模块化设计的LED智能控制系统研究

刘红平

（长沙师范学院，湖南 长沙410000）

1 研究现状

（1）国外早在20世纪90年代就开始从事智能照明控制系统的开发，已开发出相对独立的、专门用于照明控制的智能照明控制系统。澳大利亚邦奇公司开发Dynalite照明控制系统，能够对同一场所的多个灯区进行控制，且每个灯区可以设置5种场景，通过对智能面板操作可选择适宜的照明氛围，采取遥控、现场感应、现场面板、场景等控制方式，营造各种适宜的光环境。但是它不完全符合LED驱动设计的要点，忽略了光源的光衰现象，环境总体照度达不到照明质量标准，达不到恒照度照明光环境的要求，且除常规的过压、过流保护外，在过温保护方面达不到标准；美国路创公司开发的LC&D照明控制系统，能够按照用户的需求，设定照明时间、区域、方法，对每一个回路进行独立控制，可以解决传统控制存在的相对分散与不易管理等弊端，但控制系统的智能化程度不够高，在场景控制和灯光亮度调节方面技术不够成熟，且存在无故障自检功能、维护不便，灵活性低，可扩展性差等问题；随着无线网络通信技术的发展，韩国友美、西班牙SALICRU公司推出的基于GPRS的智能照明控制系统，采用计算机、现代通信、自动控制等先进技术，通过有线或无线的传输方式，对照明设备集中实现遥测、遥控、遥调等“三遥”智能数据采集和监控，使LED照明与现场环境紧密相结合，达到节约能源和方便控制的目的。但应用在智能照明控制的产品不稳定，市场定位较高，主要用于一些高档场所，难以被广泛推广。尽管如此，但他给智能照明控制系统的研究带来新的思路。

（2）我国的智能照明控制研究起源于20世纪90年代，一方面源于科技的进步及资源节约型社会的发展需要，另一方面，由于一些国际知名智能照明控制厂商相继进入中国市场，为中国的照明市场注入了新活力，进入21世纪，国内已经出现了众多的智能照明厂商，如合广测控、清华同方、瑞朗、索博等。第四代光源LED出现后，照明厂商加大资金、人力和科技的投入，推出各类LED智能控制产品。如远红外的电子节能开关、用于教室照明的智能控制器等，她们利用各种传感器采集外界信息，通过简单的照明控制策略来控制LED，其在远程控制、智能化控制方面的技术远不够成熟。

现行的照明控制系统存在着功能简单，效率不高，操作复杂，智能化低等诸多缺点：一是系统智能化水平还不高，控制策略不够完善，二是在故障自检、远程调控方面的技术还有待提高；三是存在安装复杂、扩展性低、成本昂贵的问题。

正是由于存在的这些问题，为企业和开发者提供了更多的竞争和发展机遇。由重庆大学承担的国家自然科学基金青年基金项目“高可靠大功率分布式谐振恒流LED驱动电源系统研究”提出一种新型的可以直接适用于工频交流输入的无源恒流LED驱动电源，可实现单位功率因数及输出电流平均值恒定的功能。可靠性高，使用寿命长，无源元件可以回收利用，能够满足可持续照明电源的三大要求。但由于内部不含电解电容、有源开关及相关驱动、控制和辅助电源电路，即没有考虑电源电磁兼容性（EMI滤波器）的设计，防浪涌、短路、过载、防雷等保护电路的设计。

吉林大学承担的吉林省科技发展计划项目重大专项“大功率LED照明灯散热与光效研究及新产品开发”通过深入研究照明控制系统架构和无线通信技术，设计了适用于该系统的通信协议，提出了一种新的照明控制系统，可以对LED灯实施统一开关，对夜间照明系统和LED灯进行实时监控和管理，弥补了传统监控系统的不足，有效节约电能消耗，具有远程遥控和故障报警等功能。 但对于LED的智能调光控制功能远达不到要求，智能调光装置需进一步完善。同时系统不稳定。

将LED光源与智能照明相结合已成为照明控制系统发展的必然趋势。国内虽然在智能照明控制系统研究方面上取得一定进展,但目前为止尚未出现一种较为完善的照明系统能够满足智能化的照明控制要求。

2 理论分析

本文通过深入研究LED智能照明控制系统通信技术，LED驱动电源技术和LED调光技术，开展LED智能照明层级式控制架构、区域节点控制器、智能调光装置以及控制中心管理系统等关键技术及各功能模块的配置与相应的软硬件的研究与设计工作。

（1）分析LED多模式层级化智能照明控制系统的整体框架结构及管理通信模式，按结构功能模块对各个模块作功能需求分析；

（2）分析LED发光特性、伏安特性，建立具多路驱动能力的无电解电容串联谐振恒流LED驱动电源理论模型，分析与系统仿真基于恒定导通时间控制的LED驱动电源模块电路，确定AC/DC(PFC)+DC/DC的两级驱动方案；

（3）分析LED调光技术，建立PWM调光的期望光度量、色度量与电流占空比之间的定量计算模型，利用Saber软件对调光模型进行系统仿真,设计多模式数字调光的滑膜变结构的PWM智能恒流调光电路；

（4）对比分析现场总线、无线通信和电力线载波通信与其他通信方式的异同点，选择LED智能照明控制系统通信组合方式，分级分层次构建控制系统通信链路；

（5）分析基于Z-Stack协议栈的操作系统，完成区域节点控制器、调光装置应用程序的开发；控制中心软件采用Visual Basic，数据库采用Access，设计区域照明控制模式，优化控制系统相关参数。

3 技术路线

（1）首先分析LED多模式层级化智能控制系统的整体框架结构，对各个模块提出功能需求（驱动电源、调光技术、通信方式）。

（2）分析LED发光特性、伏安特性，建立LED串联谐振恒流电源理论模型，确定AC/DC（PFC）+DC/DC的两级驱动方案，研制LED驱动电源原型机。

（3）根据恒流调光原理，采用开关稳压器，选用PWM波设计恒流调光电路，制作实验电路板测试，优化设计参数。

（4）分析LED调光芯片的输入输出端口特性，选用LM3409HV芯片制作低压恒流调光电路，选用IRS2541芯片制作高压恒流调光电路，并设计出LED智能调光装置。

（5）针对不同通信方式的优劣势，LED智能控制系统与区域节点控制器采用现场总线或GPRS链路，区域节点控制器与LED智能调光装置采用电力载波通信或无线通信，实现双向通信。

（6）采用基于ARM系列微控制器主板，设计区域节点控制器的软硬件结构，设置其智能监控与管理方式。（7）建立整个智能照明控制系统的实验平台，进行实验验证，进一步检验设计方法的有效性。

4 研究展望

本文开展所依托的主要理论基础——电磁学理论、电力电子技术和通信技术都是成熟的理论，且LED驱动电源技术、调光技术及LED照明控制通信技术的发展,为LED多模式层级化智能照明控制系统的研究奠定了一定的技术基础；国内外科研机构也开展了相似的研究并取得了一定的成果，如吉林省科技发展计划项目重大专项“LED照明灯散热与光效研究及新产品开发”、澳大利亚邦奇公司开发Dynalite照明控制系统，这些研究的成果都为本研究的开展提供了良好的经验积累和理论借鉴，国内外科学研究者们已进行了大量的研究工作并取得了较为瞩目的成果。特别在LED驱动电源、调光技术、通信方式组合、抗干扰等方面。本研究期望针对上述问题进行更加深入研究，为实现具有工程实用价值的LED智能照明控制系统，提供先进的基础研究理论与系统设计思路。

针对LED传统照明控制节能效率低、控制方式单一、智能化低、扩展性差等问题，本文通过探索LED发光、伏安特性，分析基于恒定导通时间控制的LED驱动电源的模块电路，建立具多路驱动能力的串联谐振恒流LED驱动电源理论模型，构建LED恒流驱动电源原型机；分析PWM调光技术的几何、光度、色度与电力约束条件，建立PWM调光的期望光度量、色度量与电流占空比之间的定量计算模型，设计多模式数字调光的滑膜变结构的PWM调光装置；对比现场总线、无线通信和电力载波通信及其他通信方式的异同，分级分层构建控制系统通信链路；采用模块化软件结构，完成应用层程序和控制中心软件开发等研究，拟开发出LED多模式层级化照明控制系统。期望实现多种照明模式控制，达到远程监控LED的工作状态，发现故障，通知用户维修的目标，具节能效率高、智能化高、灵活性大等特点。本文同时对LED驱动电源、调光技术以及软件编程奠定科学的理论基础，为LED智能照明控制的应用提供有价值的、科学的思路。