您的 LED 照明系統有多智能？雖然LED照明有望降低能耗和維護成本，但智能LED照明設計在這兩個方面都提高了系統性能，實現了更高的每瓦性能并長期降低成本。能量測量、環境光傳感和通信是智能 LED 照明設計的基石。能量測量提供系統運行狀況和消耗信息。環境光檢測可縮短 LED 的導通時間，從而節省能源并延長二極管的使用壽命。通信將每個燈具連接在一起，以識別維護和系統級協調。將探討組件對整體系統性能的貢獻。

介紹

想象一下，在一個非常炎熱、塵土飛揚的日子里，一場馬拉松比賽，節省每一盎司的能量對結果都很重要。這場比賽還沒有結束一半，但獲勝者似乎很確定。領先優勢看起來不可逾越，因為這個跑步者可以用更少的能量做更多的事情。這個跑步者更閃耀。面對高溫和競爭，這位跑步者保持冷靜。目前為止，一切都好。然而，這位競爭對手會在比賽的下半場設定速度并保持領先嗎？在一個運動員都聰明地訓練和競爭的世界里，天賦和潛力只能到此為止。巨大而浪費的潛力在通往成功的道路上散落一地。現任領導人是否會深入挖掘，進行一場聰明的比賽，對元素做出反應，不辜負期望？時間和智慧會證明一切。

現在你問我，“馬拉松和LED有什么關系？你真的知道你在說什么嗎？我認為如此。就像一個強壯的跑步者帶領馬拉松一樣，LED在世界范圍內有望產生更節能的照明。與白熾燈和熒光燈相比，LED是一項重大的技術進步，它使用更少的能量，持續時間更長，并且可以更好地控制顏色和光的方向。

2010年，照明消耗了大約19%的美國電力。1到 2030 年，照明每年可消耗整整 767 太瓦時 （TWh）。2對于我們夢幻般的馬拉松比賽中的領跑者來說，這是一個多么好的機會！到25年，用于照明的LED可以將電力消耗減少2030%。2此外，LED可以減輕照明產生的固體廢物的數量和類型，因為它們的使用壽命比其他照明解決方案長五倍，并且不含有毒物質。最終更換LED不一定是因為燈故障，而只是建筑風格的結果。此外，使用紅色、綠色和藍色 （RGB） LED 微調顏色的能力為性能和創造力增加了新的選擇。最終，LED的功能將遠遠超出照亮空間的范圍。它們的外觀和適應新樣式和固定裝置會更好。

LED 智能 — 贏得比賽的關鍵

LED將如何發揮其巨大潛力？毫無疑問，第一個障礙是價格。LED目前的成本比現有的照明解決方案高出一個數量級。節約能源通常不足以說服注重價格的企業和消費者進行更昂貴的購買。隨著時間的推移，制造成本的節省和批量生產可能會降低價格，但成本是否會下降到足以贏得用戶的速度？這些趨勢是不確定的，完全值得商榷。誠然，它們超出了本文的范圍。還要考慮可用性，這會影響價格。去任何兩家五金店，試著找到同樣的LED燈。這很難。許多零售商沒有庫存足夠種類或數量的LED燈來吸引休閑消費者。為什么？這又回到了價格和高效的庫存周轉。那么，作為工程師、創新者和創造性思想家，這會給我們帶來什么呢？我們如何使LED照明發揮其潛力？贏得馬拉松？

讓我們給LED燈智能，讓它們變得智能。讓我們給這些燈光眼睛，聲音和計數能力。將高價值半導體設計到照明應用中將優化能源效率，最大限度地延長燈泡壽命，并降低維護成本。然后 LED 將運行剩余的比賽，堅硬而強壯，他們將通過智能運行贏得比賽。

LED智能的基本要素

環境光傳感、通信和能量測量構成了智能照明系統的關鍵組件。環境光感應允許當其他光源已經充分照亮空間時，燈光會變暗。此外，檢測環境光顏色的傳感器允許對先進的RGB LED照明系統進行顏色調整。通信允許對小型和大型照明裝置進行遠程控制和集中聯網。電能測量提供對消耗功率的準確核算和系統洞察，以進行預測性維護。所有這些功能（環境光傳感、通信和能量測量）都轉化為節能和更低的運營成本。在本應用筆記中，我將探討在LED照明系統中增加環境光檢測、通信（無線和電力線）和電能測量的關鍵設計考慮因素。提供了參考設計示例。

環境光傳感器 （ALS） 檢測傳感器附近的光量。這些簡單的設備成為LED照明系統的“眼睛”，也是節氣門。當房間內已經有光時，照明是完全不必要的。燈可以調暗或完全關閉，從而降低功耗并延長燈的使用壽命。對 ALS 至關重要的功能包括電流消耗、照度范圍以及紅外和紫外線阻隔。這些傳感器必須安靜地存在于系統中;他們不能拉動多余的能量，這違背了他們保存系統能量的目的。出色的 ALS 可在小于 1μA 的電流下工作。對于給定的戶外應用，勒克斯范圍必須超過典型的勒克斯范圍。從 0.1lx 到 100，000lx 的范圍通常涵蓋大多數應用。為了系統穩健性，可能需要稍高的頻帶。紅外和紫外線阻隔功能可去除實際系統讀數中不可見光譜中任何不需要的光。

光感應

圖13顯示了 ALS 在燈具中的位置。傳感器必須位于燈本身的光線之外，以防止人造光影響環境測量。在這種設計中，ALS駐留在單獨的板上，并從支撐燈的光束接收陰影。這種簡單的設計使ALS能夠在晨光超過預編程值時關閉燈。RGB傳感器可以為照明應用添加更多“特色”。如圖所示，配備RGB LED和ALS的LED系統可以根據特定應用的要求動態調整其顏色輸出，例如露臺上的情緒照明或百貨商店的顯示器照明。

圖1.ALS 安裝在單獨的 PCB 上，并放置在燈具支撐梁的陰影下方。這可以防止傳感器從燈本身讀取光。

通信

現在讓我們談談LED中的智能通信。耳朵和聲音是使LED燈智能化的下一個最關鍵功能。通過簡單地聯網燈，您可以通過網絡打開和關閉它們，或調暗它們。僅此操作即可降低能耗。通信還提供有關中斷、必要維護和緊急情況的快速反饋。此信息將節省整體系統維護成本。無線和有線通信方法在各種情況下都能有效工作，具體取決于網絡大小和地理位置。無線在小型室內和大型室外應用中效果良好，具有連續的視線、可用的頻段和足夠的傳輸功率裕量。電力線通信 （PLC） 使用現有電源線提供通信。PLC在大型市政風格的照明裝置，隧道和室內停車場中非常有效，由于地理或建筑物墻壁而無法視線。在所有通信應用中，可靠性和魯棒性都至關重要。如果通信失敗，系統將不提供任何好處。

在無線應用中，信號可能通過 Wi-Fi、ZigBee 或其他標準和專有協議運行，通常包括但不限于工業、科學和醫療 （ISM） 無線電頻段。限制功耗可提供網絡靈活性，如果端點使用電池，則這一點至關重要。圖2顯示了一個獨特的應用，其中燈開關配備了能量收集RF收發器。系統收集用于輕彈開關的能量，產生可用的直流電壓，通過< 1GHz RF為燈具的無線電通信供電。該開關可以放置在房間的任何位置，前提是信號到達燈具。無需連接電燈開關，房間設計變得更加靈活，照明控制更加動態。??

圖2.一種樓宇自動化應用，其中電燈開關包含一個控制 LED 照明的未接線能量收集射頻收發器。

照明的PLC控制使用已經供電的現有線路，因此使這種方法成為具有成本效益的選擇。PLC消除了諸如共享通信頻率，惡劣天氣性能和網絡維護等問題，因為通信發生在已經提供電力的維護線路上。范圍、速度和魯棒性是 PLC 的關鍵設計考慮因素。 電力線攜帶大量噪聲，影響系統穩健性。G3-可編程控制器?通信是一種基于 OFDM 的新型 PLC 標準，可通過電力線提供出色的通信。該標準允許高達 300kbps 的速度、網狀網絡功能和適用于高噪聲情況的魯棒模式。類似于G3-PLC的基于OFDM的PLC控制的照明網絡已經存在。圖3顯示了Nyx Hemera Technologies隧道照明網絡的PLC安裝。4該系統已經節省了 25% 的能源和 30% 的維護。這個大型裝置在單個系統上支持多達 1022 盞燈，通信距離可達 3 公里。

圖3.使用 PLC 的市政路燈網絡示例。4

能量測量

最后，智能LED燈需要能夠計算瓦特數。從智能電表到電壓控制器再到電動汽車充電器，每個智能電網安裝都具有能量測量功能，可為公用事業和客戶提供實時準確的電力使用情況。報告其消耗量的主要照明裝置提供了有關建筑物和市政照明情況的更精細粒度。通過這種方式，他們可以確保公用事業公司只對使用的確切能源量收費。通過在不使用時調暗或關閉這些燈，它們可以響應用戶需求。此外，特定燈的能耗變化可能表明需要系統維修、維護或更換。毫無疑問，由于許多照明裝置位于難以進入的區域，優化維護將節省資金。為了在智能電網中產生可用數據，電能測量設計必須在寬電流范圍內提供高水平的精度。此外，限制或消除校準時間可降低整體系統成本。圖 4 顯示了具有能量測量功能的靈活 LED 照明參考設計。5能量測量芯片還提供系統調光和DALI接口。

許多市政當局目前正在安裝沒有智能功能的LED照明。這將為改造模塊帶來巨大的未來機會，以提高LED燈的性能。為了可升級，這些系統需要允許鏈接到智能照明系統的接口?？紤]到LED的成本和體積，僅僅更換相對較新和高效的LED將不具有成本效益。簡單的接口，如DALI，將允許未來添加ALS，通信和能量測量。

圖4.完整的智能 LED 照明參考設計，具有能量測量、環境光傳感和通信功能。

飾面是最有希望的

這會給我們帶來什么？行業和消費者向LED過渡的競賽將是一場漫長的競賽。很明顯，LED照明具有改變照明和節省大量能源的潛力。添加“智能”照明的關鍵元素 - ALS，通信和能量測量 - 將使LED更加有用和吸引人。智能LED提供的測量數據將進一步降低照明系統的能耗。它將降低運營和維護成本。借助智能，LED可以充分發揮其潛力，并在每天都在進行的比賽中擊敗傳統的照明形式。

審核編輯：郭婷