LED智能照明系统的应用与发展

计划中，无线传感网络被列为优先重点发展的产业之一。

虽然无线传感网络的发展十分迅猛并已取得了一定的效果，但是大量的投入使用还存在着许多实际问题：（1）网络内的信号问题。在无线传感网络中，传送信号很有可能被障碍物或其他电子信号干扰而受到影响。（2）节点的能耗问题。传感网络的节点可能布置在人不易到达的地方，这就对节点的供电提出了很高的要求。（3）成本问题。在无线传感网络中，需要布置大量的传感节点，每一个传感节点都需要一整套功能模块，如电源模块、通信模块、传感器模块、AD模块等。（4）无线传感网络结构以及协议问题。无线传感网络中的节点组织方式有多种形态和方法，不仅如此，节点间和网关的通信协议同样也是多种多样的。网络安全协议问题以及大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题都亟待解决。

2.3 照明控制系统的控制策略

LED智能照明系统的应用场景主要可分为室内照明与室外照明两大类。室内照明主要包括办公照明、商场照明、家庭照明等；室外照明主要包括道路照明、隧道照明、景观照明等。

不同的场景，对照明的需求有所不同。国内外研究机构针对不同的应用场景，对LED智能照明系统的控制策略进行了一定的研究。例如，通过监测人体移动，自动提供适度照明；通过监测环境亮度，自动调节照明输出亮度；通过控制多个灯光回路，创造特定的视觉效果；调用调光系统中预设功能，实现不同灯光场景氛围。

然而，目前的照明控制策略也存在着一些缺陷，有时候过于依赖传感器的检测数据。例如有动物在监测区域内进行活动时，会触发灯光的照明；自然光随机的强弱变化，例如云层对阳光偶尔的遮挡，也会触发灯光的开启。照明光源的频繁开启关闭，不仅达不到有效节能的目的，还将大大缩短照明系统的使用寿命。因此，如何设计一个合理的控制架构，如何开发一种合理的控制算法，也是LED智能照明系统中的一个重点研究问题。

3 正在进行的研究

3.1 LED驱动、调光等电路结构的研究

在实际使用中，需要由LED电源驱动来维持LED输入电流的稳定，保证LED的长时有效工作。因此，对于此类电路，需要在以下几个方面进行着重研究：

（1）使用寿命与高可靠性。目前LED的使用寿命可达50000小时，与之配套的外围电路应当拥有与之相匹配的寿命，即LED驱动必须是长寿命的。另一方面，针对LED的应用场合，特别是道路照明，由于其驱动会随光源装在灯杆之上，相应的维修和替换都会变得麻烦，这样又对电源的可靠性提出了很高的要求。

（2）稳定的输入和输出。为保证LED的稳定工作，在驱动的输入承受能力和输出质量上必须满足一定的设计要求。例如当电网电压发生波动、环境温度剧烈变化时，驱动电路必须能够保证LED的正常工作。

（3）较高的转换效率。转换效率为有效输出功率和输入功率之间的比值。转换效率越高，LED整体光效越好，节能效果也越好；同时，转换效率越高，转化为热量的那部分能量就越少，从而也能有效提高半导体元件的可靠性。

3.2 网络拓扑结构的研究

一个合理的组网方式和通信协议可以有效地提高网络效率、降低功耗以及节约成本，所以有必要对LED智能照明系统的网络拓扑结构展开研究。

因为采用无线组网技术对LED光源进行控制，具有部署方便、扩展性好的优势，是组网技术未来发展的趋势。有计划研究基于LTE和ZigBee技术相结合的方式来进行LED的智能照明控制。由LTE网络来连接子网与控制中心，由ZigBee进行子网内部的通信，以进行命令的传递和状态信息的回馈。一方面充分利用最先进的LTE移动通信网络制式进行远距离的数据通信，另一方面利用ZigBee技术实现子网内部的通讯互联，充分利用了两种网络在不同层面上的优势。

3.3 系统控制策略的研究

研究一种能够将传感器监测数据与服务中心下发数据相结合，对LED照明光源进行综合控制的控制策略。该方式充分利用了LTE与ZigBee融合的网络结构，改变了传统的单纯依靠控制中心下发统一指令，或者单纯依靠终端节点的检测数据来对LED光源进行控制的局限性。

举个例子，控制中心可以将每天的天气预报情况，通过LTE与ZigBee网络，分发给相应的终端节点，终端节点在对自然光进行实时检测时，还需要结合当天的天气预报情况后，再统筹地生成控制信号，这就有效降低了因偶然事件而触发LED光源频繁开关的可能性。

3.4 应用场景的拓展

我国城市政府为了破解“城市病”的困局，抢占城市发展的制高点，纷纷出台了建设智慧城市的各类规划措施，目前我国的智慧城市建设已经在全国范围内形成热潮。

在此背景下，研究如何对LED智能照明系统进行功能拓展，从而使之能够成为构建“智慧城市”的基础，就十分具有现实意义。

例如，当LED智能照明系统应用在道路路灯照明时，通过在路灯终端上增加摄像头模块、GPS定位模块、红外感应器、噪声传感器、空气污染检测器、烟雾感应器等传感器，就可以组建智慧城市的三大智能感知系统：智能交通系统、智能安防系统、智能环境监测系统。

4 LED智能照明系统的研究意义

总的来说，目前国内外对LED智能照明系统进行研究的重要意义和优势有如下几点：

（1）研究主要针对LED光源，充分考虑了LED光效高，寿命长等优点，其整个产业具有较好的市场前景。随着LED技术的不断发展和人们对节约能源的迫切需求，LED智能照明系统的需求空间很大。

（2）相比传统的光源而言，LED具有极佳的调光性。因此对可调光LED驱动电路进行研究，并配合设计的控制算法，将可实现智能的开关灯和调光，能大大减少能源的浪费，为社会的节能减排出力。

（3）研究的将LTE和ZigBee进行结合的双重无线通信方式，不需要复杂的布线，并且通过长距离和短距离通信技术的结合，实现区域化、网络化的控制，使较大范围的照明监测更为方便和高效。利用LTE作为控制中心与子网间传输数据的技术，具有时延短、速率快的优势，还可以为后续拓展视频监控等功能提供必要的传输保证，是组网方式的一个创新。

（4）在控制策略的算法技术上，研究的基于控制中心下发信息和传感终端的监测信息来产生控制策略的技术，将可以有效地降低由偶发事件触发的光源频繁开关的概率，增加照明系统的有效使用寿命。该技术为提高控制策略的有效性提供了一种新思路。

（5）通过将LED智能照明系统进行功能扩展，可以成为建设“智慧城市”的重要组成部分。通过该方面的研究，完善并拓展了LED智能照明系统的应用场景，不仅能更好地实现节能减排的效果，还响应了国家城市化建设的战略，顺应了政策发展的趋势。

综上所述，通过研究可调光的LED驱动、LTE和ZigBee结合的无线通信网络和控制策略算法的关键技术，目的是为了形成一套完整并且实用的LED智能照明系统。系统基于控制中心下发信息和传感终端的监测信息来实现智能化的LED照明算法，通过LTE技术和ZigBee技术实现了无线区域化、网络化的控制，最后结合可调光的高效LED光源驱动，实现对LED光源的遥控、遥信和遥测。

参考文献

[1]Elejoste P， Angulo I， Perallos A， et al. An Easy to Deploy Street Light Control System Based on Wireless Communication and LED Technology[J].SENSORS，2013，13（5）：6492-6523.

[2]曲腾.基于城市智能照明感知系统的数据融合研究[D].大连理工大学，2013.

[3]张兴启.太阳能路灯无线控制系统的设计与研究[D].武汉理工大学，2013.

[4]赵大鹏.中国智慧城市建设问题研究[D].吉林大学，2013.

[5]刘炜.住宅人工照明光环境智能控制研究[D].重庆大学，2003.

作者单位

中邮科通信技术股份有限公司 福建省福州市 350007