led照明系統(tǒng)中的智能占用有傳感器

1、LED照明系統(tǒng)中的智能占用有傳感器來(lái)源：中國(guó)電源博覽上海奇碼數(shù)字信息有限公司摘要：本文綜合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外占用傳感器的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用技術(shù)，分析了各種占用傳感器的原理，特點(diǎn)和應(yīng)用；利用國(guó)外能源機(jī)構(gòu)發(fā)布的占用傳感器節(jié)能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和計(jì)算公式，論證了利用各種占用傳感器作為 LED 電源控制器的優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益。前言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源需求大幅增加，我國(guó)照明用電量已占總用電量的10%12%。按照我國(guó)提出的 “綠色照明工程”， 照明節(jié)電在國(guó)家“節(jié)能減排”戰(zhàn)略中具有重要意義。照明用電節(jié)能有兩個(gè)出發(fā)點(diǎn)，一是降低發(fā)光源的電能損耗，即采用節(jié)能燈照明，這方面有節(jié)能燈技術(shù)和蓬勃發(fā)展中的LED照明技術(shù)；另一個(gè)就是給照明系統(tǒng)

2、（Lighting system）加裝節(jié)電控制設(shè)備，即采用智能電源控制器，根據(jù)照明使用需要及時(shí)控制照明器件的開(kāi)關(guān)以從而達(dá)到節(jié)能的目的。LED是公認(rèn)的21世紀(jì)照明新光源，它光效高，能耗低，用LED替代白熾燈或熒光燈，甚至節(jié)能燈，具有節(jié)能環(huán)保和無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在照明控制器都使用較理想的傳感器控制技術(shù)，如聲音敏感元件/傳感器、光電傳感器和占用傳感器（Occupancy sensor）等。聲音、光電傳感器利用檢測(cè)環(huán)境的噪聲、照度或亮度，將聲音或光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的聲音或照度閾值來(lái)控制燈的開(kāi)關(guān)；占用傳感器是根據(jù)照明區(qū)域是否有人占用或根據(jù)預(yù)先設(shè)定的光照值來(lái)控制電源，以控制照明系統(tǒng)或采暖通風(fēng)及

3、制冷 (HVAC) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)增效節(jié)能。如用智能占用傳感器控制LED照明電源，則可最大限度的提高系統(tǒng)效率，節(jié)約電能。由于我國(guó)照明用電的損耗量占了整個(gè)耗電量的40左右，所以占用傳感器對(duì)于減少能量損耗起了非常重要的作用。這對(duì)我國(guó)這樣一個(gè)人口和經(jīng)濟(jì)大國(guó)而言在能源節(jié)省上的重大意義不言而喻。表1是美國(guó)能源保護(hù)署（U.S. Environmental Protection Agency）和電力研究院（EPRI）公布的各種環(huán)境下的節(jié)能潛力，數(shù)據(jù)表明日常生活中節(jié)能具有廣闊前途和潛力。表1  各種環(huán)境下的節(jié)能潛力本文試圖通過(guò)幾種占用控制器的分析來(lái)介紹當(dāng)前用于LED照明系統(tǒng)的比較成熟和主流的占用傳感器節(jié)能

4、技術(shù)。占用傳感器的類型和能效設(shè)計(jì)具體地說(shuō)，占用控制器就是當(dāng)照明區(qū)域有人活動(dòng)時(shí)能自動(dòng)照明；區(qū)域被占用時(shí)能不受干擾地保持燈亮，不占用時(shí)能在預(yù)定關(guān)燈延遲后自動(dòng)關(guān)燈。占用控制器的結(jié)構(gòu)如圖 1所示，主要由占用傳感器、信號(hào)處理器、繼電器開(kāi)關(guān)及發(fā)光LED電源等部分組成。占用傳感器通常用紅外、超聲波或雙/多重技術(shù)等傳感器構(gòu)成，用來(lái)探測(cè)感知照明區(qū)域內(nèi)物體目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，信號(hào)處理器采集傳感器接收到的信號(hào)并由此處理判斷照明區(qū)域的占用情況，在某些特殊控制器中還帶有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力；由處理器輸出的結(jié)果通過(guò)開(kāi)關(guān)繼電器控制LED照明電源。占用傳感器按照探測(cè)感應(yīng)原理可以分為：被動(dòng)式紅外傳感器（PIR Sensor），主動(dòng)式超聲

5、波傳感器（Ultrasonic Sensor），紅外和超聲波雙技術(shù)傳感器（Dual-Technology Sensor）、多技術(shù) (Mult-Technology Sensor）和人工智能傳感器。根據(jù)空間類型，占用控制器安裝方式有墻壁式安裝（Wallbox-type Sensor）、天花板吊頂式（Ceiling Sensor）及其他集成式安裝。有些占用控制器中將占用傳感器和信號(hào)處理器集成為一個(gè)處理模塊，而將開(kāi)關(guān)和LED電源集成為另一個(gè)模塊，稱為開(kāi)關(guān)器（Switchpack）；有些為了節(jié)省空間體積，將所有的元件都集成在一個(gè)開(kāi)關(guān)模塊中。傳感器有一個(gè)有效的工作區(qū)域，安裝時(shí)必須按照使用說(shuō)明書的要求把傳

6、感器安裝在其有效工作區(qū)域內(nèi)。根據(jù)美國(guó)國(guó)家能源辦公室（USA State Energy Office）公布的節(jié)能計(jì)算公式，每年每平方米的照明區(qū)域上節(jié)約的能源成本是：3000小時(shí)/年 × 非占用時(shí)間比% × 16.145Watt/m2 × 1.1元/千瓦時(shí) × 0.001 （商業(yè)用電以1.1元/千瓦時(shí)算）按該公式，大概100平方米的走廊通道，使用占用控制器控制 LED 照明大概每年可以節(jié)約4262.28元；同樣面積的教室環(huán)境可節(jié)約3463.1元。其代價(jià)僅僅是在電源開(kāi)關(guān)處接一個(gè)占用控制器。這樣的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)于大型活動(dòng)場(chǎng)所照明節(jié)能更是可觀。如果將占用控制器用于 L

7、ED 電源照明，需使用的 LED 燈的個(gè)數(shù)可參考文獻(xiàn)1的方法來(lái)計(jì)算：       式中  E平均照度，光源的光通量，N燈具數(shù)，U燈具的利用系數(shù)，K維護(hù)系數(shù)，A室內(nèi)面積。占用傳感器的原理和應(yīng)用占用傳感器實(shí)質(zhì)是一種智能傳感器，它與微處理器相結(jié)合后就賦予了人工智能和兼有信息檢測(cè)與信息處理的功能。圖 2 所示是占用控制器的結(jié)構(gòu)框圖，它由各種探測(cè)傳感器、運(yùn)算放大器、A/D、微處理器、D/A和繼電器開(kāi)關(guān)組成。各種傳感器探測(cè)照明區(qū)域的占用情況，然后將采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送給微處理器處理，與先前設(shè)置好的閾值

8、參數(shù)比較后分析判斷區(qū)域是否占用，將結(jié)果信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后由繼電器開(kāi)關(guān)執(zhí)行LED電源相應(yīng)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。各種類型的占用傳感器目前生產(chǎn)設(shè)計(jì)都比較成熟。1. 被動(dòng)式紅外傳感器（PIR Sensor）：被動(dòng)式紅外傳感器是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線而工作的。主要原理是：人體發(fā)射的10um左右的紅外線通過(guò)菲涅爾濾光片增強(qiáng)后聚集到熱釋電元件上，當(dāng)人活動(dòng)時(shí)紅外輻射的發(fā)射位置就會(huì)發(fā)生變化，該元件就會(huì)失去電荷平衡，發(fā)生熱釋電效應(yīng)向外釋放電荷，紅外傳感器(PIR)將透過(guò)濾光晶片的紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即熱電轉(zhuǎn)換。在被動(dòng)紅外探測(cè)器的探測(cè)區(qū)內(nèi)無(wú)人體移動(dòng)時(shí)，紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度，當(dāng)人體進(jìn)人探測(cè)區(qū)，通過(guò)菲涅爾

9、透鏡，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異，信號(hào)被采集后與系統(tǒng)中已存在的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以判斷是否真的有人等紅外線源進(jìn)入探測(cè)區(qū)域。被動(dòng)式紅外傳感器有三個(gè)關(guān)鍵性的元件：菲涅爾濾光透鏡，熱釋電紅外傳感器(PIR)和匹配低噪放大器。菲涅爾透鏡有兩個(gè)作用：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)折射在PIR上：二是將探測(cè)區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)的移動(dòng)物體（人）能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號(hào)。一般還會(huì)匹配低噪放大器，當(dāng)探測(cè)器上的環(huán)境溫度上升，尤其是接近人體正常體溫(37)時(shí)，傳感器的靈敏度下降，經(jīng)由它對(duì)增益進(jìn)行補(bǔ)償，增加其靈敏度。目前被動(dòng)式紅外傳感器應(yīng)用已經(jīng)很成熟，

10、有很多生產(chǎn)商根據(jù)PIR傳感器的特性設(shè)計(jì)了自己的專用信號(hào)處理器，比如國(guó)內(nèi)的HOLTEK HT761X、PTI PT8A26XX、WELTREND WT8072, BISS0003等都是應(yīng)用很廣泛。圖3所示是PTI（百里通電子有限公司）自己專用紅外傳感器控制芯片PT8A2621的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。PT8A2621處理器具有以下特性：內(nèi)含兩級(jí)運(yùn)放，可用于放大信號(hào)和濾除噪聲；片內(nèi)有穩(wěn)壓電路，可恒壓輸出3.6V電壓；有三種控制模式：ON/AUTO/OFF，且還帶有越權(quán)控制功能（Override Control）；當(dāng)過(guò)零檢測(cè)端ZC信號(hào)消失超過(guò)3秒時(shí)，芯片自動(dòng)復(fù)位；且?guī)в腥展鉄o(wú)效控制輸出適合繼電器控制，適于走廊

11、、廚房、庭院、會(huì)議室和倉(cāng)庫(kù)等場(chǎng)所的節(jié)能照明。所謂越權(quán)控制是指通過(guò)切換電源開(kāi)關(guān)在一定時(shí)間內(nèi)切換電源開(kāi)關(guān)來(lái)改變芯片工作模式。當(dāng)芯片工作在“自動(dòng)”模式時(shí)，通過(guò)越權(quán)控制芯片可從“自動(dòng)”模式轉(zhuǎn)向“運(yùn)行”模式，若再進(jìn)行越權(quán)控制，芯片將返回“自動(dòng)”模式；若在“運(yùn)行”模式時(shí)沒(méi)出現(xiàn)越權(quán)控制，則芯片在“運(yùn)行”模式工作8小時(shí)后自動(dòng)返回到“自動(dòng)”模式。這里重點(diǎn)介紹PIR信號(hào)處理部分，控制部分就簡(jiǎn)單略過(guò)。對(duì)PIR檢測(cè)到的信號(hào)處理器一般分為三步處理，具體處理步驟如下：濾波放大：PIR將檢測(cè)到的人體運(yùn)動(dòng)引起的熱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?，?jīng)兩個(gè)運(yùn)放放大濾波后在比較器中和設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。為了后續(xù)電路能作有效的處理，考慮到傳感器的

12、信噪比，通常取增益72.5dB，通頻帶0.3Hz7Hz。同時(shí)為了保證放大器的工作穩(wěn)定可靠，電路集成了一個(gè)穩(wěn)壓器用于給傳感器、放大器和比較器供電。窗口比較器：經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)通過(guò)窗口比較器后檢出滿足幅值要求的信號(hào)后，再轉(zhuǎn)換成一系列數(shù)字脈沖信號(hào)。噪聲抑制數(shù)字信號(hào)處理：測(cè)試固定時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)和脈沖寬度的方法來(lái)檢測(cè)有效的人體信號(hào)，這里由系統(tǒng)振蕩器通過(guò)OSCS引腳提供時(shí)鐘源（16kHz）。在CDS引腳連接光敏電阻器，白天有光CDS引腳為低電平，夜晚為高電平，CDS引腳內(nèi)接有施密特觸發(fā)器可控制使能PIR有效觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)CDS控制，可用于日光無(wú)效功能。檢測(cè)到的紅外波經(jīng)上述三步處理后就能準(zhǔn)確、可靠地判斷人體信號(hào)。

13、2. 超聲波傳感器（Ultrasonic Sensor）：超聲波占用傳感器主要利用多普勒原理，通過(guò)晶振向外發(fā)射超過(guò)人體能感知的高頻超聲波，一般典型的選用2540kHz波，然后控制模塊檢測(cè)反射回來(lái)波的頻率，如果區(qū)域內(nèi)有物體運(yùn)動(dòng)，反射波頻率就會(huì)有輕微的波動(dòng)，即多普勒效應(yīng)，以此來(lái)判斷照明區(qū)域的占用，從而達(dá)到控制開(kāi)關(guān)的目的。超聲波的縱向振蕩特性，可以在氣體、液體及固體中傳播且其傳播速度不同；它還有折射和反射現(xiàn)象，在空氣中傳播其頻率較低，衰減較快，而在固體、液體中則衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。超聲波傳感器正是利用超聲波的這些特性。超聲波傳感器有敏感范圍大，無(wú)視覺(jué)盲區(qū)，不受障礙物干擾等特點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在商業(yè)和安

14、全領(lǐng)域被使用25年多了，已經(jīng)被證明是檢測(cè)小物體運(yùn)動(dòng)最有效的方法。由于靈敏度高，空氣振動(dòng)、通風(fēng)采暖制冷系統(tǒng)及周圍鄰近空間的運(yùn)動(dòng)都會(huì)引起US傳感器產(chǎn)生誤觸發(fā)，所以超聲波傳感器需要及時(shí)校準(zhǔn)。表2是關(guān)于紅外PIR傳感器和超聲波傳感器的比較。表2  被動(dòng)紅外傳感器和超聲波傳感器性能比較圖4是一個(gè)使用Devantech公司的SRF05超聲波傳感器和Microchip公司微處理器PIC18F4420設(shè)計(jì)成的占用控制器應(yīng)用方案，控制器由超聲波傳感器SRF05、微控制器PIC18F4420 以及時(shí)鐘晶振組成。Microchip公司的8位微控制器PIC18F4420具有以下特性：帶有13位 ADC轉(zhuǎn)換器

15、；增強(qiáng)型的16k Flash memory，可用于編程控制，而且支持C語(yǔ)言編譯器；帶有8位乘法器有利于軟件編程；帶有可擴(kuò)展WDT(看門狗定時(shí)器Watchdog Timer)；768位組 SRAM/256位組 EEPROM 用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；帶有3個(gè)8bits/16bits Timers，以及I2C、SPI等外接通訊接口。超聲波傳感器：SRF05模塊工作頻率40kHz，最大探測(cè)距離最大4m，最小1cm，敏感度約為在大于2m的距離上可以探測(cè)3cm大小的物體。SRF05的信號(hào)端口與微控制器20 腳和 21腳的I/O并行端口相連，當(dāng)微控制器通過(guò)20 腳給SRF05探測(cè)使能信號(hào)時(shí)，超聲傳感器利用超聲波、光學(xué)

16、等傳感技術(shù)將采集到的被占用區(qū)域相關(guān)的人的活動(dòng)及光照等探測(cè)情況，通過(guò)21腳口送入微處理器，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后將轉(zhuǎn)換結(jié)果儲(chǔ)存在SRAM中，微控制器經(jīng)過(guò)與保存在Flash存儲(chǔ)器中的設(shè)定閾值進(jìn)行比較分析，判斷區(qū)域占用和物體移動(dòng)情況，控制燈的開(kāi)、關(guān)或發(fā)出聲光報(bào)警等信號(hào)。雙/多技術(shù)傳感器雙技術(shù)傳感器就是融合了紅外線傳感器和超聲波傳感器的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的傳感器，超聲波傳感器探測(cè)敏感度很高，易受諸如風(fēng)吹動(dòng)、室外走廊內(nèi)干擾和窗簾擺動(dòng)等活動(dòng)的干擾而造成誤開(kāi)關(guān)，使用紅外線傳感器探測(cè)物體運(yùn)動(dòng)就極大地降低了這些異常觸發(fā)；但是紅外線傳感器又有不敏感的缺點(diǎn)，這一點(diǎn)正好得到超聲波傳感器的彌補(bǔ)，同時(shí)，超聲波還可以探測(cè)紅外線傳感器無(wú)法

17、探測(cè)的不規(guī)則和有障礙物的區(qū)域。在這類傳感器中，紅外傳感器探測(cè)物體的溫度而打開(kāi)開(kāi)關(guān)，超聲波傳感器及其他技術(shù)探測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)或位移，極大地降低了由于異常觸發(fā)而引起誤開(kāi)關(guān)。雙技術(shù)集成于控制器內(nèi)再結(jié)合其他智能技術(shù)達(dá)到最佳的運(yùn)動(dòng)探測(cè)性能。多技術(shù)占用傳感器指在雙技術(shù)的基礎(chǔ)上再結(jié)合了其他敏感元件以及智能微處理器技術(shù)，具有日光無(wú)效、線電壓、自校準(zhǔn)自適應(yīng)、手動(dòng)操作和三技術(shù)(紅外，超聲波加人工智能技術(shù))等多種技術(shù)，增加對(duì)占用區(qū)域的探測(cè)精度和技術(shù)，自學(xué)習(xí)特征一般是對(duì)多技術(shù)占用傳感器來(lái)說(shuō)的，它可以自動(dòng)調(diào)整在自學(xué)習(xí)階段所采集到的占用數(shù)據(jù)；有些還具有低功耗、關(guān)燈警告、模糊覆蓋、自動(dòng)報(bào)警等特征。關(guān)燈警告就是在自動(dòng)關(guān)燈或斷電前

18、幾分鐘（該時(shí)間可調(diào)）以聲音或指示燈等的形式告知占用者燈將熄滅或斷電，以避免突然陷入黑暗；模糊覆蓋就是允許傳感器探測(cè)區(qū)域中某些區(qū)域被忽略，這樣可以減少傳感器的誤觸發(fā)。這類傳感器對(duì)于那些對(duì)安全性、可靠性要求較高、空間布局較復(fù)雜、面積較大的房間較適合，是當(dāng)前國(guó)外使用比較新的技術(shù)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)由于成本的問(wèn)題還沒(méi)有進(jìn)入大范圍普及推廣安裝使用。美國(guó)Leviton（立維騰）公司的OSSMT-MD/OSSMT-GD就是典型的多技術(shù)占用控制器，它具有紅外線、超聲波、日光無(wú)效和自校正自適應(yīng)等多技術(shù)，可提供無(wú)故障、“裝后無(wú)憂”的照明控制方案，該控制器特性具體是：多智能技術(shù)：OSSMT占用控制器具有多控制模式，可越權(quán)控制

19、，靈敏度可調(diào)，日光無(wú)效，關(guān)燈延遲時(shí)間自適應(yīng)。自適應(yīng)技術(shù)：微處理器能自動(dòng)分析區(qū)域環(huán)境條件從而實(shí)時(shí)修改占用參數(shù)，比如對(duì)于氣流運(yùn)動(dòng)有可能會(huì)誤觸發(fā)頻繁開(kāi)燈，該控制器就會(huì)自己調(diào)整調(diào)高超聲波傳感器的觸發(fā)閾值從而避免同樣干擾的誤觸發(fā)；對(duì)于關(guān)燈延時(shí)時(shí)間，微處理器會(huì)根據(jù)照明區(qū)域自調(diào)整這個(gè)延時(shí)值，直到探測(cè)到一個(gè)合適的延時(shí)值；比如門外有物體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致燈誤開(kāi)燈時(shí)，如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)（定時(shí)器）再?zèng)]有探測(cè)到物體活動(dòng)，那么這個(gè)設(shè)定的關(guān)機(jī)（定時(shí)器）值就會(huì)自動(dòng)減小一些，下次同類事件發(fā)生時(shí)等待關(guān)機(jī)的時(shí)間會(huì)短一些，達(dá)到自適應(yīng)；比如人坐于桌前學(xué)習(xí)長(zhǎng)時(shí)間靜止，傳感器沒(méi)有探測(cè)到持續(xù)活動(dòng)而導(dǎo)致關(guān)燈，當(dāng)前關(guān)機(jī)延時(shí)值（定時(shí)器）就會(huì)自適應(yīng)增大一些

20、，再發(fā)生類似情況時(shí)會(huì)等待更長(zhǎng)的時(shí)間以免誤關(guān)燈；這個(gè)延時(shí)關(guān)燈時(shí)間為30秒30分鐘，總之控制器會(huì)根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)合的情況自適應(yīng)減少該時(shí)間值。越權(quán)控制（Override Controle）功能：OSSMT占用控制器專門有個(gè)按鍵用于手動(dòng)越權(quán)控制，如果燈是關(guān)著的，按該鍵可以打開(kāi)燈，區(qū)域占用的話會(huì)一直保持，當(dāng)區(qū)域非占用時(shí)，設(shè)定的關(guān)燈延遲時(shí)間（定時(shí)器）等到時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)燈；如果燈是開(kāi)的狀態(tài)，無(wú)論區(qū)域是否占用，按該鍵會(huì)關(guān)閉燈，這種功能特別適合于在區(qū)域內(nèi)做PPT演講、播放視頻等場(chǎng)景使用。日光無(wú)效功能：跟一般的雙/多技術(shù)傳感器一樣，該傳感器也內(nèi)置日光傳感裝置，當(dāng)照明區(qū)域光線能滿足照明時(shí)，可以設(shè)置日光無(wú)效功能而使燈處于熄滅狀態(tài)，適用于采光較好的照明區(qū)域。短時(shí)占用探測(cè)：有些情況人會(huì)進(jìn)入照明區(qū)域很短時(shí)間，為了最大限度的節(jié)約能耗，控制器采用短時(shí)占用估計(jì)，即當(dāng)有人進(jìn)入?yún)^(qū)域，控制器會(huì)打開(kāi)開(kāi)關(guān)，如果在第一個(gè)0.52分鐘（可置）內(nèi)探測(cè)到無(wú)人持續(xù)占用，控制器會(huì)在該時(shí)間后自動(dòng)關(guān)燈，假如人在照明區(qū)域內(nèi)占用的時(shí)間超過(guò)0.52分鐘（可置），控制器則進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)了。