智能LED节能照明系统的设计分析

智能LED节能照明系统的设计分析

瞿宏亮1,吴火城2

杭州宇中高虹照明电器有限公司，浙江省杭州市，310000

摘要:在科学技术的强大推动下,由于社会大众的需求与日俱增,极大地促进了各项技术的应用,如照明系统,而且智能化和自动化理念得到了广泛应用,也进一步完善了照明系统设计,而且人性化趋势也越来越显著｡

关键词:智能LED;节能照明系统;设计分析

引言

在行业不断发展过程中,智能LED照明系统设计已经成为了重中之重,备受高度关注,而且加强LED节能照明控制体系的应用,有助于将照明的智能化和自动化优势发挥出来｡其中,对智能LED照明系统进行分析,实现了节能照明等环保理念的高度整合,而且智能化照明系统设计,旨在实现对照明亮度的自动化调节,将耗电压力降至最低｡

1系统总体方案设计

智能照明节能控制系统以室内环境光强和室内人员活动作为开关照明的主要衡量指标｡当室内环境光强度较大时,无论室内是否有人活动,系统控制照明灯处于关闭状态;当室内光强度较小时,监测室内有人活动且超过一定时间,系统依据光照阈值,自动调节LED照明亮度｡系统总体设计框架,电源电路提供系统所需的各种类型电源,PIR红外传感器探测人体特征,TEMT6000光敏传感器检测室内灯光范围内的光照强度,ATT7053BU电表芯片监测LED灯的电能参数,传感器将采集的数据传送给控制核心STM32微控制器,LCD显示模块和键盘输入模块实现系统人机交互,PWM驱动器用于产生PWM信号驱动LED照明灯｡相对于传统的光源,LED光源有以下几个特点:①效率高且功耗能低,与其他的卤素灯､荧光灯相比,LED的光效是最高的,可以达100-120lm/W,因此其节能效果是非常好的｡②LED灯是环保绿色的,其光线中没有红外线,也没有紫外线,而且未含有废弃物以及汞元素,所以LED灯是可以回收并加以二次利用的｡③LED灯的使用时间比较长,可以使用5万个小时以上｡④LED灯的体积很小但反应速度却非常快,有良好的显色性,能较好的控制｡在高频使用下方便亮度的调节,可以创造照明的最好效果｡而且LED是通过直流驱动的,控制起来方便且无频闪的情况｡⑤LED灯具有良好的抗震性,能适应多种环境,安全性非常高｡因此,基于LED光源的这些特点,可以有效满足绿色节能的智能照明控制系统环保､容易控制､高效､节能的要求,所以把LED照明以及智能控制有机结合,是未来照明产业发展的形势,可以产生极大的经济､社会效益｡

2LED节能控制系统硬件设计

2.1人体特征探测模块

人体特征探测模块采用PIR红外线传感器,其是利用红外线进行数据处理的一种传感器,由高热电系数材料,如锆钛酸铅系陶瓷､硫酸三甘钛等制成尺寸为2mm*1mm的探测元件｡使用PIR红外传感器,当人员经过传感器的检测范围内,传感器将变化的红外辐射信号转化为电压信号,传输到控制核心,从而判断人员的行为｡如果人员在传感器的检测范围内,传感器返回逻辑高信号;如果人员不在传感器检测范围,可以设置一个延时τ,让光源输出降到0,一个合适的延时τ,能有效节约照明电能｡

2.2环境光照度感知模块

环境光照度感知采用TEMT6000光敏传感器,其由一个高灵敏可见光光敏(NPN型)三极管构成,可以捕获微小光线变化,并放大100倍左右进行AD转换位电压信号｡TEMT6000对可见光照度的反应特性与人眼的特性类似,可以模拟人对环境光线强度的判断｡TEMT6000环境光传感器可以测量入射照度达1000lux的峰值灵敏度在570nm,与光照灵敏度曲线相适应的匹配人眼的反应性｡白天光照亮度充足的情况下,LED照明可自动关闭,让阳光照亮房间,利用周围的光线补充现有的照明,也就是日光收集技术,从而有效避免LED照明灯的启动,达到节约电能效果｡

2.3控制核心

控制核心采用意法半导体公司CortexTM-M4内核的STM32F407,该系列产品采用意法半导体90nm工艺和ART加速器,具有动态功耗调整功能,能够在运行模式下和从Flash存储器执行时实现低至238μA/MHz的电流消耗,主要面向需要在小至10mm×10mm的封装内实现高集成度､高性能､嵌入式存储器和外设的医疗､工业与消费类应用｡具有PWM和AD转换功能,使得系统外围电路得到了简化,同时产生的PWM信号可直接与驱动芯片相连,使得系统成本显著降低｡

2.4终端设备设计

终端设备由LED灯具和传统灯具2部分构成｡LED灯具既可以作为照明光源,同时还承担了智能化灯光控制驱动器的功能｡在JenNet-IP网络中,任意一个LED灯具都可以作为路由节点,根据远程终端发送的控制指令,执行相应的动作,从而改变LED灯具的开关状态､亮度､场景模式等｡本系统选用的LED灯具采用JN5158微控制器,利用外部12V直流稳压电源供电｡直流电源提供的电流,经过LM3575稳压芯片进行稳压后,降低成3.3V工作电压,为LED灯具供电｡LED灯内置2个电容,起到滤除杂波的作用,保证正常工作下LED照度稳定｡传统灯具采用工作电压为5V的白炽灯,同样由JN5158芯片控制｡利用220V交流电作为电源,利用变压器降压后得到15V交流电,然后使用整流二极管进行整流,使用稳压芯片进行稳压,得到5V直流稳定电压｡

2.5传感器设计

该系统的传感器主要负责采集前端环境信息,根据功能的不同又分为温湿度传感器､红外传感器和照度传感器3种类型｡温湿度传感器采用SHT15芯片,在电源引脚VCC和GND之间加入0.1μF的陶瓷电容,达到去耦滤波的效果,保证了电压的稳定性,对提高温湿度传感器的灵敏度和精准性有一定帮助｡在信号输出端接入了阻值为10kΩ的上拉电阻,能有效防止信号冲突,保证了温湿度传感器采集到的温度､湿度信号能够顺利上传到计算机｡本系统中选用了BISS001型红外传感器,支持单一触发､连续触发2种工作模式｡VO输出引脚与微控制器JN5168的第5串口连接｡当传感器接收到红外信号后,VO端口输出高电平,JN5168随机发送控制指令､触发中断,此时对应的LED灯具上电､亮起｡同时,默认30s(可人为更改设置)的延迟,在30s后执行一个判断程序“VO端是否为高电平?”若判断结果为“是”,则LED灯具持续点亮;若判断结果为“否”,则LED灯具熄灭｡本系统中选用了TSL2550D照度传感器,从结构组成上来看,主要包括光电二极管､模数转换器2部分｡光电二极管能够感知可见光和红外线,从而获取传感器所在环境中的光照度信息｡采集该信息后,利用一个ADC模数转换器,将光信号转化成计算机可识别的电信号｡TSL2550D的工作电压为2.5~5.0V,使用第4串口与JN5168芯片进行通信｡遥控器可用于调节灯具的照度值､场景模式､工作模式,并支持单独控制､组合控制､区域控制等多种调控方式｡从结构组成上来看,本系统中使用的遥控器主要有5部分,除了JN5168芯片外,还有电源､键盘､射频收发器和其他外围器件｡为了节约空间,在设计遥控器时选用了板载天线实现数据信息的收发｡这里主要介绍电源模块和键盘模块的设计内容｡在电源设计中,选用3.8V锂电池作为电源,为遥控器供电｡在电源正极处串联一个二极管N5819,起到分压作用;在VCC和GND之间串联2个电容,一个为0.1μF,另一个为10μF,起到滤波作用｡在键盘设计中,考虑到遥控器JN5168芯片的I/O口有限,键盘按键采用矩阵形式进行连接,不占用I/O｡整个键盘共设计16个功能按键,采用4×4方格布置,另外加入1个唤醒键,可以将遥控器从“睡眠”模式唤醒｡

3系统软件设计

3.1软件系统分析

本款智能LED的设计划分为正面及背面两部分,正面为音乐频谱灯设计,背面为发光图案的闪烁设计,引起视觉注意｡Arduinonano通过音频分析模块输入的160Hz､400Hz､1kHz､2.5kHz､6.25kHz和16kHz音频信号来控制6段WS2812灯带上不同灯珠的亮灭｡智能LED启动后,正面频谱灯呈现蓝色跑马灯效果的启动提示｡背面尾巴部分柔性灯带呈现流水灯启动效果,后背部灯光全部打开｡程序正式启动后,正面为频谱灯效果,背面为闪烁的老虎图案｡

3.2频谱灯程序流程

频谱灯的程序是在Arduino社区的音乐频谱灯项目基础上再结合实际应用后进行修改｡此频谱灯共6个竖列10行横排,每个波段控制1列灯珠｡为保证亮灯效果,程序初始化后第1横排的灯珠将一直被点亮｡将波段读数赋值给变量v,通过设置9个档差来点亮频谱灯不同数量的灯珠,在变量v小于设定的值100时,点亮的灯珠依次关闭,最终实现频谱灯的闪烁效果｡

3.3基于反向学习优化收敛速度的设计

为应对WOA存在收敛速度不够快的问题,本文采取反向学习WOA的初始化阶段,通过添加具有先验知识的LED位置布局与功率分配结果,使算法快速收敛｡室内可见光通信(VLC)系统中往往存在光信号分布不均匀的情况｡然而,均匀的接收照度可以提供更舒适的照明环境,同时,均匀的接收光功率可以提高VLC系统的通信质量与通信的公平性｡因此,为保证光信号的均匀分布,对系统的均匀性进行优化是不可或缺的｡在室内VLC系统中,为实现室内接收平面上光信号的均匀性覆盖,目前主要针对光源的布局和功率分配进行优化｡优化对象也从发光二极管(LED)的位置布局扩展到了LED的半功率角､LED的方向角和LED的功率分配｡但现有的研究大多局限于房间顶部二维空间的优化,没有结合LED的部署高度进行联合研究,也很难找到全局最优解｡2012年,Wang等采用了房顶LED矩形+圆形的复杂布局模型,实验结果中光信号的波动也都得到了大幅度的降低,提升了系统的通信公平性,但并未对LED布局模型的位置坐标做进一步的探索,实验结果也有待提高｡2017年,王加安等对比了室内房顶LED的矩形布局优化模型和圆形布局优化模型,实验结果表明,LED圆形布局模型拥有更好的覆盖面和通信性能,但并未考虑复杂光源布局的使用场景｡2018年,Mahfouz等提出了16个LED阵列的新型复杂排列设计,实验结果表明,该模型在接收功率和信噪比(SNR)方面均得到了改善,但未考虑对其开展进一步的优化研究｡2019年,陈泉润等先通过对比房顶不同LED的间隔,优化LED方阵+圆环的布局模型,再通过试探LED在不同功率下的照度均方差进行功率分配,改善了室内VLC系统接收平面的均匀性,但其优化方法不够智能与全面｡2020年,Gismalla等提出了一种房顶矩形交错的复杂部署模型,利用更少的LED光源提供更均匀的接收功率和SNR分布,但其部署模型过于复杂｡同年,Wang等引入并改进了人工鱼群算法(IAFSA),利用算法优化房顶LED分布的横纵坐标,减少接收功率的波动,提高了系统接收功率的均匀性,但优化方案仅考虑了房顶二维平面的研究｡Huang等利用改进蝙蝠算法(IBA)先优化房顶的光源布局,再优化半功率角,有效降低了接收照度与接收光功率的波动,但其优化方案采取先后分步的形式进行,未能真正寻找到最优解｡Zhai等提出了一种基于多种群遗传算法(MPGA)的房顶LED任意布局,以解决光照度和接收功率的不均匀分布,其优化效果仍有很大的提升空间｡因此,现有的方案常基于房间顶部进行光源布局优化,未考虑光源的部署高度,而且往往采用先后分步的优化方案来优化光源布局,在同步优化上鲜有研究｡为了解决之前研究中突出的问题,本文提出了一种基于混合改进策略的快速鲸鱼优化算法(FWOA),以同步优化室内LED的光源布局和功率分配｡通过考虑LED的部署高度,采用同步优化方法,实现LED布局的最佳方案,并使其达到室内光信号的最佳均匀性｡此外,针对同步优化中可能存在的搜索范围大､优化时间长等问题,本文从群体智能的角度引入鲸鱼优化算法(WOA),并通过混合改进策略进一步提高算法的收敛速度和全局寻优能力｡

结语

总之,在照明系统设计的帮助下,可以与基础生活需求相满足,而且也有助于将人们的家居环境体验度提升上来｡传统照明设备的人性化并不显著,而且与节能环保理念存在差距,所以应及时予以改善｡智能LED照明系统的出现,可以与大多数人的实际需求相符,并将照明的智能化和环保化优势彰显出来,实现时代发展目标｡

参考文献

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