智能可调节LED灯节能控制的开发

杨盛

[摘    要]LED灯是照明技术发展的重要成果，特别是在低碳经济背景下，其利用价值不断升高。针对LED节能性与智能控制问题，简述了LED灯的几类基本热性，给出了一种自然光可调LED智能节能灯的设计方法。最后，结合人工智能技术、新材料技术、数据处理技术的发展情况对未来LED智能节能灯的研究趋势进行了探讨。

[关键词]LED节能灯;智能控制;发展趋势

[中图分类号]TP273 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]LED lights are an important result of the development of lighting technology， especially in the context of low-carbon economy， their utilization value is constantly increasing. Aiming at the problems of LED energy-saving and intelligent control， firstly， the basic thermal properties of LED lamps are briefly described， and secondly， a design method of natural light adjustable LED intelligent energy-saving lamps is given. Finally， combined with the development of artificial intelligence technology， new material technology， and data processing technology， the future research trend of LED smart energy-saving lamps is discussed.

[Keywords]LED energy-saving lamps; intelligent control; development trend

随着城市现代化建设水平不断提高，LED灯的应用愈加广泛，特别是随着技术不断提升，LED灯的能耗更低，照明亮度也更强，通过引入智能控制模块，使得LED照明设备能够在更多的场景应用。利用LED光亮度可调光的特性，能够根据环境实际需求让照明趋于智能化、节能化。传统的照明设备大都存在功能单一、能耗偏大、调光线性能力差等缺陷，人们在这种照明条件下长期工作生活会对注意力、精神状态产生不良影响，特别是一些艺术活动区域，如光线变化不协调导致绘画创作者对色度的判断出现错乱，降低了作品的完成度。智能可调节LED灯基于对人们需求、环境变化信息的捕捉主动进行光照强度的调节，使照明遵循最低耗能、最佳适用原则进行动态平顺调整，进而提高照明质量。近年来，针对LED灯智能调节节能控制的研究涌现出越来越多的成果，一些理论已经被成功应用到实际场景当中，例如基于人机交互的照明节能控制系统，能够让用户直观快速地获得照明系统实时的情况，根据这些信息选择手动或自动的方式进行调整，如果配合一些语音识别、面部捕捉等技术，便可以进一步达成智能化控制的目标。基于此，本文将展开详细的讨论，并给出一种自然调光的LED灯设计方法。

1 LED灯的特点

1.1 节能性

在电能消耗的数据上来看，相同照明需求条件下，LED灯只有白炽灯的1/10，只有节能灯的1/4。可见，优异的节能性是LED灯的显著特点之一。当前，随着人们对生态环保观念的不断加深，为了降低能源消耗，减少污染，使得LED灯的节能应用愈加受到欢迎。

1.2 可在高速开关状态工作

生活中，高速开关状态下工作的LED灯非常常见，例如街道两边大型的广告牌，其展示的内容变化流畅而多样。这便得益于LED灯具有良好的高速开关工作性能，相比之下，传统的白炽灯就没有这样的能力，在高频次开关下还很容易烧毁白炽灯。

1.3 环保

与白炽灯不同，LED灯内部发光材料没有重金属等材料，在发光过程中不会挥发有毒物质，同时，在生产加工中，其有害副产物也很少，因此LED灯具有良好的环保性能。在当前环保意识不断增强的社会，人们对LED灯的使用比較更加广泛。

1.4 响应速度快

LED灯还有一个突出的特点，就是响应的速度比较快。只要一接通电源，LED灯马上就会亮起来。对比平时使用的节能灯，其反应速度更快，在打开传统灯泡时，往往需要很长的时间才能照亮房间，在灯泡彻底的发热之后，才能亮起来。

1.5 LED灯比其他光源更“干净”

这里的“干净”不是指传统意义上的设备表面洁净程度等，而是指冷光源的LED灯由于散发的热量较少，所以不会吸引大量的昆虫围绕，特别是在一些植被茂密的地区，传统的白炽灯在夜间往往被大量蚊虫吸引，给人们带来很多不便，而LED灯则可以很好地避免这些问题。也正是如此，所以LED等表面很少会粘附蚊虫排泄物、虫卵等脏物，使设备长期保持干净。

2 自然调光LED节能灯

基于智能可调节LED灯节能控制的思路，研究了一种自然调光LED节能灯，具体方案如下。

2.1 系统总体设计

通过结合K-means聚类分析算法，以STC89C51平台为基础进行自然调光LED节能灯的设计开发。为了提升系统对环境的感知能力，相应的配备光线探测器、人体传感器。其中，周围环境的探测由传感器完成，数据处理中心利用接收到的环境量化数据进行综合分析，节能LED灯光系统依据用户的实际需求完成智能调节。为了避免系统被电磁干扰，设计相互独立的系统控制器电路与驱动器电路，控制器借助PWM波对MOS管开关进行实时控制进而驱动LED灯照明。为了最大程度地缩减硬件成本，降低LED灯功率消耗，同时保证用户需求，智能控制器应当具备以下能力。

（1）智能调节。LED照明系统启动后，能够对周边空气透明度、环境亮度进行实时检测，将用户对环境光强度的需求变化信息进行数字量化处理，系统基于智能算法对用户习惯进行“学习”，在各个时间段智能控制器将结合先验知识对灯珠亮度进行自动调整。

（2）非线性调光。通过一系列智能处理后，控制系统通过非线性控制算法调整灯珠亮度，使环境亮度变化更加舒适，更符合人体视觉接受程度，避免因光照亮度突增突减引起视觉疲劳和精神不振。非线性调光能够尽可能地模拟自然光，营造自然的视觉体验。

（3）自动节能。传统灯具在使用过程中，往往会由于使用者忘记关闭或其他原因导致电能的浪费。智能调节系统可以对用户状态进行监测，当使用者离开光源时，自动降低照明亮度，使其仅维持在能够识别物体轮廓的程度，当使用者长时间不在时，则自动断开电路，从而实现自动节能。

（4）主动调节与数据显示。为系统配置主动微调开关，从而使用户能够在智能调节基础之外，依据特殊需求对照明亮度及灯光色温进行手动调整，提升了LED灯的应用范围。另一方面，系统配置相应的显示装置，将灯光亮度、色温在OLED显示屏上全面展示出来，并给出推荐设定值，提升用户的操作感。显示屏幕与调节按钮进行防水、防振处理，避免渗水损坏系统内部元件。

（5）规避频闪可视问题。借助51单片机控制定时器输出高频次的方波，在频闪超过100次/s时，此时人体肉眼已经看不清频闪现象，既使频闪频率远远超过可视范围为。

2.2 系统硬件设计

硬件系统分为控制系统和驱动系统，由于两者分离为系统的扩展提供了更多可能性。在这一设计中，控制系统的硬件部门主要由环境光感知器、主控芯片、人体探测传感器组成，进行自动调整。主控制系统中的单片机为CMOS8，由ATMEL公司生产，单片机内包含有运算速度8kbytes的Flash存储器，能够实现反复擦除，便于对大量程序的处理。此外，由于单片机具有丰富的I/O接口，因此可以便捷地实现功能扩展。控制系统的整体硬件框图如图1所示。

使用光敏电阻以及宽电压LM393比较器共同组成YL-38环境光线检测传感器模块。其中，光敏电阻的阻值在自然光线环境下能够快速减小，灵敏度很高。YL-38环境光线检测传感器模块包含两个输出端，既AO和DO，AO作为模拟电压的输出端，经过模数转换器将模拟量转换成数字量，进而得到精确的环境光强度等级。DO输出高低电平的数字信号，直接被单片机I/O口识别。利用红外线人体感应技术实现对人体状态行为的实时探测，根据红外检测情况判断是否有人体靠近照明设备。模块的感应范围如图2所示。其中，最大感应距离为5～7 m，感应角度为100°，最大感应角度下感应距离为3～4 m。

显示器采用0.96英寸、分辨率为128×64的四线制OLED屏。通信方式为I2C串行通信，使得显示器与单片机的连接更简单。为了解决由于单片机IO口的输出电压无法驱动大功率LED灯珠的问题，将大功率的驱动电路接入到系统主控制系统当中。将基于MOS管的PWM控制开关作为驱动模块，利用PWM波控制MOS管的导通与闭合状态，进而实现供电电路的开启和关闭控制。

2.3 系统软件设计

系统软件中的算法包含伽马自然调光算法、色温计算算法、K-means机器学习算法。软件系统包括双路占空比可调PWM输出模块和人体感应节能系统等部分。主控系统启动后，对环境光进行自动检测，依据采集的数据用智能学习算法进行分析，得到期望值（用户在各个时段对光照的需求程度），此后，利用伽马自然调光系统推算出最佳调光曲线并转换成PWM波占空比调节曲线，单片机依据调节曲线对PWM波的占空进行匀速调节，最终让光源达到预想亮度。

3 发展趋势

3.1 智慧控制

随着人工智能的发展，照明技术与智能控制必将更加深入的结合，未来照明系统将从智能控制向智慧控制转变。与传统意义上的智能区别在于，智慧可以被视为近乎拟人的模拟状态，能够对事物完成独立的思考过程，针对特定问题快速、准确、全面地给出解决方案。所以，智慧控制在很大程度上是高于智能控制等级的。纵观人类工业生产技术变革历程，从最初的电气化到控制智能化，再到智慧化。而照明技术也会呈现出相似的发展路径。从智能到智慧并不只是简单的一个字的改变，而是要让控制系统向人一样去主动思考问题，在学习过程中不断积累知识，能够在脱离

人们主观意愿的控制下，自主达到用户想要的结果。

3.2 意念控制

不久的未来，高度智慧化的照明系统从本质上来讲，其实质已经成为了人工智能系统，在很大程度上可以实现真正的“意念交互”。例如结合大数据构建的“智慧家居云服务平台”，人工智能系统将彻底代替用户完成对照明系统的精细化控制，管理人们活动空间的灯光环境，实现人们主观意识与光线感受上的“情投意合”。不过，“意念沟通”同样要遵守基本的“协议”，人机互通的“意念信息”不可避免地要具备数据地址码、数据完成码、数据结束码，机器意识并不是真正的意识，而是基于高度智能算法与超级计算机结合下的拟人大型运算机，在照明系统方面投入如此巨大的成本显然是不切实际的，在未来，随着大数据共享程度不断深入，计算机共享机制不断完善，在超强算力的基础上，这些设想都将成为现实。

3.3 自由组网

未来，智慧化的照明控制系统将会在今天自由的传输介质、自由化拓扑、无线通信网络、动态组网、自动搜寻的基础上，实现真正意义上的自由组网。LED等大量的智能灯具将全都会嵌入智慧网络接口，构成智能家居系统。而无线的“智慧家居云服务平台”将会全面受理接入的所有灯具，会按照你的“预想”指挥模块组网，大量的智慧照明系统将具备“接入后不用管”的能力，甚至于人们无需再去思考关于设备接线、控制程序编写等事由。随着照明系统越来越复杂，其所蕴含的功能也会愈加强大，设备的使用也将变的“傻瓜化”，儿童都可能应用自如，因为所有系统都是“一声启动”。

3.4 感官控制

听觉是人们最直观的感官体验，但其实对于机器识别系统而言，声音与图像相对来讲是最容易实现的方式。在未来，随着量子计算机与生物计算机的问世，计算机运算速度将发生质的改变，一些不能被传统计算机所实现的高级算法将从理论走向实践，届时，智慧系统甚至可以根据人体极度微妙的神态变化来判断其照明需求，进而让计算机与人脑形成“意识共同体”，将沉浸式感官控制变为现实。

4 结束语

LED灯对人们的日常生活的确具有重要影响，在生态可持续发展的理念指导下，针对LED智慧节能灯的研究将更加深入。从智慧控制、意念控制、自由组网、自由灯光场景等层面思考提出了一些对未来LED照明系统发展方向的推测，希望对行业进步有所借鉴。

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