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源：中國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)前國內(nèi)外占用傳感器的發(fā)展趨勢及應(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；利用國外能源機(jī)構(gòu)發(fā)布的占用傳感器節(jié)能統(tǒng)計數(shù)據(jù)和計算公式，論證了利用各種占用傳感器作為 LED 電源控制器的優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)效益。前言隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源需求大幅增加，我國照明用電量已占總用電量的10%12%。按照我國提出的 “綠色照明工程”， 照明節(jié)電在國家“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)照明使用需要及時控制照明器件的開關(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)保和無污染的優(yōu)點(diǎn)?，F(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環(huán)境的噪聲、照度或亮度，將聲音或光信號轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的聲音或照度閾值來控制燈的開關(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。由于我國照明用電的損耗量占了整個耗電量的40左右，所以占用傳感器對于減少能量損耗起了非常重要的作用。這對我國這樣一個人口和經(jīng)濟(jì)大國而言在能源節(jié)省上的重大意義不言而喻。表1是美國能源保護(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幾種占用控制器的分析來介紹當(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)計具體地說，占用控制器就是當(dāng)照明區(qū)域有人活動時能自動照明；區(qū)域被占用時能不受干擾地保持燈亮，不占用時能在預(yù)定關(guān)燈延遲后自動關(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、信號處理器、繼電器開關(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，用來探測感知照明區(qū)域內(nèi)物體目標(biāo)的運(yùn)動，信號處理器采集傳感器接收到的信號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)果通過開關(guān)繼電器控制LED照明電源。占用傳感器按照探測感應(yīng)原理可以分為：被動式紅外傳感器（PIR Sensor），主動式超聲

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處理器集成為一個處理模塊，而將開關(guān)和LED電源集成為另一個模塊，稱為開關(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開關(guān)模塊中。傳感器有一個有效的工作區(qū)域，安裝時必須按照使用說明書的要求把傳

6、感器安裝在其有效工作區(qū)域內(nèi)。根據(jù)美國國家能源辦公室（USA State Energy Office）公布的節(jié)能計算公式，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/年 × 非占用時間比% × 16.145Watt/m2 × 1.1元/千瓦時 × 0.001 （商業(yè)用電以1.1元/千瓦時算）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。其代價僅僅是在電源開關(guān)處接一個占用控制器。這樣的經(jīng)濟(jì)效益對于大型活動場所照明節(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 燈的個數(shù)可參考文獻(xiàn)1的方法來計算：       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，它由各種探測傳感器、運(yùn)算放大器、A/D、微處理器、D/A和繼電器開關(guān)組成。各種傳感器探測照明區(qū)域的占用情況，然后將采集到的信號經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號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)果信號通過D/A轉(zhuǎn)換后由繼電器開關(guān)執(zhí)行LED電源相應(yīng)的開關(guān)動作。各種類型的占用傳感器目前生產(chǎn)設(shè)計都比較成熟。1. 被動式紅外傳感器（PIR Sensor）：被動式紅外傳感器是靠探測人體發(fā)射的紅外線而工作的。主要原理是：人體發(fā)射的10um左右的紅外線通過菲涅爾濾光片增強(qiáng)后聚集到熱釋電元件上，當(dāng)人活動時紅外輻射的發(fā)射位置就會發(fā)生變化，該元件就會失去電荷平衡，發(fā)生熱釋電效應(yīng)向外釋放電荷，紅外傳感器(PIR)將透過濾光晶片的紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)換成電信號，即熱電轉(zhuǎn)換。在被動紅外探測器的探測區(qū)內(nèi)無人體移動時，紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度，當(dāng)人體進(jìn)人探測區(qū)，通過菲涅爾

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，信號被采集后與系統(tǒng)中已存在的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以判斷是否真的有人等紅外線源進(jìn)入探測區(qū)域。被動式紅外傳感器有三個關(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。菲涅爾透鏡有兩個作用：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射在PIR上：二是將探測區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測區(qū)的移動物體（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。一般還會匹配低噪放大器，當(dāng)探測器上的環(huán)境溫度上升，尤其是接近人體正常體溫(37)時，傳感器的靈敏度下降，經(jīng)由它對增益進(jìn)行補(bǔ)償，增加其靈敏度。目前被動式紅外傳感器應(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)計了自己的專用信號處理器，比如國內(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)含兩級運(yùn)放，可用于放大信號和濾除噪聲；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)過零檢測端ZC信號消失超過3秒時，芯片自動復(fù)位；且?guī)в腥展鉄o效控制輸出適合繼電器控制，適于走廊

11、、廚房、庭院、會議室和倉庫等場所的節(jié)能照明。所謂越權(quán)控制是指通過切換電源開關(guān)在一定時間內(nèi)切換電源開關(guān)來改變芯片工作模式。當(dāng)芯片工作在“自動”模式時，通過越權(quán)控制芯片可從“自動”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”模式；若在“運(yùn)行”模式時沒出現(xiàn)越權(quán)控制，則芯片在“運(yùn)行”模式工作8小時后自動返回到“自動”模式。這里重點(diǎn)介紹PIR信號處理部分，控制部分就簡單略過。對PIR檢測到的信號處理器一般分為三步處理，具體處理步驟如下：濾波放大：PIR將檢測到的人體運(yùn)動引起的熱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?，?jīng)兩個運(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。同時為了保證放大器的工作穩(wěn)定可靠，電路集成了一個穩(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)過放大后的信號通過窗口比較器后檢出滿足幅值要求的信號后，再轉(zhuǎn)換成一系列數(shù)字脈沖信號。噪聲抑制數(shù)字信號處理：測試固定時間內(nèi)脈沖數(shù)和脈沖寬度的方法來檢測有效的人體信號，這里由系統(tǒng)振蕩器通過OSCS引腳提供時鐘源（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，可用于日光無效功能。檢測到的紅外波經(jīng)上述三步處理后就能準(zhǔn)確、可靠地判斷人體信號。

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，通過晶振向外發(fā)射超過人體能感知的高頻超聲波，一般典型的選用2540kHz波，然后控制模塊檢測反射回來波的頻率，如果區(qū)域內(nèi)有物體運(yùn)動，反射波頻率就會有輕微的波動，即多普勒效應(yīng)，以此來判斷照明區(qū)域的占用，從而達(dá)到控制開關(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，無視覺盲區(qū)，不受障礙物干擾等特點(diǎn)，這項技術(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)被證明是檢測小物體運(yùn)動最有效的方法。由于靈敏度高，空氣振動、通風(fēng)采暖制冷系統(tǒng)及周圍鄰近空間的運(yùn)動都會引起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  被動紅外傳感器和超聲波傳感器性能比較圖4是一個使用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(看門狗定時器Watchdog Timer)；768位組 SRAM/256位組 EEPROM 用于存儲數(shù)據(jù)；帶有3個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3cm大小的物體。SRF05的信號端口與微控制器20 腳和 21腳的I/O并行端口相連，當(dāng)微控制器通過20 腳給SRF05探測使能信號時，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)的人的活動及光照等探測情況，通過21腳口送入微處理器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后將轉(zhuǎn)換結(jié)果儲存在SRAM中，微控制器經(jīng)過與保存在Flash存儲器中的設(shè)定閾值進(jìn)行比較分析，判斷區(qū)域占用和物體移動情況，控制燈的開、關(guān)或發(fā)出聲光報警等信號。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)計的傳感器，超聲波傳感器探測敏感度很高，易受諸如風(fēng)吹動、室外走廊內(nèi)干擾和窗簾擺動等活動的干擾而造成誤開關(guān)，使用紅外線傳感器探測物體運(yùn)動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，超聲波還可以探測紅外線傳感器無法

17、探測的不規(guī)則和有障礙物的區(qū)域。在這類傳感器中，紅外傳感器探測物體的溫度而打開開關(guān)，超聲波傳感器及其他技術(shù)探測物體的運(yùn)動或位移，極大地降低了由于異常觸發(fā)而引起誤開關(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)動探測性能。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)，具有日光無效、線電壓、自校準(zhǔn)自適應(yīng)、手動操作和三技術(shù)(紅外，超聲波加人工智能技術(shù))等多種技術(shù)，增加對占用區(qū)域的探測精度和技術(shù)，自學(xué)習(xí)特征一般是對多技術(shù)占用傳感器來說的，它可以自動調(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、自動報警等特征。關(guān)燈警告就是在自動關(guān)燈或斷電前

18、幾分鐘（該時間可調(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)。這類傳感器對于那些對安全性、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)前國外使用比較新的技術(shù)產(chǎn)品，國內(nèi)由于成本的問題還沒有進(jìn)入大范圍普及推廣安裝使用。美國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、日光無效和自校正自適應(yīng)等多技術(shù)，可提供無故障、“裝后無憂”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)，日光無效，關(guān)燈延遲時間自適應(yīng)。自適應(yīng)技術(shù)：微處理器能自動分析區(qū)域環(huán)境條件從而實(shí)時修改占用參數(shù)，比如對于氣流運(yùn)動有可能會誤觸發(fā)頻繁開燈，該控制器就會自己調(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)；對于關(guān)燈延時時間，微處理器會根據(jù)照明區(qū)域自調(diào)整這個延時值，直到探測到一個合適的延時值；比如門外有物體運(yùn)動導(dǎo)致燈誤開燈時，如果在設(shè)定的時間內(nèi)（定時器）再沒有探測到物體活動，那么這個設(shè)定的關(guān)機(jī)（定時器）值就會自動減小一些，下次同類事件發(fā)生時等待關(guān)機(jī)的時間會短一些，達(dá)到自適應(yīng)；比如人坐于桌前學(xué)習(xí)長時間靜止，傳感器沒有探測到持續(xù)活動而導(dǎo)致關(guān)燈，當(dāng)前關(guān)機(jī)延時值（定時器）就會自適應(yīng)增大一些

20、，再發(fā)生類似情況時會等待更長的時間以免誤關(guān)燈；這個延時關(guān)燈時間為30秒30分鐘，總之控制器會根據(jù)實(shí)際使用場合的情況自適應(yīng)減少該時間值。越權(quán)控制（Override Controle）功能：OSSMT占用控制器專門有個按鍵用于手動越權(quán)控制，如果燈是關(guān)著的，按該鍵可以打開燈，區(qū)域占用的話會一直保持，當(dāng)區(qū)域非占用時，設(shè)定的關(guān)燈延遲時間（定時器）等到時會自動關(guān)燈；如果燈是開的狀態(tài)，無論區(qū)域是否占用，按該鍵會關(guān)閉燈，這種功能特別適合于在區(qū)域內(nèi)做PPT演講、播放視頻等場景使用。日光無效功能：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，可以設(shè)置日光無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。短時占用探測：有些情況人會進(jìn)入照明區(qū)域很短時間，為了最大限度的節(jié)約能耗，控制器采用短時占用估計，即當(dāng)有人進(jìn)入?yún)^(qū)域，控制器會打開開關(guān)，如果在第一個0.52分鐘（可置）內(nèi)探測到無人持續(xù)占用，控制器會在該時間后自動關(guān)燈，假如人在照明區(qū)域內(nèi)占用的時間超過0.52分鐘（可置），控制器則進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)了。