号判断LED智能灯是否出现故障。

2.3 软件设计

LED智能灯软件系统包括终端节点和协调器的软件设计，终端节点和协调器通过微控制器进行控制，系统软件采用基于Z-Stack协议栈的操作系统进行开发，在应用层中编辑程序，组建无线通信网络。根据LED智能灯的实际需求，协调器需要完成网络初始化、组建及维护，对终端节点上传数据处理，终端节点运行状态统计、故障监测处理、控制指令分析、数据发送等任务。LED智能灯的操作系统将任各项任务按照功能进行划分，在任务初始化函数中添加数据处理任务包括终端节点状态统计任务，故障监测处理任务、控制指令分析任务、数据发送任务等。网络的初始化、创建及维护由协议栈函数完成，需要在配置文件中配置相应的信道、信号发射功率、网络类型参数。LED智能灯的控制人物主要根据协调器发送的控制指令进行相关操作，主要包括智能灯的开关控制、亮度控制以及定时控制[5]。

2.4 监控中心设计

LED智能灯监控中心主要功能包括用户信息管理、智能照明系统监测、控制、数据库管理等。用户信息管理包括用户登录、密码设置、用户操作信息记录等；智能照明系统监测主要是对LED智能灯的光照强度、照明模式、定时开关等进行控制；系统监测管理主要是对LED智能灯终端节点的环境亮度、照明模式、工作状态、无线通信网络进行实时监控，记录智能灯的工作状态信息并上报故障信息，便于进行系统维护管理。监控中心负责对LED智能灯进行远程监控、自动化控制，提升智能灯工作的稳定性和可靠性。

3 结语

本文主要探讨了智能灯的设计思路，在计算机技术、无线通信技术和微电子技术的推动下，设计出一套智能化的LED照明系统。该系统可以根据外界环境的光照强度实时调节照明亮度，并且具有多种照明模式的选择，具有定时开关的功能，有效地降低了能源消耗，在环境保护和光能转化率方面明显优于传统照明系统。此外，LED智能灯还具有在线实时监控功能，通过无线通信可以对LED智能灯的工作状态进行远程监控，及时发现照相系统的故障，便于采取有效的应对措施。