智能建筑中LED照明方案的优势与控制解决方案

在当今的绿色，能源和成本意识社会中，LED照明正在成为建筑物的首选技术，从家庭和企业到主要的市政和工业结构。对于室内照明应用，LED技术的优势现在开始超过传统白炽灯或荧光灯设备的安装成本仍然较低的事实。

关键的LED优势包括控制照明区域的能力，昏暗的照明水平，在需要的瞬间转向灯，并与传感器结合以进行占用检测，仅举几例。 LED布道者通过降低能耗来降低终身运营成本的信息，以及更简单，更便宜的维护，开始向建筑经理和消费者过滤。其他好处，例如提高安全性，安全性和舒适性也被证明越来越具有说服力。

在新建筑项目中，当考虑到固态照明，例如LED系统时，可以进一步节省成本，需要比传统方法少三分之二的净空高度，从而减少地板和天花板之间所需的高度。在多层结构中，这可以显着节省建筑材料。

Energy Smart Marketers的一项调查显示，建筑承包商现在在70％以上的案例中推荐LED照明解决方案。在一些国家，鼓励采取措施鼓励在新建和翻新的建筑项目中更多地使用节能照明。美国能源之星计划就是一个例子。智能城市计划在整个欧洲和其他地方越来越普遍，重点关注降低峰值电力需求（以及整体能源消耗）的举措，并且照明已被广泛证明是城市地区的主要能源消费者。

正确的光线，正确的时间

智能照明被描述为能够减少所使用的光量和/或能量，从而在需要的地方准确地传递最佳光量。通常，智能照明和智能建筑应用需要高功率，高亮度（HB），白光LED。欧司朗，Cree和东芝等LED制造商正在不断提高白度的亮度和一致性。白度的表征导致了中性，温暖和冷白色设备的发展，设计用于不同的应用。可调光系统是常态，功率因数是一个重要的考虑因素，因为功率因数水平可能由政府，区域或公用事业驱动的程序强制要求。数控智能照明方案的另一个关键问题是确保系统易于升级。智能建筑技术发展迅速，新应用正在兴起，导致客户期望不断变化。能够轻松甚至远程升级控制软件的能力被认为是必不可少的。 （图1）

图1：在政府和公用事业的推动下，节能是智能建筑方案的主要目标。智能照明可以对能源使用产生重大影响。照片来源：Power Integrations

维护优势

维护领域的LED照明可以节省大量成本。 LED器件的使用寿命通常比它们所替换的器件长至少25倍，并且通常长达50倍甚至100倍。远程监控意味着可以轻松检测和定位故障元件。从设计的角度来看，建筑承包商需要确保LED阵列和模块的设计便于更换部件。

心情

对于未来LED的好处，例如简单的调光控制和改变系统内颜色的能力，将扩大应用和客户对固态照明的期望。 （图2）先进的LED技术，更精确的色彩分级，结合先进的控制技术，已经开始在商业规模上实现情绪照明功能。例如，照明方案可以很容易地从用作工作场所的区域中的冷白色照明切换到暖白色照明，如果该区域稍后用于社交功能的话。

安全照明很可能作为一个重要的应用领域，例如，通过与运动传感器和环境光传感器相结合，安装可以兼顾安全性和节能性。例如，如果在附近没有检测到人，则可以大大减少停车场或停车场的照明。照明可以清楚地向安全人员表明用户或入侵者的存在。

图2：LED照明不仅可以节省能源，还可以带来额外的优势更好地控制照明区域以获得舒适感。照片来源：Energy Smart Marketers

控制效率

尽管LED灯具的效率要高得多，但在传统白炽灯或荧光灯设备的某些应用中，LED灯具的使用寿命却高达100倍，但它们需要专门的电子控制电路来实现热管理和过流保护。基本上，LED将它们接收的大部分电能转换为热能而不是光能。因此，如果没有足够的热管理，这种热量会降低LED的寿命和性能。一般设计建议相对简单：通过LED保持电流恒定且低于规定的最大值。

照明技术区的其他文章重点关注LED驱动器，LED热管理和使用电流保护的过应力控制设备 [2] 。适用于照明应用的高亮度白光LED的评论也可在TechZone [3] 中找到。

提供基于平台的系统解决方案是基础基于LED的智能照明市场的趋势。传统电子OEM正在创建硬件和固件子系统，以供建筑承包商和分包商使用。虽然主流LED制造商当然主导市场，但供应链合作伙伴关系正在兴起，系统和解决方案正在不太可能出现。推动吸引力是预测照明市场发展的速度，以及日益复杂的电子控制系统的需求，以及照明承包商不太可能（或倾向于）从头开始构建系统。

电子技术有助于远程或自动监视和控制应用程序中的所有灯光，打开或关闭它们并使其变暗;所有这些都很重要。与许多其他现代电子应用程序一样，升级系统，添加新特性和功能的能力是电子技术的数字可编程性所固有的。在照明应用中，LED设备本身，微控制器，有线和无线网络以及传感器被证明是实现系统解决方案的关键技术。

微控制器

微控制器非常适用于利用LED技术的独特特性，为智能照明开发高效，可扩展和灵活的设计。通过数字控制，设计人员可以扩展和轻松调整设计以适应特定应用。采用标准硬件和软件元素的模块化设计，最大限度地提高了设计重用率，缩短了设计时间。数字方法还可以在软件中实现许多创新硬件功能，如软启动，延迟和PWM相移，从而将元件数量降至最低。

网络

尽管传统的有线网络在许多建筑物中都很有意义，但网状无线网络等新型且价格合理的技术已经为智能建筑的使用带来了创新的设计机会。无线网络也可用于翻新旧建筑物，其中添加或替换有线网络可能不可行。 ZigBee被证明是一种流行的无线照明协议，尤其适用于需要控制大量均匀照明区域的应用。

越来越多的照明系统需要通过互联网协议（IP）连接到其他网络。在家庭应用中，可以通过移动数字设备控制这种系统。例如，市政或办公楼也可能需要从远程中心位置进行控制和监控，作为智能城市计划的一部分。在这种情况下，其他互联网协议可能更合适，例如基于IPv6的传入6LoWPAN。

传感器

将传感器集成到照明系统中需要一些考虑。在新构建中向传感器供电可能是直截了当的，但在改造情况下更难以实现。电池电量可能适合执行简单任务所需的设备，例如检测运动以指示在很少使用的房间中存在某人。在这种情况下，电池寿命可能为5年。

世界上一些最智能建筑采用的另一种选择是采用能量收集技术的传感器。越来越多的公司正在生产无线产品，如传感器和开关，用于管理建筑中的HVAC和照明能耗，这是基于EnOcean联盟制定的标准。由环境能源（如光，热，振动和运动）提供动力，设备通过无线传感器网络发送无线电信号，以自动化建筑物的节能。

但是，如果要求传感器提供即时可能需要不断更新，通过有线或电力线网络提供永久电源。

供应商基础

对于希望进入快速增长的照明市场的设计师而言，众多供应商和产品入门。与任何新兴行业一样，供应商基础也有些分散，其解决方案基于整个系统的不同和多个方面，包括LED驱动器，控制电路，调光器，连接器，微控制器和网络，以及LED专家本身。

例如，几家传统的微控制器专家正在为LED照明方案提供模块，参考设计和开发套件。其中包括赛普拉斯半导体，恩智浦和德州仪器。一些系统解决方案提供商来自模拟和电源背景，例如ADI公司，Allegro公司，美国国家半导体公司和Power Integrations公司。 TE Connectivity（AMP）扩展到多技术基础的系统解决方案。

众所周知，在保持与从头设计的LED照明方案相关的性能和效率方面，将固态照明改造成传统系统是困难的。一些公司选择仅为新系统或替代系统提供解决方案。

例如，TE Connectivity将其Nevalo平台的重点放在新系统设计上。该套件包括光模块，带恒流输出的驱动器，电路保护装置，调光控制电路，光学器件，布线系统以及用于热管理评估和价格与性能分析的软件工具。用户可以选择60多种LED灯模块，适用于普通照明应用。

德州仪器为LED照明设计和控制系统提供广泛的基于微控制器的解决方案，以及演示平台和开发套件。其TMS C2000™Piccolo微控制器DC/DC LED开发者套件使照明设计师能够通过调光，色调调整，电力线通信和故障检测等高级功能来区分他们的设计。 （图3）该套件配备了开始为智能建筑设计节能LED照明系统所需的开源硬件和软件。

图3：德州仪器（TI）的TMS320C2000™DC/DC LED照明开发套件。

除了入门套件外，TI还为OEM提供各种分立元件，用于构建自己的系统，以及部分解决方案，结合控制器，驱动器和功率因数校正电路。

TI还刚刚推出了低于1GHz的6LoWPAN无线网络解决方案，旨在为远程，低成本的无线传感器网络提供网关，如作为建筑照明方案，连接到互联网。它提供有线IPv6基础设施的无线扩展，并且通过在低于1GHz的频段运行，在比传统的基于2.4GHz的6LoWPAN产品更低的功率水平下提供更长的无线范围。

赛普拉斯半导体同时，提供对不同照明协议的支持。 DMX512协议允许设计人员控制工业建筑中控制器和调光器的复杂照明网络。赛普拉斯半导体的高亮度（HB）LED智能照明系统设计解决方案名为EZ-Color™，可支持多达16个LED通道的控制。该工具的专有固件和光学反馈算法可帮助设计人员确保多个LED器件阵列的色彩一致，其PrISM调制技术可降低低频闪烁和辐射EMI。

赛普拉斯的PowerPSoC（如图4所示）是一个嵌入式电源控制器，有助于系统集成。它包含4通道内部电流检测放大器，额定频率为6 MHz，4个2 MHz滞环控制器可独立配置为降压，升压或降压 - 升压，4个低侧n-FET，额定电流为1 A，每个32 V，另外还有32 V内部输入稳压器。

图4：使用赛普拉斯半导体的PowerPSoC®高亮度LED控制器和电力线通信（PLC）的演示灯照明控制解决方案

最近，赛普拉斯宣布在其照明应用中通过组合电力线收发器和微控制器解决方案支持电力线通信协议。基于现有的铜电网，并使用总线拓扑，它可用于通信数据以用于控制目的，并且易于重新配置。系统可配置电容式触敏面板或基于PC的图形用户界面，以便直观，轻松地操作复杂系统。