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基于舒适度的智能LED照明系统研制

时间:2020-01-16 来源:湖北工业大学 作者:胡章捷 本文字数:5850字
  摘  要
  
  近年来半导体照明技术飞速发展,其应用前景也随之凸显出来,传统的室内照明系统很难满足人们对照明舒适性和绿色节能的双重需求。以LED作为照明光源替代传统光源具有功耗低、可延长照明系统使用寿命、绿色环保和具有更大的设计灵活性等多项优点,成为当前半导体照明领域研究的热门。

基于舒适度的智能LED照明系统研制
  
  本文设计了一种LED智能照明控制系统,采用基于舒适度的照明评价控制策略,并在此基础上设计模糊专家库处理多传感器数据,使照明系统可以智能适应各种室内环境下的照明要求,在充分利用太阳光的前提下使屋内一直保持在最优照度减小能耗;其次,通过完善的软、硬件设计,可以有效地防止LED的有害光衰现象发生,使LED灯使用时间延长2倍左右。本文中的LED智能照明系统,主要分为测量模块、模糊专家库决策模块、LED照明模块等部分,其中测量模块包括人体红外传感器检测照明设备区域内是否有人,S5052检测环境亮度,温度传感器检测LED灯温度。模糊专家库决策模块以单片机STM32F103C8T6为主控制器,利用多传感器数据融合技术,通过设计的各种控制策略,输出合适的PWM波来控制HV9910B芯片输出的电流大小,从而实现对LED的调光。在LED驱动部分设计了一种可带32W的非隔离型BUCK驱动电路使光照稳定无闪烁。
  
  最后,通过Multisim、DIALux等仿真软件对电路和空间照度进行仿真,并在实验室的条件下完成了整个系统的调试工作。实验结果表明,该系统可以根据各种室内环境自动调节照明输出,提供的光源亮度稳定可靠,红外感应技术与PWM技术相结合,实现了LED照明系统的智能化,并且具有很高的应用价值。
  
  关键词:  智能照明系统,专家知识库,多传感器融合,控制策略。
  
  Abstract
 
  
  In  recent  years,  semiconductor  lighting  technology  has  developed  rapidly.The traditional  indoor  lighting  system  can  hardly  satisfy  people's  dual  needs  of  lighting comfort  and  green  energy  saving.  Replacing  traditional  light  sources  with  LEDs  as  an illumination  source  has  many  advantages  such  as  low  power  consumption,  prolonged lighting  system  lifetime,  environmental  protection,  and  greater  design  flexibility.  LED intelligent lighting system has become a hot topic in the field of semiconductor lighting.
  
  In this paper, an LED intelligent lighting control system is designed. An improved algorithm is used to establish a comfort-based lighting evaluation strategy. Based on this,a  fuzzy  expert  database  is  designed  to  process  multi-sensor  data  and  intelligently  meet the lighting requirements in various indoor environments. Make full use of natural light under the premise of the indoor always maintain the appropriate illumination to achieve energy  conservation;  Secondly,  through  the  perfect  control  strategy,  it  can  effectively prevent  the  occurrence  of  harmful  light  failure  of  the  LED  and  extend  the  life  of  the lamp by 2-4 times. The LED intelligent lighting system in this article is mainly divided into  measurement  modules,  fuzzy  expert  library  decision  modules,  LED  lighting modules,  etc.  The  measurement  module  includes  a  reflective  infrared  sensor  to  detect whether there are people within the system, photodiodes to detect ambient illumination, DS18B20 detection LED lamp temperature, fuzzy expert library decision module takes single-chip  microcomputer  STM32F103C8T6  as  the  main  controller,  utilizes multi-sensor data fusion technology to output the optimal PWM through various control strategies designed to control the current output of the LED constant current source, so as  to  realize  the  LED  Lamp  brightness  adjustment.  In  the  LED  lighting  module,  a non-isolated BUCK driver circuit with 32W is designed to stabilize the light.
  
  Finally,  the  whole  system  is  debugged  under  the  condition  of  the  laboratory.  The experimental  results  show  that  the  system  can  automatically  adjust  the  lighting  output according to various indoor environments, and the light source brightness is stable and reliable. The combination of infrared sensing technology and PWM technology realizes the intelligence of the LED lighting system and has a high application value.
  
  Keywords:     intelligent lighting system, expert knowledge base, multi-sensor fusion, control strategy 。
  
  第1章  引言
 
  
  1.1、课题研究背景及意义。
  

  据统计,中国每年照明用电消耗约占全社会电能消耗的13%左右(约2100亿千瓦时),其中商业和办公楼照明用电占总能源使用量的71%[1],且照明用电增速保持在每年5%左右。而从我国目前的装机容量和探明资源看,这将产生近4000万千瓦的电力缺口,解决能源缺口的方法,除了适当增加装机容量和加大新能源开发力度外,更合理的方法就是节约能源消耗[2]。
  
  在学校、体育馆以及图书馆这种照明灯具多,照明系统使用时间长的公共场所,照明设备的控制系统大都采用人工控制,这样不可避免的存在缺乏科学的管理,没有及时关闭照明设备的现象,造成巨大的能源浪费。因此,降低这种公共场所的照明用电可以节约大量的能源。智能照明控制系统根据室内情况自动开关灯具,调整亮度达到节约电能的目的。与此同时也极大地节省了人力成本。文献[3]
  
  表明通过大量的对比测试,使用现代照明设施的商业办公楼节能效果能达到35%以上,在一般的购物广场、商业大楼、地铁站等场所节能效果也能达到25%左右[3]。
  
  其次,目前LED照明系统大都局限于将室内照亮的层次,没有很好的利用LED灯亮度可调的这个特点,没有兼顾现代照明系统亮度与舒适度的要求。本文把LED灯和模糊智能控制系统结合在一起,使其发挥各自的长处,且系统结构简单可靠性高,摆脱了传统照明设备布线复杂难操作的问题,区别与传统控制方式使用日光补偿的智能照明控制方式,可以极大的增加室内照明的舒适度,并降低照明系统的使用费用,LED智能照明系统的主要意义和优势有:
  
  (1)长效节能,减少灯具使用时长首先LED智能照明系统可以根据环境亮度和是否需要开灯来自动调节照明设备,在保证照度的前提下,充分利用自然光,减少用电和灯具的工作时长,特别是那些照明时间长、照明设备多的公共场所。其次,系统设计了各种保护方案,可以预先防止LED发生光衰现象,有效的延长LED的使用寿命。这样减少电能消耗,开源节流缓解巨大的能源需求。
  
  (2)改善生活与工作环境,能更好的满足人们的多样化需求本文提出的LED智能照明系统重要的一点就是将照明舒适度和节能相结合,满足现代人们对对生活与工作环境的多样化需求。在图书馆阅览室需要的亮度较大而走廊的光线则不需要太强;当晚上起床需要开卧室灯时,突然的强光会使人感觉不适等这些情景都需要LED智能照明系统才能够实现。
  
  (3)提高管理水平,使控制多样化传统照明设备以手动控制为主,光源与电源间通过有线电缆的开关进行控制,本文的LED智能照明系统以自动控制为主。后续还可以继续拓展与无线网络连接,分房间分区域控制。查阅资料表明商业和办公楼照明用电占中国每年照明用电消耗总能源的71%,这样智能照明设备提高了自动化程度,相应的减少了管理照明设备的人力,这也节约了一笔费用。
  
  (4)智能适应不同室内环境下的照明要求,照明质量好在不同室内环境下,对环境亮度的需求不同,本文 LED 智能照明系统可根据设置智能适应各种不同的室内环境。LED 照明灯具的优点之一是不产生眩光和频闪,在这样的照明环境下对保护视力有一定的帮助,并且可以使用 PWM 进行调光。
  
  (5)安全性高LED灯的封装采用的是环氧树脂填充技术,发光原理不像传统光源那样需要灯丝发热,比如白炽灯和荧光灯还需要使用玻璃外壳进行保护,而其机械强度差,外壳易碎,可能伤人。所以LED照明系统,在使用时也显得方便可靠。
  
  1.2、 LED及照明系统的发展。
  
  1.2.1 、LED的发展现状。
  

  LED是一种能将电能转化成光能的固态半导体(Solid  State  Lighting)器件,与传统的白炽灯、节能灯这些热发光或者气体放电光源相比,以LED为代表的固态照明并非新光源。 LED照明技术的发展一般认为经历了四个阶段[4]。
  
  第一个阶段是1962年通用电气公司开发出第一种在生活中通用的二极管到上世纪80年代初的近二十年,在LED刚刚面世的阶段它的应用非常有限,通常只在状态指示等小范围的领域中得到了一定程度的应用。
  
  第二阶段为上世纪80年代初到90年代中期,此时用于照明使用的白光LED并未研发成功,这主要是因为蓝光LED的技术还未取得突破,导致合成光谱形成白光非常困难。所以和传统的光源比较,LED的光效及价格处于劣势,人们更多的只是将其用于一些状态指示或者装饰领域。
  
  第三阶段主要是上个世纪最后十年,上世纪末蓝光LED瓶颈取得突破,使用多种光谱合成的白光LED技术随之取得成功,高功率白光LED技术取得长足进步,科研水平的支撑成本也持续下降。在这个阶段已经研制出全彩LED,此时它的光效指标在2000年取得了实质突破,此时卤素灯的光效为19.2流明/瓦,而商用LED的光效在25流明/瓦左右。LED的应用也逐渐推广开来,除了常规的应用领域外,特别是在汽车照明、仪器仪表等领域得到了广泛的应用。
  
  目前LED正处于第四个阶段,在这个阶段内研究的目标是开发高效率、环保的光源,主要解决的问题是开发新的制造工艺、器件结构等。在2012年大功率LED的光效已达100流明/瓦以上,比如,OSRAM OSLON SSL 80系列,飞利浦大功率LUXEON系列都超过了100流明/瓦。在这个阶段,LED作为一种高效环保的照明光源,开始在室内照明、道路及隧道照明中得到应用。图1.1表明了LED与其他光源相比的光效及价格发展趋势。从图中我们可以看出到2015年后,LED价格大幅降低而光效大幅增高,完全可以取代现有节能灯。
  
 
  
  国家“十三五”发展纲要提出了要在“十三五”期间实现万亿元行业的目标,将在文化场所、道路照明、工业园区、家庭生活等领域发力,推广LED照明产品的应用[5]。图1.2是2012-2016年中国照明行业销售额及LED占比变化情况,由图1.2 LED的发展趋势可以看出,2012年LED照明产品销售额仅不到500亿元人民币,至2016年便达到4000亿人民币以上,占照明行业产值的70%,由此推断,LED照明产品将成为照明行业的主流。
  
  
  
  1.2.2、现代照明系统的发展现状。
  
  传统的室内照明系统很难满足人们对照明舒适性和绿色节能的双重需求,可以根据环境光线和人们特定的需求等条件,利用模糊智能控制手段来自动的调节照明设备达到照明需求。室内照明系统的研究始于20世纪90年代,最初是为了研究舞台照明的控制系统而设计的,从发展过程来看大致分为三个阶段:手动控制、时间继电器光控和计算机控制,主流的控制策略也可以概括为时间表控制、自然光控制等[6]。
  
  目前应用较普遍的LED控制系统有奇胜科技公司的C-Bus系统、公司的Dynalite系统,使用最多的是基于DALI(数字可寻址照明)协议[7]的照明控制系统,国外主流智能照明系统研发公司包括Halvar、Philips、Osram、Trilux等,他们对产品的定位高、价格贵,一般的公司和家庭对这些产品很难接受,随着技术的累计,国内的大型企业如TCL照明、三雄极光照明、雷士照明等纷纷加入到智能照明系统的研发中来。
  
  2010年广州亚运会期间欧司朗光电半导体的Golden DRAGON Plus LED为广州市珠江新城中央商务区(CBD)提供照明[8]。
  
  2011年在广州地铁站中使用了大功率LED室内照明系统,经测算仅大学城北站改造后平均照度提升36%,每年节电37万度[9]。
  
  2016年3月西班牙石油公司采用了Philps公司的智能照明设备实现了远程的照明管理[11]。
  
  LED智能照明控制系统能够推理分析区域照明需求、环境照度等多种因素,利用科学的照明控制策略,不仅能够减少LED光源发生有害的光衰,而且能减少能源消费,将会很快取代传统照明系统[12]。
  
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  1.3、本文所做的工作
  
  第 2 章  智能照明系统硬件结构设计
  
  2.1、单片机系统设计
  
  2.2、红外检测设计
  
  2.3、环境亮度检测电路设计
  
  2.4、温度检测电路设计

  2.4.1、 LED 的热学特性
  2.4.2、 测温电路设计
  
  2.5、AC-DC 恒压电源的设计
  
  2.6、LED 驱动器的调光方式
  
  2.7、LED 驱动电路设计

  2.7.1、 LED 的工作原理及特性
  2.7.2、 LED 开关电源驱动方式
  2.7.3、 驱动电路设计
  2.7.4 、驱动电路参数计算
  
  第 3 章  基于照明舒适度的控制策略
  
  3.1、基于主观评价的照明舒适性
  
  3.2、基于照明舒适度的评价算法

  3.2.1、 目标函数
  3.2.2 、约束
  
  3.3、照明舒适度控制规则设计
  3.3.1、 模糊化
  3.3.2、 推理方法
  3.3.3 、去模糊化
  
  第 4 章  智能照明系统的软件设计
  
  4.1、软件设计流程
  
  4.2、专家智能模块程序设计

  4.2.1、 基于专家知识的数据融合
  4.2.2 、专家知识库的设计
  4.2.3、 专家知识的推理
  
  第 5 章  系统仿真及调试分析
  
  5.1、电路仿真
  
  5.2、照度仿真
  
  5.3、系统实验结果

  5.3.1、 光照强度测试
  5.3.2 、PWM 的调光测试
 
  第6章   总结

  本文在介绍了LED的基础特性上,分析了智能LED照明系统涉及到的驱动、控制、调光等关键技术,通过查阅各种资料设计出了一种基于照明舒适度的LED智能照明系统,系统通过PWM控制恒流源调光,可以自动适应各种不同的环境的照明需求,通过将专家库知识推理与PWM技术相结合,实现了LED照明系统的智能化,在适应合适的照明地点照度下,极大地实现了照明的节能要求,本设计的主要工作总结如下:

  (1)将照明舒适度引入智能照明系统中,与目前的照明系统相比,在室内环境照明系统中引入这种控制策略,有一定的创新性,本文将照明的舒适性与驱动电路相结合,通过DILux仿真软件对该照明方法进行仿真验证,系统不仅可以达到最舒适照明,而且通过完成实物对样机实际测试中验证可以大幅节能达35%。

  (2)完成了不同环境下专家库推理的控制系统设计,基于STM32和多传感器系统数据,设计了脉冲调制的调光程序,确定了软件流程设计的思想。

  (3)设计了一款32W的可PWM调光的LED降压恒流电路。在介绍了系统整体电路的核心技术之后,详细分析了全电压电源电路设计的参数以及各个组件的具体选型,给出的硬件电路中使用元件少,驱动效果好,输出电压可直接通过市电供电,在实际运行中可靠性好。

  (4)制作出样机后对整个LED智能照明系统进行了各种条件下的测试,在调试过程中发现了LED调光时存在的问题和并相对的提出了解决方案。

  参考文献

    胡章捷. LED智能照明系统的研究与设计[D]. 湖北工业大学 2018
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