LED照明技术的创新发展和智能化应用

2023-01-04薛媛

光源与照明 2022年2期

薛媛

湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉 430070

0 引言

随着社会进程的不断加快，各项技术都得到了发展，尤其是4G高速通信技术的不断发展与广泛应用，让人们的生活与办公都有了新的发展。人们不再像从前那样，必须在固定的地点才能办公，只要有网络的地方，都可以办公。硬件技术也在时间的变迁下越发先进，各种传感器开始出现，其计算能力也逐渐增强。在这些新技术的影响下，LED智能化照明产品也得到了改善和创新，开始朝着智能化、健康化的方向发展[1]。

1 基本概念

1.1 LED

LED（lighting emitting diode）即发光二极管，是一种半导体固体发光器件[2]。LED发光利用了固体半导体的性质，载流子会在半导体内产生复合作用，释放多余的能量，这些释放出来的能量会导致光子发射，产生光。在此基础上，结合三基色原理，将荧光粉添入其中，能产生各种颜色的光[3]。

1.2 LED灯具

LED灯具是应用LED进行照明的器具。LED灯具拥有使用寿命长、抗震性与防水性良好、方便携带、无汞污染等优点。随着LED灯具的广泛使用，其价格开始下调。但是，LED灯具也存在不少质量问题。根据调查，很多地方都已经对LED灯具提出了相应的规范条例，从2012年开始，不少照明标准已经被强制推行。

2 LED照明技术的早期发展历程

20世纪初，半导体材料碳化硅（SiC）的发光现象被首次观测到；20世纪20年代至30年代，有关碳化硅电致发光的文章出现。1947年，晶体管被发明出来，p-n结开始用作发光器；1955年，有人观测到Ⅲ～Ⅴ族化合物能够进行电致发光；1957年，研究人员确认电致发光现象是由p-n结内电子与空穴复合导致的。

在早期研究中，发光效率较高的LED是红外LED。红外LED的主要材料是半导体材料砷化镓（GaAs），因为这种半导体材料本身具备带隙，在复合发光时不会有声子参与作用，发光效率高，在当时的国际上受到很大的关注[4]。

3 LED照明技术的创新发展

3.1 通过移动设备控制的LED智能灯泡

可以通过智能手机上的软件控制的LED灯泡，被称为LED智能灯泡。

3.1.1 贝尔金WeMo智能灯泡

2014年，市场上出现了贝尔金WeMo智能灯泡，其亮度很高，有多种使用模式，在使用过程中可以利用预先设定的程序进行调整。如果有Wi-Fi，贝尔金WeMo的控制系统能够同时调整50个灯泡的颜色与亮度，可以用于整体的照明布局。

3.1.2 三星Smart Bulb智能灯泡

2014年，韩国三星集团推出了Smart Bulb智能灯泡。在蓝牙的作用下，用户可以将Smart Bulb与对应的移动设备进行连接，通过ZigBee协议，持有相应智能手机的用户能够自行控制智能灯泡，最多能同时控制64个灯泡。根据三星的官方说明，这种智能灯泡的色温可以调整，色温范围为2 700～6 500 K；亮度也能够调节，最低能够调整到初始亮度的10%。这种智能灯泡的使用寿命很长，超过15 000 h。

3.1.3 飞利浦智能灯泡Hue

飞利浦在2012年推出了智能灯泡Hue，其必须利用专用的路由器连接Wi-Fi、接收信号，而且用户仅能同时控制3个灯泡。飞利浦每年都会对其进行一次技术升级，在2014年，飞利浦推出利用Hue系统的API，用于提供给第三方开发者进行研究。飞利浦以IFTTT平台为基础，研究出利用短信控制灯泡的方法，让不会使用智能手机的用户也能控制相关照明系统。

3.2 LED智能家庭传感器套装

随着LED产品的更新，各大LED制造品牌都开始为LED增加智能控制套件，如智能感应器、智能开关等。

3.2.1 国外产品

贝尔金WeMo开发的智能家庭传感器套装，能够利用红外传感器读取室内的热度数据，防止由于家中宠物乱窜而引发的错误报警，红外传感器的感知范围达9 m。除了红外传感器，智能家庭传感器套装中还有烟雾传感器等传感器，只要其中一个传感器被触发，整套传感器都会开始检测，之后用户手机会收到相应信息。

3.2.2 国内产品

（1）小米智能家庭传感器套装。2015年，小米科技有限责任公司推出了智能家庭传感器套装，其中的门窗传感器能够实时监测门窗的开关。小米的智能家庭传感器套装中的传感器利用ZigBee协议彼此联系，可以通过小米路由器联系到智能终端设备或者小米云。

（2）京东VANE智能家居。2015年，京东也推出了VANE智能家居，其由摄像头、传感器、主机、移动插座四部分构成。在运行的过程中，由主机连接其余三个部件，再经过Wi-Fi与智能终端设备连接。

4 LED照明技术的智能化应用

4.1 具有监控功能的LED灯具

智能照明系统需要配备摄像头，摄像头要想在昏暗的环境下拍摄，必须有光源。LED灯具可以作为摄像的光源，既能提供普通照明，也能提供辅助照明[5]。为便于摄像头的夜间图像采集，还可以用红外灯补光。

4.1.1 灯具类型

当下，很多家庭都会使用LED灯具。为了了解不在家时家里的情况，防止意外事故的发生，不少人会选择在家用LED灯具里添加摄像头，将摄像头与LED灯具结合在一起。经过研究发现，摄像头与LED灯具结合时，落地灯与台灯是使用最灵活的灯具，其次是壁灯，吸顶灯与吊灯是最不灵活的。

（1）吸顶灯与吊灯。吸顶灯与吊灯都挂在天花板上，有些时候，摄像头要对人脸进行识别，吸顶灯与吊灯中的摄像头智只能拍到人的头顶，而无法准确识别人脸。吸顶灯与吊灯如果结合使用，灵活性会稍强一些。

（2）壁灯。如果需要在壁灯内部安装监控摄像头，壁灯的安装位置就不能随意选择，而要找较高的位置进行安装。假如壁灯安装在过道很窄的墙壁，其视野范围有限，作用也有限。

（3）台灯与落地灯。与前面的灯具相比，台灯与落地灯特别合适安装监控摄像头，因为它们的摆放位置不固定，能够放在客厅，也能够放在卧室。将其与摄像头结合，调整好镜头的位置，就能够进行监控，监控的过程中也可以随时调整。

4.1.2 使用注意事项

（1）摄像头和灯具的位置。因为LED灯具最本质的作用是提供高质量的光源，所以摄像头不能挡住光源。同时，光源也不能挡住摄像头[6]。与普通的智能监控摄像头不同，与灯具安装在一起的摄像头是固定的，需要合理设置其高度。例如，在落地灯内安装摄像头时，其高度应为1.1～1.2 m。选择这样的高度是因为家具的高度普遍低于1.1～1.2 m，摄像头的视野不会被家具遮挡，这样的高度也有利于对人脸进行识别。此外，在使用LED智能灯具时，其不能与红外补光一同使用，而且光源照射方向要朝上，不能往下照射，以防止高亮度区域出现在摄像头前，影响成像质量。为了得到环境光，可以利用漫反射，选用磨砂的白色灯罩。

（2）红外传感器等传感器的位置。红外传感器等传感器的位置应该和摄像头位于相同的水平面。

（3）LED的智能控制。安装摄像头后，LED灯具原本的各项功能都需要保持正常，不仅如此，用户还应该能在电脑或者手机上完成全部操作。为了将光敏传感器和红外补光光源等的信息聚集到一起，可以利用Arduino平台整理得到原理样机，然后得到定制的智能硬件。

（4）元器件的安装。安装传感器时需要注意，并非是传感器越多，成效就越好，需要控制传感器的数量。此外，由于集成电路板的尺寸有限，不能完全按照用户的想法进行安装，必须综合考虑安装的成本、用户体验等因素。

（5）警戒区域的设置。使用红外摄像头，可以识别人脸、物体等；利用智能软件，可以在不改变灯具位置的前提下，通过手机等终端划分监控警戒区域。如果有人或物体越过了警戒区域，系统能够自动报警。还能在系统中设置行为分析方式，如可以将“摔倒”等行为储存到系统中，如果发现了相关行动，系统能自动报警[7]。

4.2 LED智能照明系统

现在的科学技术已经能够支持LED进行人机交互，其实现的途径有两个：一是利用界面进行人机交互，二是利用语音进行人机交互。不管选择哪种交互方法，都会对用户体验产生一定影响。在设计LED智能照明系统时，一般选择语音识别技术作为基础，利用语音交互技术实现LED智能照明系统的语音操控[8]。

4.2.1 语音操控功能

国内已经有很多公司推出了可以语音操控的LED智能照明系统，其中，最先推出语音交互LED智能照明系统的是科大讯飞公司。其拥有较先进的相关技术，当输入语音是标准普通话时，相应的识别正确率达95%以上。不仅如此，科大讯飞公司还在LED智能照明系统中接入了语音云平台，用户能够免费使用。而且，用户能在LED智能照明系统上增添智能管家模块。在初期，用户可以通过简单的语音控制，利用智能管家模块控制LED智能照明产品的调节与开启。对于较危险的词汇，如“杀”“抢”等，当这些词汇出现时，智能语音系统可以识别，然后自动触发LED智能照明系统中的程序，引发警报。在后期，随着产品的不断更新、优化，以及相关语音技术的越发纯熟，LED智能照明产品甚至能够提供个性化的语音服务，如识别方言、识别个性化语言等，为用户提供更多便利。针对在语言方面有障碍的用户，其可以不通过语音系统，而是利用短信或者触控的方式控制LED智能照明系统。

4.2.2 数据运算

LED智能照明系统的数据识别与分析建立在计算能力强大的芯片的基础上，在芯片中能够进行大量计算并得出相关结果[9]。如果数据比较复杂，还需要通过高速网络，利用云计算进行分析[10]。利用互联网和云计算，可以让LED智能照明系统接入物联网，同时也能整合相关数据，利用网络进行集中分析与整改，让LED智能照明系统提供更好的智能服务[11-12]。