LED照明通信系统十篇

LED照明通信系统 篇1

可见光通信的“秘密”在于灯泡——LED灯,与普通日光灯、白炽灯不同,LED灯可快速明灭,闪动频率极高,可承担发送信息任务。只要在LED灯泡中加入一个芯片,其便具有无线路由器、通信基站、Wi-Fi接入点甚至“GPS卫星”功能,这就提供了一种全新的无线通信方式——可见光通信技术,简称为“LiFi”,其优点并不仅仅是可以让世界上任何LED灯具都成为互联网接入点,还可以节约日渐稀缺的射频频谱资源。

LED智慧照明与通信系统具有可见光通信功能,在智能建筑中获得了新的应用。本文对LED智慧照明与通信系统在地下车库智能寻位系统的示范应用作一简要介绍。

本系统由地下车库照明灯具和一套手机APP应用软件组成。地下车库中的LED照明灯具具有唯一编码,以LED发出的可见光作为载波实时发射编码信息。手机中下载一套APP应用软件,软件可将手机感光COMS (即照相镜头)读取的照明灯光进行解码,将其携带的编码信息还原成车辆的位置信息,存储在系统中。每次使用时,司机只需停好车后,用手机对所在车位的灯具进行拍照即可。司机返回寻找原停车位时,由APP软件导航,避免了在迷宫似的地下车库中找车的烦恼,节省了时间。

本系统有两个核心技术:一是利用了可见光通信技术,使照明灯具具有通信功能。二是要建立地下车库的可视化数据库:首先是由建筑的BIM数据生成地下车库三维地图数据库,其次将灯具的编码以停车位坐标的方式标定在数据库中,便使地下停车位在车库三维地图中确定了对应的位置。本系统在使用中,使司机获得了良好的体验。

本系统的特点是充分利用了可见光光照范围可控的特点,使用环境相对封闭,灯位与车位的空间分布有极大的相关性。只需对每个LED灯具进行改造,加装新型驱动模块,不需要其他的硬件,有效地解决了在室内环境中无法提供GPS、北斗等导航服务的问题,为室内导航提供了一个低成本的解决方案。地下车库定位方案比较如表1所示。

随着研究的深入和系统的升级,本系统扩展后,可应用于医院、大型商场、博物馆、美术馆等室内场所,实现智能导航、导医、导购、精准广告推送、导游、自动讲解等。

随着白光LED可见光通信技术的发展,LED智慧照明与通讯系统除了应用于室内空间精确定位外,未来还可以应用于网络通讯中,其与电力载波通信的结合,使系统内的每一盏LED灯具都成为无线网络的接入点,只要有照明的地方,就有可见光通信。可见光通信能够同时实现照明与通信的功能,具有传输数据率高、保密性强、无电磁干扰及无需频谱认证等优点,是理想的高速无线接入方式。在可见光通信的研究中,高调制带宽的LED光源、LED的大电流驱动和非线性效应补偿技术、光源的布局优化、OMIMO、高灵敏度的广角接收技术、消除码间干扰的技术以及可见光通信与现有网络的融合接入技术等已经成为了研究趋势。可见光通信在未来的通信领域中将会占据重要的地位,并将推动信息化社会的发展。

LED智慧照明与通信系统因为是可见光通讯,对于无线电磁频率辐射起到了很好的抑制作用,从而净化了人们周围空间的电磁环境。尤其是在像医院这样对电磁辐射高度敏感的室内空间,采用可见光通信后,既解决了电磁干扰问题,又便于远程会诊、远程手术,有助于解决中国各地区间医疗资源的差距。

而对于一些涉密场所,如保密会议室,原有技术只是尽量阻断无线电波的泄漏,但还是会存在疏漏,而可见光通信可有效控制光路的角度、距离范围,并且直观可察。尤其是军事部门,因需要电磁静默,可见光通信将是最理想的解决方案。

目前各国都在开展可见光通信的研究,日本成立了可见光通信联盟(VLCC:Visible Light Communications Consortium),成员有庆应大学、NEC和PANASONIC等。我国也于2014年成立了中国可见光通信产业技术创新与应用联盟。其是由中国人民解放军信息工程大学(国家863计划可见光通信项目牵头单位)与中国产学研投融资联盟共同倡议,联合北大、北邮、复旦、中科大、东南大学、中科院半导体所、工信部电信科学研究院、上海数字产业集团等顶尖科研院所、知名院校、金融机构及龙头企业,经协商一致,自愿发起成立的全国性非营利的社会团体组织。目前由该联盟发布的实验室通信速率已经高达50Gbps以上。

推动产业发展的另一个推力是标准的确立。目前,可见光通信的标准化工作正在由IEEE802.15.7,即IEEE (国际电气电子工程师学会)的802.15规范的第7工作组主持进行,并且已经于2009年通过了实现可见光通信的物理层和媒体接入层的标准草案“PHY and MAC standard for Visible Light Communications (VLC)”,2010年发布“IEEE802 Part1 5.7:PHY and MAC standard for short-range wireless optical communication using visible light”。标准的陆续推出为可见光通信的发展提供了坚实的基础。

LED照明通信系统 篇2

关键词：蓝牙模块,恒流驱动,LED调光,智能照明

LED作为一种新型光源,在迅猛发展的同时,已得到了大规模的普及应用。除了能提供巨大的节能潜力之外,LED照明的发展也越来越趋向于智能化和人性化,现在的照明产品不仅限于为人类提供照明,正逐渐超越照明本身而提供更为理想的服务。我们发现LED照明将在智能家居、智能建筑和智慧城市中扮演更加重要的角色。基于这种发展需求,本文主要结合蓝牙无线通讯技术,提出并设计了基于蓝牙芯片nRF51822和LED驱动芯片ILD4120的LED智能照明系统,实践证明系统能对LED照明实现智能控制,从而营造出健康舒适的照明环境。

1系统方案

1.1蓝牙通讯模块

Core51822通讯蓝牙模块是基于nRF51822的蓝牙4.0模块,尺寸小巧,稳定可靠,广泛应用于可穿戴设备、RF智能射频标签、智能家用电器、工业控制、数据采集系统。nRF51822是一款为超低功耗无线应用(ULP wirelesss applications)打造的多协议单芯片解决方案。整合了Nordic一流的无线传送器,同时支持Bluetooth(R)low energy和专用的2.4 GHz协议栈[1]。原理图如图1。

nRF51822内部架构包含2.4 GHz多协议无线射频32位ARM Cortex M0处理器、128位AES硬件加密处理器、256 k B flash/32 k B RAM、可编程外设接口PPI、全功能数字接口:SPI/I2C/UART、10位ADC等单元,模块为全局独立电源管理,可以工作在1.8 V~3.6 V的电压范围。

1.2恒流驱动芯片

ILD4120是英飞凌公司生产的一款LED恒流驱动芯片,具有性能好,可靠性高等特点,ILD4120具有较宽的电压输入范围,支持降压拓扑,工作电压可以从4.5 V~40 V,驱动电流最高能达到1 200 m A,可实现高达98%的驱动效率,恒流控制误差低于3%,能采用两种不同的调光方式模拟和PWM(脉宽调制)对LED光源进行调光。除了普通的过流保护外,还具备温度保护机制,专门防止LED灯和LED驱动IC出现热过应力现象。因此,这种集成智能热保护和过流保护可以最大限度延长LED灯和LED灯具的使用寿命[2]。

2系统方案设计

2.1系统总架构

控制系统的原理框图如图3所示,首先开启手机或IPAD等智能终端设备的蓝牙信号,打开安装好的照明管理软件发出控制信号,主控单元中的蓝牙模块接收到控制信号后交由单片机分析处理,单片机对数据及指令进行分析处理后将PWM控制信号发送给LED驱动单元,LED驱动电路对LED光源进行调光或调色温等相关照明控制。蓝牙技术已经非常成熟,在手机设备中已经普及,不会增加用户的终端成本,将蓝牙技术应用到照明控制方面,实现智能化的同时又节约了成本。

2.2电源电路设计

系统电源部分如图4所示,供电电源采用了开关电源芯片MP2451,具有转换效率高、低能耗、纹波小、抗干扰能力强、封装面积小、外围器件少等特点,非常适用于本系统。

2.3主控电路设计

系统主控电路如图5所示,由于Core51822内置MCU及蓝牙芯片,集成度高,方案成熟,外围接口丰富,可扩展交互式人机界面,非常适用于产品的二次开发应用。控制电路接收来自手机或IPAD等终端的蓝牙控制信号,输出PWM控制信号给LED驱动电路对LED光源进行相应控制。

2.4驱动电路设计

系统的LED驱动电路如图6所示,ILD4120接收来自控制单元的PWM调光信号,根据LED光源的灯珠数量及最大工作电流,确定驱动电路的电感值、感应电阻值等参数,实现稳定可靠的恒流驱动,加上芯片内部特有的热保护和过流保护机制,在保证光源的照明效果同时延长光源的使用寿命。

3结论

本文使用了无线通讯模块、LED恒流驱动芯片实现LED的智能照明管理,对系统的硬件设计做了详尽介绍,实现了智能手机等终端设备远程控制LED照明状态,将智能化照明和人性化照明完美融合。系统还具有扩展性好、体积小巧、使用便捷、兼容性好、易于升级等特点,今后还可以加入音频系统,设计数字家庭式多媒体装置,在智能家居行业中具有良好的市场应用前景。

参考文献

[1]NORDIC公司.semiconductor nRF51822数据手册[Z].2013.

LED照明通信系统 篇3

关键词： LED照明通信； 蓝光LED； GaN PD； 集成芯片

中图分类号： TN 303文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.014

Abstract： In this letter， we studied a kind of bidirectional optical communication chip that contains a particular GaN PD and a blue LED. The bidirectional lighting communication consists of blue light and UV light optical communication link. This integrated chip is outstanding with its small size and easy implantation， and can be used in the bidirectional lighting communication to reduce amount of bulls， shrinking system size. We tested and analyzed its performance in one way and bidirectional communication with serial communication protocol and simple modulating method for onoff keying （OOK）. In the guarantee of the integrated chip’s normal working， the results for the first time display the feasibility of integrated chips into one way lighting communication with bit error rate below 10-6， demonstrating bidirectional communication with bit error rate below 10-3 when injecting blue LED with 2.8 mA/mm2 current density.

Keywords： LED lighting communication； blue LED； GaN PD； integrated chip

引言白光LED具有低功耗、高亮度以及良好的线性度等优点，作为无线光通信的发信端相比传统射频具有突出的优势，光源至今已有RGB组合或蓝光芯片与荧光粉结合等种类[12]。调制技术也由开关键控（OOK）调制向脉冲位置调制（PPM）等发展[3]，复用技术包括波分复用[4]，频分复用[5]，多输入多输出正交频分复用（MIMOOFDM）[6]等，已有不少研究成果。LED光通信速率已由最初的Mbit级别提高到现在的Gbit级别[7]。目前LED照明通信已取得突破性进展，高速通信调制系统研制成功标志着LED照明通信开始向产业化发展。随着光刻等半导体生产技术的不断提高，集成器件的尺寸也越来越小，上述系统必然会被进一步集成。目前，复旦大学采用光波分复用和子载波调制，已实现双向无线光通信，可实现575 Mbit/s的RGB LED上行链路通信和300 Mbit/s 的基于荧光粉LED下行链路通信，通信距离66 cm，误比特率在硬判决前向纠错时限制在3.8×10-3以下[8]，但其损耗大、复杂性高、设备庞大，因此，双向无线双工光通信亟需低功耗且紧凑简易的装置。本文提出了一种双向照明通信集成芯片，其上有蓝光LED和GaN PD芯片。利用蓝光通信链路和紫外光通信[910]链路构成双向通信，同时降低串扰。采用串口通信协议和简易OOK调制解调装置对集成芯片进行单向、双向光通信测试及分析。

1系统设计

1.1集成芯片封装结构集成芯片支架采用3 W大功率LED 6引脚支架，6个引脚各自隔离，直径3.5 mm的支架铜座通一圆孔，孔直径1 mm，置GaN PD于圆孔处，调整蓝光LED位置远离圆孔。蓝光LED和GaN PD除了有公共的衬底，在电路上相互隔离。光学仪器第37卷

第3期杨馥瑞，等：蓝光LED和GaN PD集成芯片双向照明通信性能研究

紫外光源选取峰值波长365 nm的大功率LED灯珠（首尔半导体，CUN6AF1B）。蓝光LED光谱峰值波长450 nm，工作电流20 mA。GaN PD响应光谱峰值约为365 nm，截止波长约为370 nm，在365 nm和450 nm处峰值比为102。较大的峰值比使得同时进行可见光和紫外光通信在理论上可行，同时GaN PD对室内可见光不敏感。

系统组件如图1所示：同轴线上从左往右依次为硅光电二极管、紫外滤波片、集成芯片灯珠、石英双凸透镜、紫外光源，工作距离15 cm。实验时使紫外光源发送信号，同时测试在蓝光LED点亮、熄灭或调制光信号情况下GaN PD的响应波形。由于GaN PD光电流较小，容易受影响，故紫外通信质量为讨论重点，蓝光LED的可见光通信解调不再赘述。

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图2为支架内集成芯片的示意图：左侧的蓝光LED向上发射蓝光，紫外光线垂直入射到右侧的特殊结构紫外GaN PD底面，两个二极管之间距离d为1 mm，GaN层为未掺杂半导体层。与以往nGaN和n+GaN传统结构不同，此处使用n型掺杂和未掺杂的GaN来形成肖特基结。此时，nGaN与金属接触为欧姆接触，GaN与金属接触为肖特基接触。n型欧姆接触用蒸发沉积Ti/Al/Ti/Au形成，LED上的p型欧姆接触通过溅射沉积Ni/Ag得到，肖特基接触通过蒸镀Ni/Al/Ti/Au得到，该类型GaN PD对波长370 nm以上的可见光几乎无响应。GaN PD和蓝光LED在同一个外延片上制作，一方面保证LED的质量，另一方面延续生产的流畅性。

1.3调制解调电路为了测试集成芯片性能选择简便的OOK调制。调制电路如图3所示，“PC”为电脑端，“MAX232”模块为串口电平转换电路，“转换电路”模块为驱动电压转换电路。发送信号控制三极管工作于饱和与截止状态，实现对紫外光源、蓝光LED的调制。为了让紫外光源恒流工作电流达到300 mA且不发送信号时处于常亮，需要将信号电压升压和反相并采用9 V的电源电压。图中转换电路由比较器组成，完成升压反相功能。通信软件选择串口通信助手，发送信号经MAX232转化为TTL电平，控制调制。设置发送波特率9 600 bit/s。

1.4恢复电路接收到的微弱光电流经前置放大器放大，转换为电压信号，主放大器对电压再放大以利于滤波器滤除杂波，最后由比较器恢复波形。前置放大器我们采用了SR570，将电流信号转换为电压信号；波形恢复中主放大器使用MCP6022芯片，将电压信号放大；最后使用LM393比较器正向输入比较，电位器调节参考电压，最终恢复波形。恢复电路如图4所示。

2实验结果及分析

2.1GaN PD光电流用半导体分析仪测量了在蓝光LED不同工作电流下，GaN PD两端偏置电压为0～20 V时电流的大小变化曲线，如图5所示GaN PD在紫外光照射下熄灭蓝光LED的IV曲线和蓝光LED工作电流密度变化下的IV曲线及暗电流IV曲线。图6调制信号（上）和接收信号（下）波形两端反向电压变化范围0～20 V，可以看出反向电流都有随着蓝光LED的工作电流增大而增大的趋势。芯片结构（见图2）中部分蓝光向GaN PD出射，光子被吸收到一部分，以及GaN材料都会吸收到LED的蓝光。目前为止，这种吸收造成的干扰无法排除，只有增大紫外光源的光功率，或者重新设计芯片结构，增加光学隔离层才能减少蓝光吸收对紫外通信的影响。

2.2集成器件单向照明通信质量测试电脑端发送字母“a”，GaN PD电流经前置电流放大器SR570放大转换后，用示波器同时观察发送信号和接收信号波形。图6给出了调制信号与探测信号的波形，对比两个波形可以看出，接收信号受调制电路带宽影响有些畸变，但响应速度较好。将蓝光LED恒流点亮，工作电流12 mA。让紫外光源发送信号，通过MAX232把接收信号传送至第二台电脑，观察串口通信助手接收区情况。发送端发送单个字母时，接收端接收的误比特率可达到10-6以下。该系统还可完成传送图像功能，串口助手启用文件数据源，如图7所示，接收端数据转向文件，文件类型事先设置为与发送端一致的jpg格式，图片大小5.7 kbit，发送完毕，接收端打开文件，图8为“学校LOGO.jpg”传输结果。

该实验说明在保证紫外GaN PD正常工作，且蓝光LED恒流工作，无意外抖动和断路的情况下，可以实现单向照明通信。

2.3集成器件双向通信质量测试调制蓝光LED，设置与紫外光源调制相同的发送波特率，紫外光源发送目的信号“a”字母，蓝光LED发送“j”字母作为噪声。GaN PD接收结果分为3组，分别对应蓝光LED工作电流密度84.8 mA/mm2、 168.0 mA/mm2、288.0 mA/mm2。图9（a）、（b）、（c）是蓝光LED恒流工作，不发送噪声下GaN PD输出，显示的均为“a”字母的波形。图9（d）、（e）、（f）是调制蓝光LED发送噪声时GaN PD的输出，显示为噪声与目的信号叠加。对比图9（a）、（b）、（c）可看出暗电流的增大对于紫外通信的质量没有明显的影响。这是因为暗电流恒定增大，反向电流总和增大，两者的差值即光电流不变，故不会影响通信质量。而图9（d）、（e）、（f）中出现的波形为“j”字母的信号波形，结果说明紫外通信目的信号被淹没在噪声中。将蓝光LED工作电流密度设为2.8 mA/mm2时，单向紫外通信接收端接收到“a”字母，误码率在10-6以下，见图10（a）。调制蓝光LED发送“j”字母干扰源，如图11所示，上方为“j”原波形，下方为硅光电二极管光电流放大后信号。由图可知波形除了背景噪声未有任何明显“a”波形痕迹，且紫外GaN PD光电流较小，不足以影响蓝光通信。图10（b）为GaN PD接收信号恢复的“a”波形，波形中也没有明显受蓝光LED调制信号影响的痕迹，但误码率为10-3。

4结果分析对可见光响应的原因有两种：（1）内光电效应吸收（IPA）电流和体光生电流；（2）由于金属和uGaN接触面的表面捕获到电子导致肖特基势垒降低，以及外加电场下镜像力增大，使得电流增大。响应度R的表达为R=IP（1）式中：P为入射光功率；I为光照下产生的电流。一定光功率下，I越大，响应度越高，对外界的影响就越不敏感。I=-expΔΦsbKTIr-IGEN-IIPA（2）式中：K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；IGEN为光生电流；IIPA为内光电效应吸收电流，由Vickers’ model计算得到；ΔΦsb是肖特基势垒下降的高度；Ir为反向暗电流。在紫外辐射下，GaN PD的光电流为基于势垒下降因子ΔΦsb1的指数形式，由于ΔΦsb1与空乏区宽度d呈线性比例，而d随反向偏压增大而增大，d∝V1/2故I在高反向电压时激增，所以，可以尝试增大反向电压来提高双向通信质量。由于双向通信质量也受制于GaN PD中缺陷情况，缺陷越多则对非紫外光子吸收越强，暗电流增大，光电流不变时，后续恢复电路对器件要求很高。蓝光LED与GaN PD距离很近，当蓝光LED工作电流超过一定数值，由于缺陷吸收产生的电流将严重影响通信质量，故提高外延片的质量为改进集成芯片性能的第一步。3结论本文使用简单的OOK调制和解调方法对蓝光LED和紫外LED进行通信调制，证实了蓝光LED和GaN PD的集成芯片可以实现照明通信。在保证蓝光LED和GaN紫外GaN PD正常工作的情况下，GaN紫外GaN PD具有对室内光良好的抗干扰性，可以实现单向照明通信即蓝光LED恒流照明同时紫外光路通信。由于GaN PD对蓝光有一定吸收，造成双向通信时不能供给蓝光LED过大电流，否则通信失败。对于这种集成芯片，可以在几个方面进行优化：（1）提高外延片质量；（2）改变GaN PD位置及其半导体层厚度，或增加反射层，以减少GaN PD对毗邻LED光的吸收；（3）增大GaN PD两端反向电压等等。参考文献：

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[1]熊飞峤，敖邦乾.白光LED可见光无线通信系统的研究[J].无线光通信，2013，37（1）：6062.

[2]黄凌晨，钟擎，王晓萍.用于室内照明的节能环保型智能LED照明系统设计[J].光学仪器，2011，33（5）：6569.

[3]谭家杰，邹常青，室内白光LED照明通信的现状与展望[J].衡阳师范学院学报，2011，32（3）：3944.

[4]许海燕，艾鑫.基于波分复用的光纤入侵探测系统[J].光学仪器，2014，36（5）：385388.

[5]ELGALA H，MESLEH R，HAAS H.An LED model for intensitymodulated optical communication systems[J].IEEE Photonics Technology Letters，2010，22（11）：835837.

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[9]HE Q F，XU Z Y，M SADLER B.Performance of shortrange nonlineofsight LEDbased ultraviolet communication receivers[J].Optics Express，2010，18（12）：226238.

[10]何攀，李晓毅，侯倩，等.基于LED的紫外光通信调制方式研究[J].光通信技术，2010，34（4）：5153.

（编辑：刘铁英）

LED照明通信系统 篇4

一 引言

随着人类科技的不断发展，我们星球的夜晚变得越来越明亮，越来越绚烂，在这些变化的背后，是不断发展的照明技术。在照明技术的开发及制造中使用的电子系统和元器件改变了照明设备及系统的未来。纵观照明技术的发展历史，大致经历了四个时代的跨越式变迁，并得到了长足的发展。早期具有代表性的是它通过二极管和晶体管对交流电进行整流，随后发展为内置直流逆变产生高频交流，高效驱动T8灯具的电子荧光灯照明镇流器。如今，设计者已不再仅仅设计电子镇流器，而致力于AC-DC智能$变换器的设计，有些内部还含基于微处理器构成的用以照明控制和调光的复杂控制系统。

设计者们给发光二极管—led和阵列作光源设计的供电电源，称之为LED电子驱动器。对于LED照明器件和系统而言，LED光源本身就是其电子封装组成的一部分。这种给LED阵列提供能源并对其进行控制的电子驱动器，LED阵列的规模少则由十几个、几十个，多则上百个甚至更多的发光二极管组成。这种动态的光源驱动器设计复杂程度远远超过原先各种气体放电辉光管镇流器。这个全新的领域，给LED照明器件及系统设计者和制造厂商带来了新的挑战。辉光放电管镇流器设计只需关注镇流器内部的电子组件设计是否合理、可行。而LED照明器件及系统设计则必须额外考虑LED光源的问题。设计者必须考虑驱动器会给由若干LED芯片组成的阵列与其他电子元器件串、并或混联构成的电路模块带来各种干扰。

二 电源系统的兼容性

向LED或LED阵列提供电功率是LED照明器件与系统从设计到实施，以及保证终端用户都可靠的工作状态，并与供电源系统有良好兼容性必须考虑的重要问题。电源系统包括了人们日常生活中的各种电气基础设施和市电电网公共设施。

研究表明，通常情况下，用户具备并操作的电源设备通常会存在种种不太合理的连线或者接地处理错误。当外部公共电源设施发生普遍电流干扰时，不合理甚至错误的连线或接地处理会加剧干扰的程度，增加用户电子照明器件的损坏几率，严重时还会造成器件的永久性破坏。LED照明器件和系统必须具有能在日常电气环境下正常工作的能力。典型的日常电气环境包括室内外照明、商场和工厂等建筑内外的照明设施以及市政电线杆上的LED路灯、探照灯等。

LED照明通信系统 篇5

1 LED灯较传统灯的优点

1. 1 结构原理

既有铁路客车照明采用荧光灯管和镇流器 ( 逆变器) 结构; AC220 V电源通过镇流器高频激发灯管内的微量氩和稀薄水银蒸汽, 灯管内壁的荧光粉将气体激发的紫外线柔和透射出可见的白光。

而LED灯的发光二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成, 当电子经过半导体晶片时, 带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合, 电子和空穴消失的同时产生光子, 光子能量最多的是蓝色光和紫色光, 通过管壁内荧光粉或配色透射出可见白光。

1. 2 LED灯的优势

(1) 环保节能

传统荧光灯管含有少量的水银蒸汽, 如果灯管破碎, 水银蒸汽会挥发到大气中, 瞬间可使周围空气中的汞浓度达到10 ~ 20 mg/m3, 超过国家规定的1 000~ 2 000倍; 同时还含有少量的氩惰性气体; 而LED灯管不含水银、铅、惰性气体, 属于绿色照明。

既有铁道客车使用20 W荧光灯管, 而LED灯管整灯功率仅为12 W, 按照每天工作12 h, 一年365天计算, 则每根LED灯管1 年省电35 k W·h, 根据每节约1 k W·h等于减少碳排放量0. 97 kg计算, 每根LED灯管1 年减少碳排放量34. 2 kg。按照16辆编组铁路客车计算, 每年减少碳排放量5. 3 t。

传统荧光灯管含有紫外线成分, 很多蚊虫围绕在灯源旁, 在荧光灯管上留下大量的污垢, 不但降低了灯具亮度, 且清洗不方便; 而LED灯管不会产生紫外线, 室内更加干净、卫生。

( 2) 维护成本低

传统荧光灯管的使用寿命为8 000 ~ 9 000 h ( 国内生产的灯管寿命一般为4 000 ~ 6 000 h) , 而LED灯管的使用寿命为30 000 ~ 50 000 h, 是荧光灯管的5 倍。在实际应用中, 传统荧光灯管的更换周期为8 ~ 10 个月, 维护频率及费用较高, 而LED灯管5 年以内免更换和维护。

附属设施费用降低。LED灯管的整体功率只有传统荧光灯管的50% ~ 60% , 这样整体布线线径可降低, 相关电气设备功率可降低至原先的60% 左右, 大大节约了附属设施费用。

( 3) 可靠性高

传统荧光灯管的管体为玻璃, 运输不方便, 使用时碰到易碎, 异常超高压时易爆炸; LED灯管为塑胶 ( PC) 外壳或塑胶+ 铝外壳, 韧性好, 耐摔耐碰。同时可快速安装, 施工以及外壳材料均可再生利用。LED灯管还具有非常好的抗震动性能。

( 4) 舒适性好

LED灯管显示指数比传统荧光灯管高, 人眼区分物体各种颜色比较轻松, 不易疲劳, 且LED灯管不产生噪音。

2 既有铁道客车LED灯管的设计开发

2. 1 设计开发的必要性

2014 年中国铁路总公司运输局组织编制颁布了《铁道客车LED灯具暂行技术条件 》 ( TJ/CL421—2014) , 推动了LED灯在新造CRH380 型高速动车组和部分铁道客车上的安装运用, 明确了灯具照明采用LED模块平面光源形式, 电源采用电子控制装置结构形式。这就使得LED灯具只有在新造客车上才能彻底按照技术条件执行, 而既有约5万辆铁道客车, 如果没有一定的成本投入就很难实现LED灯的推广和运用。

2. 2 设计方案

分析既有客车灯具结构, 按照LED灯具技术条件的LED模块平面光源形式延伸设计制作了LED灯管, 将传统的外置电源驱动装置直接内置在灯管内, 取消原交流镇流器或逆变器结构。

( 1) 改造前灯具结构

既有铁路客车照明采用荧光灯管和镇流器 ( 逆变器) 结构, 由镇流器或逆变器及插头线、灯角、导线、笼式端子、荧光灯管、反光板、灯罩组成 ( 见图1) , 接线原理如图2 所示。

( 2) 改造后灯具结构

设计制作不同电压制式的电源驱动装置, 直接内置在灯管内以取代既有铁道客车荧光灯管, 同时取消镇流器和逆变器, 其结构图、内置电源原理、灯具结构图和接线原理图分别如图3 ~ 图6 所示。电源驱动装置内置在LED灯管内 ( 灯管上有电压制式的LOGO标识) , 可实现两端均能分别得电工作, 但一端得电, 另一端无电的安全保障。

在既有铁道客车改造过程中, 直接取消原有灯具内的镇流器或逆变器, 将去往灯座的线路更改为单端, 再根据不同的输入电压选择配套的LED灯管替代荧光灯管即可, 方案结构简单、维护方便快捷。改造前后的实物效果如图7 所示。

3 结论

LED照明通信系统 篇6

基于此, 一种新型的LED照明控制系统应运而生, 其核心是云平台和Zig Bee无线通信, 具体为:LED照明设备由控制器通过继电器进行控制;通过Zig Bee自组网功能实现控制器间的相互通信;主控制器通过以太网模块与云平台相连, 实现系统的多平台 (PC端或移动端等) 远程实时交互与监控。

1 系统设计方案

本文所提出的基于云平台的LED照明控制系统技术架构如图1 所示, 主要由应用层、传输层和硬件层组成。硬件层包括了硬件平台和各类LED照明设备, 如帕灯、日光灯和球泡灯等, 这些设备均是通过硬件平台进行控制。传输层用于实现硬件层与应用层之间的通信。硬件层和传输层均托管在应用层中的云平台上, 用户通过移动端 (Android或i OS) /PC端与云平台进行交互, 可以对整个系统进行远程监控。

1.1 硬件层

硬件平台是硬件层中的核心部分, 主要包括控制器、开关电路、Zig Bee模块和以太网模块等, 其具有无线组网, 与云平台通信以及控制LED照明设备等功能。其中控制器选用Arduino MEGA 2560, Zig Bee模块选用XBee S2, 以太网模块选用W5100。

1.2 传输层

Zig Bee是一种低速、短距离传输的无线网络协议, 具有低功耗、低成本、低速率、短延时、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、数据传输可靠以及安全性好等特点[2,3], 被广泛用于LED照明控制系统中。

Zig Bee网络由协调器、路由器和终端设备构成。Zig Bee主要支持3种网络拓扑结构:星型结构、簇树结构和网状结构。相对于簇树和网状结构来说, 星型结构具备易于组网、成本较低、扩展方便和控制形式多样等特点, 因此采用星型结构作为系统的Zig Bee网络拓扑结构。

1.3 应用层

应用层主要由移动端/PC端和云平台组成。在传统的LED智能照明系统中, 协调器节点整合的信息通过RS232 传输到服务器中, 服务器需要实现信息可视化, 便于用户进行监测。这种方式的弊端在于系统整体成本较高, 用户需要对服务器进行24 小时不间断维护, 系统灵活性较差, 不易于扩展功能。而云平台 (如One Net云平台) 具有搭建快速、操作简捷、管理智能、运行稳定、安全可靠、弹性扩展以及节约成本等优点, 能很好地克服上述弊端。

上传数据与获取数据是云平台的两项核心功能, 它能够让用户方便地在硬件和应用之间交换数据。云平台与硬件平台之间通过HTTP协议进行数据交换, 其中客户端为硬件平台, 服务端为云平台。

2 实验验证

2.1 实验系统搭建

通常室内不同区域的照明要求不尽相同, 因此本实验以对一个房间的不同区域进行照明为例, 将LED照明设备 (功率为7W) 安装在门边、房屋中间和窗户边, 分别由系统进行控制。

2.2 实验结果分析

在搭建完如上所述的硬件平台和开发出软件系统后, 分两个阶段对控制系统进行测试:第一, 可行性测试, 主要测试系统的控制策略是否具有鲁棒性;第二, 可靠性测试, 主要测试系统长时间运行是否可靠。

2.2.1 可行性测试

通过移动端和PC端分别执行打开和关闭三种LED照明设备的操作, 串口输出如图2 所示 ( 输出结果类似, 故不一一列举) 。 图2 中{”timestamp”:”2016-02-18T20:22:12”, ”value”:1} 为云平台返回结果, timestamp表示时间, value表示开关状态, 1 为打开, 0 为关闭。由图2 可知, 系统先执行打开LED照明设备操作后再执行关闭操作, 与用户请求一致, 故满足可行性要求。

2.2.2 可靠性测试

通过可行性测试后, 将系统在满足室内正常人为活动所需的照明条件下运行一段时间 (约24 小时) , 与此同时, 在相同实验环境下设置一组具有相同瓦数的传统LED照明设备, 记录其同一天内每小时耗电量。通过计算可知, 一天内传统LED照明设备耗电量约为160.9W·h, 而本文设计的LED照明控制系统相应的耗电量为102.3W·h, 可节约能耗约36.4%。

3 结语

本文搭建了一种基于云平台, 适用于各种规模照明要求的LED照明控制系统, 并对其进行深入分析。通过云平台、以太网络模块和Zig Bee无线通信模块等, 实现了PC端或移动端对LED照明设备的远程实时控制。设计了一组对比试验, LED照明控制系统表现出较好的可行性和可靠性。与传统LED照明系统进行对比试验表明, 该系统能够显著降低照明能耗。另外, 现有具备移动端监控功能的照明控制系统主要基于Wi Fi通信模块[4,5], 与Zig Bee模块相比, 其具有功耗较高、接入节点数量有限、系统扩展性较差等缺点, 而本文设计的系统基于Zig Bee模块且具有移动端监控能力, 因此具备一定的创新价值和商业意义。

摘要：针对传统LED照明控制系统的诸多不足, 将Zig Bee无线通信技术与日益成熟的云平台技术相结合, 设计出了一种新型的LED照明控制系统, 并通过实验验证了该系统的可行性和可靠性。在相同实验环境下, 设计了一组与传统LED照明系统的对比实验, 结果表明该系统节约能耗约36.4%。

关键词：LED,照明系统,云平台,Zig Bee

参考文献

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LED照明通信系统 篇7

太阳能作为一种新兴的绿色能源,以其取之不尽、用之不竭、无污染、不受地域资源限制等特点,受到人们越来越多的关注。在用电量较大的地区,太阳能照明系统具有更广泛的应用前景和更重要的价值[1,2]。而在现有的太阳能照明系统中,普遍存在着转换效率较低,智能化程度较差和蓄电池寿命短等问题。针对这些问题,本文设计了一种新型的太阳能LED照明控制系统。

太阳能LED照明系统包括:太阳能电池、蓄电池、照明灯、充电电路、供电电路和控制系统。照明灯由高效、节能、耐用、无污染的LED构成;充电电路采用电流检测为内环,电压检测为外环的双环结构,并结合最大功率跟踪算法,保证了太阳能电池输出功率最大和蓄电池充放电的精确控制。供电电路采用太阳能和市电自动切换的双电源供电方式,以保证正常照明。控制系统采用极高性价比的高档单片微处理器ATMEGA16实现对照明系统的智能控制。

2 系统硬件设计

太阳能LED照明系统的实现目标就是将太阳能量存储下来,将其供给LED照明使用。该系统主要包括:太阳能电池和市电的双电源、ATMEGA16控制系统、调压电路、电压电流检测双环、蓄电池及LED驱动。具体如图1所示。

太阳能电池和市电的双电源即当太阳能充足时,电源自动切换至太阳能;当太阳能不足特别在连续阴天时,为了保证人们的正常照明需要自动切换至市电。ATMEGA16是照明系统的核心控制芯片,ATMEGA16根据检测到蓄电池的实时电压和电流值的不同,控制PD6口输出占空比不同的PWM波,进而控制IGBT的导通角,保证对蓄电池充电的精确控制;同时,ATMEGA16根据检测到的光敏电阻阻值的变化,控制PD4口输出相应占空比的PWM波,进而控制LED灯的亮度,即光越强时LED越暗,光越弱时LED越亮。LED驱动保证对LED灯进行恒流控制,以保证LED的发光质量和效率。

3 子系统硬件设计

3.1 蓄电池充电子系统设计

对于蓄电池组而言,选择适当的充电方法,可以延长蓄电池的使用寿命,而且可以提高充电效率,另外蓄电池组的可靠稳定对整个应用系统的可靠稳定也是至关重要的。这需要准确判断蓄电池组的充电状态从而选取电路的工作状态。控制器使用的充电电路采用了快充,过充,浮充三个阶段的充电方法[3]。

图2中电压和电流取样比较器用来检测蓄电池的充电状态,并且控制充电状态逻辑电路的输入信号。在快充阶段,通过调整充电电路IGBT的驱动占空比,控制太阳能电池的输出电流,并实现太阳能电池的最大功率跟踪[4,5];在过冲和浮充阶段,充电电路仍然调整IGBT的驱动占空比控制蓄电池的充电电流,使之不超过蓄电池的最大接受电流。

UC3906具有密封铅酸蓄电池充电所需的全部控制和检测功能。用UC3906制作的充电器,在各种条件下,均能保证电池充足电,并能保证蓄电池的寿命不受影响[6]。当电池电压或温度过低时,充电起动比较器控制充电器进入涓流充电状态。而当芯片内的驱动器无输出时,该比较器还能输出25m A涓流充电电流。这样,当电池短路或反接时,充电器开始只能输出很小的充电电流,可以避免因充电电流过大而损坏电池。

3.2 LED驱动子系统设计

驱动电路选用美国德州仪器公司生产的TPS61042芯片。该芯片是一种高频控制直流输出的LED驱动器。具体驱动控制电路如图3所示,其中,R11为外部检测电阻。D14为肖特基二极管用于快速整流;C16为输出电容用于调节线性性能,本文选用钽电解电容。ATMEGA16输出的脉冲宽度调制(PWM)信号经光耦隔离后加至控制端(CTRL)用以调节LED亮度。LED电流可以通过电阻R11设置。由于TPS61042内置N沟道500m A MOS-FET,因而可有效地限制尖峰脉冲,其转换频率高达l MHz。另外,芯片的CTRL脚控制信号还可以在停机状态下使LED与地断开,从而可有效避免漏电流损耗。

4 系统软件实现

本系统采用WINAVR-20070525开发工具进行系统软件设计。软件使用模块化设计,软件程序采用C语言编写。程序主要有系统初始化,包括各存储单元初始化、外部时钟初始化和温度传感器初始化等、蓄电池充电控制、LED照明控制、最大功率跟踪算法软件实现等。

4.1 主程序流程图

系统主程序流程图如图4所示,系统在开始运行后对各部分进行初始化并且开中断。中断包括定时器中断1,2和外部中断1。通过定时器中断1来设定采集参数的时间间隔,定时器中断2用在最大功率跟踪法中,通过设定时间后重新跟踪太阳能电池板最大功率点[5]。初始化运行后,系统对蓄电池的电压和温度采样以此来判定是否对蓄电池进行充电,如果需要充电则进入充电子系统。充电子系统来判定那种充电方式,以及通过对太阳能电池板的监测选择用太阳能电池板充电还是选择市电充电。确定不需要对蓄电池充电或者执行充电子程序过后,通过对光敏电阻采样来判定是否需要点亮LED。系统通过LCD12864显示蓄电池当前电压,充电状态,以及太阳能电池板的电压电流等。

4.2 蓄电池充电程序流程图

图5中当判断蓄电池需要充电后,再判定太阳能电池板是否能够给蓄电池充电,如果不能则切换市电对电池板进行充电。当太阳能电池板对蓄电池进行充电时分两种控制方法:(1)当过充电和浮充电阶段时,不采用最大功率跟踪法,而是根据蓄电池在这两个阶段所需要的充电电压和电流来调节PB1口的PWM输出。(2)当对蓄电池进行快速充电时,采用最大功率跟踪法。此时通过太阳能电池板的P-V特性,结合最大功率跟踪法来调节PB1口PWM输出,使太阳能电池板输出最大功率。

5 实验结果与分析

本实验所选太阳能电池板型号为上海我能/WNP25,最大输出功率25 W,工作电压17.6 V,工作电流1.42A,短路电流1.67A;所选铅酸蓄电池型号为12V6Ah,标准电压12V。蓄电池充电试验时间为2011年8月11日,充电时蓄电池电压为11.2 V。充电时间为7h。

图6为充电时对蓄电池充电电压以及充电电流的监测。横轴为时间(t),每个7.5min去一个点。开始系统为快速充电阶段,设定最大充电电流为1.4 A,当充电电压达到过充电压时,逐渐减小充电电流直至转入浮充阶段。

图7为太阳能电池板功率输出监测,结合图6可以看出,约在13.00时系统完成蓄电池的快速充电,在10.00~13.00期间内系统通过对太阳能电池板最大功率点的追踪进行蓄电池的快速充电。在这段时间随着光线的增强电池板输出的功率逐渐增强,达到了预期的目标。13.00过后不在追踪太阳能电池板的最大功率点,转入对蓄电池浮充阶段。

6 结论

本文设计的太阳能LED路灯照明控制系统通过多次测试观察表明,该系统能够准确地实现对蓄电池能量的智能管理。正确地实现了全天的照明需求。充电电路实现了太阳能电池的最大功率点跟踪。此太阳能照明系统具有效率高,稳定性好的优点,具有广阔的应用前景。

参考文献

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LED照明通信系统 篇8

近年来, 随着高层建筑的发展与汽车数量与日俱增, 地下停车场成为建筑必备, 其缺乏自然光源、需长时间照明的特点, 使其照明用电占其运营能耗的80%以上, 其昼夜不间断照明的特殊性所带来的电能极大的消耗引起市政管理部门、能源管理部门及照明行业的高度关注。如何降低或减少“无效照明”能耗成为地下停车场节电的关键, 代表着照明光源第四次革命的LED照明技术在地下停车场的应用是当前LED照明技术最佳最科学的应用领域之一。

2 系统总体设计方案

本系统旨在研究开发一种针对停车场应用的节能灯具, 可具备车位路径规划自动引导方法, 该方法以遗产算法为基本思想, 重点解决了多车并发竞争问题, 并以LED灯具为单位实现自动引导。

系统主要包括中心服务器、车辆检测模块、车位检测模块, 系统框图如图1所示。图2为系统模拟实际场景的示意图。

1) 车辆检测模块是由内置有车辆检测感应式传感器和DALI调光模块的车道灯组成, 安装在车道上方, 为车辆行驶过程提供充足照明, 同时将车辆和人员活动的感应信息通过DALI总线传递给中心服务器, 并接受中心服务器的控制指令, 以高亮的方式做行车引导, 与其它车道灯共享感应信息, 实现区域照明。

2) 车位检测模块是由内置有车位状态感应器和ZIGBEE无线通信模块的车位灯组成, 安装在车位上方, 为车辆停车时提供充足照明, 同时可作为空车位状态和引导指示。

3) 当无人车活动时, 车道灯自动进入低功耗的休眠模式, 功率约为2W, 满足监控需要, 当有车辆经过且为目标空车位时, 灯具进入慢闪烁状态, 引导行车至该车位, 而当车辆驶入该车位时, 功率约为8W, 为停车提供充足照明。

4) 中心服务器收集区域感应信息, 通过嵌入的软件系统给出最佳的照明解决方案, 并通过控制车道灯和车位灯的方式, 为行车路径引导计算最佳路径。

3 系统设计关键技术

3.1 基于遗传算法的车辆引导最优路径选择算法设计

车辆引导系统中最关键的问题, 就是如何选择车辆到空闲车位的最优路径。本系统最优路径选择算法将采用遗传算法。

首先通过图论的构图方法, 结合停车场结构信息和有效泊车位信息, 把停车场抽象为权值有向图, 如图3所示, 其中圆圈代表有效停车位节点, 线条代表路径, 线条上的数值代表距离等信息。采用非0-1串的自然编码方式为每个节点和路径进行编码, 生成每个节点对应的编码“染色体”信息。采用适度函数为不同节点的染色体划分族群, 根据轮转选择法选择局部最优和最坏路径, 最后根据交叉操作计算出从起点到最近的空泊车位的最优路径。

3.2 基于嵌入式系统的控制软件设计

通过接收车辆检测的信息, 中心服务器向车位检测设备发送相应指令获取停车场车位状态信息, 如果获取的所有车位信息存在有效车位 (空车位) 时, 系统将基于停车场的建模运用遗传算法计算出最短路径的车位, 并通过DALI系统控制LED灯工作并规划出车辆的引导路径引导车辆到达指定的停车位, 当车位检测设备检测到车位信息发生改变时, 向服务器发送已改变的车位信息, 服务器接收后储存该位信息并控制LED灯逐渐变暗直至熄灭, 同时点亮车位到停车场人员出口处的LED灯引导人员离开停车场, 最后慢慢熄灭LED灯。

停车场往往有多个入口, 各入口同时进入车辆而车位不足即多车并发竞争的现象, 将难以避免, 如图4所示。本系统将对入口事先分配优先级, 结合最优路径算法, 并为优先级低的车辆引导到最近出口重点解决多车并发竞争问题。

简言之, 控制系统实现了车辆引导功能、车位信息采集、LED灯亮度控制、数据库管理等功能。

3.3 基于Zigbee的组网

本系统采用Zigbee实现单点对多点的传输, 采用蜂窝型网状网络结构。整个网络由一个中心节点及若干个终端节点和中继路由构成, 中心服务器的Zigbee必须为中心节点, 车辆检测设备和车位检测设备设为终端节点, 中心服务器的Zigbee负责接收所有中继路由和终端的信息, 并以广播的方式向所有中继路由和终端节点发送信息。当有些设备距离中心服务器较远时, 可放置几个设置为中继路由的Zigbee模块用于扩展传输距离以确保终端能够接收服务器发送的信息。

3.4 基于DALI协议的LED控制

本系统采用DALI协议控制所有LED灯具。LED灯配有符合DALI协议的调光模块, 该模块用于接收中心服务器发送的指令实现相应的功能。中心服务器可发送DALI协议中的对应指令来实现对LED灯的寻址、调光、分组、预设场景以及状态查询。中心服务器亦可根据某一LED灯的地址对其发送相应指令对该LED灯进行独立控制。

4 系统特点

总体而言, 本系统具有以下特点。

1) 构建了由带雷达探测传感器的LED灯具、带超声波传感器的车位探测终端、停车路径规划引导软件与带双网关的停车场中心服务控制器组成的地下停车场照明与引导系统, 中心服务控制器采用DALI协议实现多个LED灯具的自动调光, 实现LED灯具系统的自组网, 并采用ZIGBEE无线通讯方式实现对多个探测终端的数据采集, LED灯具与车位探测终端数量与地址信息均可组态设置, 系统具有很好的扩展性。

2) 研究开发了一种可自动检测车辆出入库状态的LED灯具, 该灯具集成雷达探测传感器, 并内置有DALI调光驱动电路, 可根据中心服务控制器的调节指令实现LED亮度的自动调节。

3) 研究开发了一种针对停车场车位路径规划自动引导方法, 该方法以遗产算法为基本思想, 重点解决了多车并发竞争问题, 并以LED灯具为单位实现自动引导。

5 结论

本系统把LED照明技术应用到地下停车场领域, 可实时根据检测到的车辆出入库状态进行LED照明系统亮度的自动调节, 并完成车位的自动引导。该系统可实现最大限度的省电, 有效解决地下停车场的节能难题, 同时还可具有停车引导等人性化功能, 其应用前景是十分可观的。

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LED照明通信系统 篇9

太阳能作为重要的新能源,具有清洁无污染、储量巨大、便于利用等优点;LED(发光二极管)照明系统具有寿命长、发光效率高等优点,也开始广泛应用于照明;太阳能LED照明系统集中了太阳能和LED的诸多优点,具有很好的市场前景。但其具有自身的缺陷:太阳能电池板输出伏安特性(V-I)曲线为非线性,只有工作在特定电压下才能输出最大功率,需要进行最大功率点跟踪(MPPT)控制;LED灯的伏安特性曲线近似为指数函数,因此对控制精度要求较高,否则容易损坏;蓄电池作为储能元件,需要可靠合理的充放电管理策略,才能延长其使用寿命。

本文根据上述问题,分别进行了MPPT控制研究、LED恒流控制研究和蓄电池充放电策略研究,采用MATLAB/Simulink进行系统主电路和控制算法综合仿真,得出较为理想的控制效果和控制参数,并对控制模型进行移植,利用Embedded Target for TI C2000 DSP嵌入式目标模块生成控制代码,由TMS320F2812 DSP进行实际系统控制,从而将仿真控制算法在实际系统中快速准确地实现。

2 系统控制要求分析与实现方法

太阳能LED照明系统包括光伏阵列、蓄电池、LED阵列灯和控制器几个部分。其控制器需实现整个系统充放电控制,对光伏阵列、蓄电池和LED灯工作状态进行实时检测,并实现充放电切换过程,既要保证光伏阵列最大功率输出,又要保证蓄电池使用寿命和LED灯安全工作。

2.1 MPPT控制的优化实现

目前MPPT控制研究较多,方法各异,控制效果各不相同,因此需要选取一种适合实际系统的合理方法。根据文献[1-3],选取适合小型独立系统的干扰观测法,并对其进行改进,完全可以满足控制需要。

传统的干扰观测法在光伏系统中应用最为广泛,能快速准确进行MPPT控制,但存在最大功率点附近反复振荡和特殊情况下误判断的问题,如光照强度剧烈变化[3,4]。

通过对传统方法的扰动步长Δs进行动态调整,即当外界条件变化剧烈时,适当加大扰动步长和控制周期,当系统运行接近稳态时,减小扰动步长和控制周期,可提高系统动稳态精度,有效避免传统方法的反复振荡。

同时,通过变步长方法,可以在检测到功率变化值ΔP较大时,锁定扰动步长为0,当系统处于相对稳定之后继续最大功率点搜索,即可有效解决传统方法的误判断现象。

2.2 LED灯恒流控制的优化实现

LED灯负载伏安特性曲线近似为一指数函数,在额定功率附近di/d U比值非常大,对系统控制要求较高[5],若采用单环控制,系统阶数低,LED负载电压电流动态响应和稳态精度不可兼顾,很难保证效果。为此根据实际控制系统需要,建立恒电流双环控制模型框图如图1所示:

系统通过Iset设置运行参考电流,控制系统由电压电流传感器获得采样数据,经系统框图算法最终输出PWM脉冲作用于开关器件MOSFET门极以实现系统控制。

采用恒电流双环控制,提高了系统阶数,并且以参考电流为最终控制对象,有利于提高LED负载电流平滑稳定。

2.3 系统充放电策略选取

蓄电池在使用过程中,充放电策略对其寿命具有重要影响[6,7]。由于系统需要尽可能最大功率输出并储存以充分利用光伏阵列,因此充电策略需要既满足MPPT需求,也能解决蓄电池寿命问题。选取以下充电策略可以满足要求:

MPPT充电控制:在电池端电压低于设定值Vset时,采用MPPT控制进行最大功率充电,尽可能保证光伏阵列输出最大功率,提高光伏阵列利用率;

限功率充电控制:当蓄电池端电压达到Vset时,采用限功率充电控制,设定充电功率P≤Pset,此时充电电流iP小于MPPT充电电流iMPP,系统不再进行MPPT控制;

浮充控制:当蓄电池端电压接近饱和电压Vf时,系统进一步降低充电电流,严格控制充电电压Vc=Vf,进入小电流浮充阶段,最终完成整个充电过程。

2.4 基于嵌入式目标模块的控制程序生成

根据MATLAB/Simulink仿真模型,利用Simulink中Embedded Target for TI C2000模块,对控制算法进行移植,并加入e Zdsp模块对DSP资源进行配置,即可快速编译生成控制系统中TMS320F2812DSP的控制代码。由于采用了算法移植,使仿真结果能快速准确地在实际系统中得到验证,并依据仿真结果可对控制算法进行快速修改,大大提高效率[8]。

3 仿真和实验

在MATLAB/Simulink仿真中,建立如图2的主电路模型,主要由Buck主电路、传感器和光伏阵列模型组成。

建立变步长的改进干扰观测法MPPT控制的Simulink模型如图3所示:

根据图2和图3模型进行MPPT控制仿真,设置额定功率300W的光伏阵列模型在不同时刻改变光照强度分别为900、800、700、1000W/m2作为动态光照扰动,环境温度设定为25℃,仿真波形如图4所示。

图4(a)中,在光照强度快速变化时,光伏阵列输出电压只有微弱波动,而输出电流变化明显,与理想MPPT跟踪效果完全吻合;电流波形动态响应时间短、稳态波动小,体现出很好的控制性能。图4(b)中,系统从开始运行经过一段时间即稳定运行在最大功率点附近,当光照强度剧烈变化时,能快速准确运行在新的最大功率点处;波形中同一光照强度下的运行点变化范围较小,充分解决了干扰观测法在最大功率点附近反复振荡扰动和光照剧烈变化出现误判断的问题。

基于Simulink建立如图5的LED负载放电电路模型,系统中VS1、VS2、CS1、CS2分别为电压、电流传感器,电路将蓄电池经Boost电路升压后接LED负载,控制程序利用图1所示控制算法根据采样数据最终输出PWM脉宽信号作用于MOSFET以实现系统控制。

设置LED启动参考电流为0.5A,在0.6s时改变参考电流为0.6A进行系统动稳态性能仿真,其负载电压电流波形如图6所示。

图6中,LED启动电流不带有尖峰,可充分保护其免遭因尖峰电压导致瞬间过流而造成的损坏。在改变参考电流后,输出电流波形超调很小,动态响应相对较快,稳态精度较高。

根据以上模型,采用300W光伏电池、蓄电池组和50W LED灯构建实际系统,建立系统主电路和TMS320F2812控制板,采用嵌入式目标模块生成控制代码[8],最终由DSP实现系统控制,系统MPPT运行和LED负载启动时电压电流实验波形如图7所示。

图7(a)的波形为在光照强度发生剧烈变化时光伏阵列输出电压电流实验波形。波形在光照发生剧烈变化时,光伏阵列输出电压微弱变化,但电流发生明显变化,充分体现MPPT控制算法能快速准确地进行控制,动态响应较快,稳态误差较小。

LED灯负载属于半导体器件,瞬间过压或过流就会导致损毁,因此实验中控制好启动过程,尽可能减小电压尖峰、电流毛刺尤为重要。图7(b)中设定LED灯启动时参考电流值为0.4A,波形显示LED负载在启动时平滑稳定,没有电压尖峰和电流毛刺产生,可保证LED灯安全稳定运行,控制性能较为理想。

基于以上研究,太阳能LED照明控制器实际装置如图8所示。

4 结论

1)建立了太阳能LED照明控制系统的主电路MATLAB/Simulink仿真模型,在仿真结果基础上实现了太阳能LED照明系统控制器。

2)对变步长的改进干扰观测法进行仿真,并在实际系统中加以实现,由图4可知系统MPPT控制中,光照突变时动态响应速度快,稳态运行电压电流波动小、跟踪曲线吻合好,体现稳态精度高的特点,有效解决了传统干扰观测法的频繁扰动和误判断问题;建立了LED灯恒电流双环控制模型,有效解决了LED负载因过流而瞬间损坏的问题,控制精度较高,动稳态性能较理想。

3)基于MATLAB/Simulink嵌入式目标模块e Zdsp进行控制程序快速生成,将仿真模型和参数快速应用于太阳能LED照明控制系统,提高了系统开发的快速性、准确性,为基于DSP控制系统的实现与开发提供了一种快速途径。

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[7]吴理博,赵争鸣,刘建政,等(Wu Libo,Zhao Zheng-ming,Liu Jianzheng,et al.).独立光伏照明系统中的能量管理控制(A novel energy management and controlfor stand-alone photovoltaic lighting system)[J].中国电机工程学报(Proc.CSEE),2005,25(22):68-72.

LED照明通信系统 篇10

据行业分析机构Strategies Unlimited的研究, 今年, 高亮度LED的市场规模预计将达到120亿美元, 到2015年预计将增长到202亿美元, 年均增长率达到了30.6%。而2011年商业、工业和住宅LED灯具市场规模接近30亿美元 (不包括灯泡更换) 。从2011年至2016年, 总体LED灯具市场预计会以接近20%的年复合增长率成长。

IHS IMS公司Philip Smallwood指出, LED灯在通用照明领域的比重不断增加正在引起照明市场的一些变革。首先, 与传统照明相比 (主要指白炽灯和节能灯) , 平均售价较高的LED灯驱动照明市场整体规模增长。如1图所示, 随着LED渗透率的逐渐提高, 灯泡市场将会持续增长, 到2016年, LED大约会占到全球灯泡市场的60%。

其次, 市场组成的变化降低了新公司进入照明领域的门槛。传统照明利润空间不大, 由于产品与产品之间除了价格不同, 并没有很大的区别。但是与超市等主要渠道零售商建立良好的关系却比较困难, 因此不值得新公司费工夫进入传统照明领域。然而LED照明截然不同, 不乏新产品的利润率接近25%;而且LED灯的价格较高, 超市得从大量的商品中进行挑选。这就意味着有更多空间展示多种产品的大型D I Y (自己动手做) 商场以及超级市场将会是销售LED灯的主要场所。此外, 零售标签上价格较高的产品, 顾客会注意到品牌。这些因素对新照明公司进入市场是有好处的。预计知名的电子消费品公司, 例如三星、LG和夏普这些自己生产LED的公司在垂直整合和品牌效应上都具有优势。

市场中新公司的渗透不可避免地会降低目前三大照明巨头的市场份额——飞利浦, 欧司朗和GE目前占整个灯泡市场 (白炽灯、节能灯、荧光灯、高压气体放电灯和LED灯) 的60%。然而, 市场份额的降低不一定对这些公司有负面的影响。如图2所示, 2011年这三家公司的销售额约为120亿美元, 如果他们的市场份额到2016年保持不变的话, 预计其销售额会增至230亿美元, 年均增长率为13.7%;然而, 假设这些公司在LED市场每年失去1%的市场份额, 即占LED灯市场的45%, 但是保持传统照明市场份额不变, 他们的销售额还是接近200亿美元, 年均增长率为10%。

因此, 三大巨头虽然市场份额变小了, 但整体规模还是增加的。

中国市场处于导入期

政策带动

据中国台湾工研院产经中心产业分析师林元庆分析, 由于中国大陆从业者在LED背光市场, 在技术或产能方面与韩国三星有差距, 为寻求新的市场机会, 使得许多LED从业者已开始朝向照明市场积极布局。与此同时, 中国政府也颁布LED照明补贴政策, 将于今年全力培育本土LED照明品牌企业的成长[1]。

在2012年5月16日的国务院常务会议上[2], 讨论通过了《国家基本公共服务体系“十二五“规划》, 确定促进LED照明灯具等节能家电产品消费的政策措施, 安排22亿元支持推广节能灯和LED照明灯具。据科技部近日发布《半导体照明科技发展“十二五”专项规划 (征求意见稿) 》, 其中提出到2015年我国要实现LED照明80%以上的芯片国产化, 其产业规模达到5000亿元。

市场规模分析

赛迪顾问半导体产业研究中心咨询师张晓康进一步介绍了LED市场规模与增长状况。

2 0 1 1年, 与其它半导体产品相比, 在LED背光源、LED全彩显示、LED景观照明、LED路灯、LED汽车车灯等下游市场高速稳定发展的拉动下, 中国LED市场需求量达到696.1亿个, 同比增长15.0%, 增速有所回落。

在市场需求额方面, 由于下游主力市场进入大尺寸背光源拉动作用快速放缓与通用照明市场尚未大规模启动之间的空档期, LED中上游环节产能快速开出, LED市场出现结构性的供大于求, 造成平均价格大幅下滑, 使得LED销售额的增长大幅回落。2011年, 中国LED市场需求额为273.0亿元, 同比小幅增长0.6%。

发展特点

大尺寸液晶背光拉动作用远低于预期, 照明应用尚未形成主要驱动力

2011年, 全球电视出货量较2010年基本持平, 占市场主流的液晶电视对背光市场总量增长的贡献很小。由于LED背光功耗低、亮度高、光衰小、体积小等优点, 在技术不断优化, 价格快速下滑的前提下, 2011年LED在大尺寸背光领域的市场渗透率达到45%, 较2010年提升了将近一倍。因此大尺寸LED背光模组实现了翻倍的增长。然而, 随着LED芯片亮度和导光技术的提升, 单位面积液晶面板背光所需LED光源颗粒数大幅减少。2009年, 一台42寸液晶电视主要采用垂直背投背光技术, 所需LED光源颗粒数在1000颗以上。2011年, 同尺寸液晶电视多采用侧背光技术, 所用LED光源数量一般为360~480颗, LED背光使用LED光源数量下降了50%~65%。单位使用量的大幅减少, 严重影响了中大尺寸背光源应用对上游LED光源的市场带动作用。

2011年, 尽管在半导体照明领域布局较早, 业务比重较大的LED企业基本都实现了逆势增长的态势, 但由于通用照明市场仍处于市场导入期, 尤其是国内商用和民用照明市场尚未大规模启动, 致使照明应用对上游LED的驱动力尚未真正发力。

LED成为上市公司投融资的热点

从2010年起, LED成为中国上市公司投资与相关公司上市融资的热点领域。据不完全统计, 截止2011年第四季度, 业务涉及LED领域的上市公司有34家。其中, 全产业链布局的企业有6家, 上游设备、衬底企业有6家, 下游封装、应用企业有17家, 数量占了一半。此外, 上海贝岭、华微电子和士兰微三家上市公司为LED下游照明、显示等应用提供配套的驱动IC和功率IC产品。据报道, 目前仍有中山木林森、深圳聚飞光电、深圳万润科技、深圳长方、北京利亚德、杭州远方6家企业正在申请过会或准备发行。

可以看出, 实施全产业链布局的企业中, 仅有联创光电和三安光电是传统的LED企业, 其它四家都是基于集团多元化发展的需要, 中途切入LED领域的。这些企业的全产业链布局主要以外延/芯片环节为核心业务, 逐步向下游封装、应用环节延伸。

几乎所有的封装模组企业都是在2010年和2011年上市的。基于对半导体照明市场的预期, 资本市场更加青睐于LED下游封装、应用环节。未来两到三年, LED领域的募投企业将更多集中在封装、应用环节, 以及关键设备和应用配套环节。

产品结构升级步伐加快, 高亮LED成市场主力

随着LED技术上的进一步突破和生产成本的不断下降, 以及LED工艺技术的发展成熟, 高亮度、超高亮度LED已成为市场发展的主流趋势, 带动LED市场的产品结构快速升级。这其中除了传统的应用大户—LED显示屏、装饰照明市场外, 近年来高亮度、功率型LED在照明市场和背光源市场中的快速发展, 是支撑高亮度、功率型LED产品市场份额快速提升的主要因素, 其中能够提供建筑物外立面不同颜色变换效果的LED景观照明占据照明市场中的最大比重。在LED各细分应用领域中, LED路灯、LED汽车车灯、大尺寸LED背光源、LED全彩显示屏等领域的增长速度非常快。未来几年, 高亮度LED在各应用领域快速发展的带动下, 将继续保持快速增长。

应用市场发展趋势

低成本、高色温是LED通用照明产品发展方向

阻碍LED照明灯具普及的因素很多, 既有亮度、散热、驱动、二次配光等技术问题, 又有标准、品牌、消费认知度等行业问题。对于消费者来讲, 实际消费的产品价格和实际感受的照明效果 (色温) 是最直接的影响因素。2009~2011年, LED冷白光照明产品每千流明lm (亮度) 的平均价格从25美元、13美元, 下降到了10美元。同期, LED暖白光照明产品每千流明lm (亮度) 的平均价格从36美元、25美元, 下降到了18美元。预计2012年, L E D照明每千流明平均价格冷白光将持续降至6~8美元, 暖白光将降至10~12美元。价格的快速下降, 有利于市场普及, 但需要不断降低成本的支撑。现阶段, LED照明器具的成本是普通节能灯具的5~8倍, 要降低照明产品成本不仅要降低LED光源成本, 降低散热板、驱动电源、透镜等周边部件的成本也同样重要。

在色温方面, 根据调查目前有60%以上的消费者比较青睐低色温暖白光的LED照明产品, 暖白光LED色温在3000K左右, 给人温暖的感觉, 用于交通路灯光源, 雨雾天气的穿透力较强。随着LED照明产品逐渐向民用、室内通用照明发展, 消费者也将逐渐认识到接近太阳自然白光色温范围 (5500-7500K) 的LED产品才是最适合的通用照明光源。这种高色温 (6000K) 的LED照明产品显色指数较高、光衰较小、成本与能耗较低, 将成为未来LED通用照明产品的发展方向。

迈向大尺寸LED衬底时代

从宏观看, LED相关产业链包括设备、衬底、外延/芯片、封装/模组、相关半导体芯片、应用等。

Lu x R esearch公司马谆和Pallav i Madakasira对衬底市场做出来预测。LED芯片制造商正在转向使用更大尺寸的衬底以追求效率的提升和成本的下降。同时衬底尺寸的扩大还将实现在单一衬底上容纳更多的LED芯片。然而, 日渐繁荣的通用照明市场仍将主要依赖于较小的2英寸和4英寸蓝宝石衬底, 因为生产无卷曲、无缺陷的大尺寸衬底以实现更高的LED亮度和色彩在工艺上仍面临不小的挑战。虽然成本降低的优势将持续推动向6和8英寸衬底的生产转移, 但相关的厂家目前能在这两种衬底的生产上多大程度地保持较好的质量和成品率仍然还是个未知数。与此同时, LED供应链的其他环节也需要相应的扩大生产以满足未来规模化使用大尺寸衬底的市场需求。

参考文献

[1]陈昱翔.LED照明渗透率成长可期.零组件, 2012 (4) :138

[2]中国证券报.L E D照明灯具等获推广财政补贴22亿元. (2012-5-18) .http://www.joyhouse.com.cn/2012/0518/22000.shtml

[3]L E D环球在线.中国政府推出L E D室内照明政策补贴. (2012-3-9) .http://www.joyhouse.com.cn/2012/0309/18655.shtml

[4]迎九.LED驱动器与功率芯片发展趋势.电子产品世界, 2011 (4)