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：本文綜合當前國內(nèi)外占用傳感器的發(fā)展趨勢及應用技術，分析了各種占用傳感器的原理，特點和應用；利用國外能源機構(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)濟效益。前言隨著我國經(jīng)濟快速發(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，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)能燈技術和蓬勃發(fā)展中的LED照明技術；另一個就是給照明系統(tǒng)

2、（Lighting system）加裝節(jié)電控制設備，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以從而達到節(jié)能的目的。LED是公認的21世紀照明新光源，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?，F(xiàn)在照明控制器都使用較理想的傳感器控制技術，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)預先設定的聲音或照度閾值來控制燈的開關；占用傳感器是根據(jù)照明區(qū)域是否有人占用或根據(jù)預先設定的光照值來控制電源，以控制照明系統(tǒng)或采暖通風及

3、制冷 (HVAC) 系統(tǒng)實現(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。占用傳感器的類型和能效設計具體地說，占用控制器就是當照明區(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，不占用時能在預定關燈延遲后自動關燈。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/多重技術等傳感器構(gòu)成，用來探測感知照明區(qū)域內(nèi)物體目標的運動，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習、自適應能力；由處理器輸出的結(jié)果通過開關繼電器控制LED照明電源。占用傳感器按照探測感應原理可以分為：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傳感器（Dual-Technology Sensor）、多技術 (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，而將開關和LED電源集成為另一個模塊，稱為開關器（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處接一個占用控制器。這樣的經(jīng)濟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維護系數(shù)，A室內(nèi)面積。占用傳感器的原理和應用占用傳感器實質(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、運算放大器、A/D、微處理器、D/A和繼電器開關組成。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)換后由繼電器開關執(zhí)行LED電源相應的開關動作。各種類型的占用傳感器目前生產(chǎn)設計都比較成熟。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后聚集到熱釋電元件上，當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，紅外感應器感應到的只是背景溫度，當人體進人探測區(qū)，通過菲涅爾

9、透鏡，熱釋電紅外感應器感應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)進行比較以判斷是否真的有人等紅外線源進入探測區(qū)域。被動式紅外傳感器有三個關鍵性的元件：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)由它對增益進行補償，增加其靈敏度。目前被動式紅外傳感器應用已經(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）；當過零檢測端ZC信號消失超過3秒時，芯片自動復位；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在一定時間內(nèi)切換電源開關來改變芯片工作模式。當芯片工作在“自動”模式時，通過越權(quán)控制芯片可從“自動”模式轉(zhuǎn)向“運行”模式，若再進行越權(quán)控制，芯片將返回“自動”模式；若在“運行”模式時沒出現(xiàn)越權(quán)控制，則芯片在“運行”模式工作8小時后自動返回到“自動”模式。這里重點介紹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將檢測到的人體運動引起的熱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?，?jīng)兩個運放放大濾波后在比較器中和設定的閾值進行比較。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)有物體運動，反射波頻率就會有輕微的波動，即多普勒效應，以此來判斷照明區(qū)域的占用，從而達到控制開關的目的。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。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，這項技術已經(jīng)在商業(yè)和安

14、全領域被使用25年多了，已經(jīng)被證明是檢測小物體運動最有效的方法。由于靈敏度高，空氣振動、通風采暖制冷系統(tǒng)及周圍鄰近空間的運動都會引起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。表2是關于紅外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設計成的占用控制器應用方案，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

16、等傳感技術將采集到的被占用區(qū)域相關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存儲器中的設定閾值進行比較分析，判斷區(qū)域占用和物體移動情況，控制燈的開、關或發(fā)出聲光報警等信號。雙/多技術傳感器雙技術傳感器就是融合了紅外線傳感器和超聲波傳感器的優(yōu)點而設計的傳感器，超聲波傳感器探測敏感度很高，易受諸如風吹動、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，使用紅外線傳感器探測物體運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，這一點正好得到超聲波傳感器的彌補，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，超聲波傳感器及其他技術探測物體的運動或位移，極大地降低了由于異常觸發(fā)而引起誤開關。雙技術集成于控制器內(nèi)再結(jié)合其他智能技術達到最佳的運動探測性能。多技術占用傳感器指在雙技術的基礎上再結(jié)合了其他敏感元件以及智能微處理器技術，具有日光無效、線電壓、自校準自適應、手動操作和三技術(紅外，超聲波加人工智能技術)等多種技術，增加對占用區(qū)域的探測精度和技術，自學習特征一般是對多技術占用傳感器來說的，它可以自動調(diào)整在自學習階段所采集到的占用數(shù)據(jù)；有些還具有低功耗、關燈警告、模糊覆蓋、自動報警等特征。關燈警告就是在自動關燈或斷電前

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、空間布局較復雜、面積較大的房間較適合，是當前國外使用比較新的技術產(chǎn)品，國內(nèi)由于成本的問題還沒有進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等多技術，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：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，關燈延遲時間自適應。自適應技術：微處理器能自動分析區(qū)域環(huán)境條件從而實時修改占用參數(shù)，比如對于氣流運動有可能會誤觸發(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；比如門外有物體運動導致燈誤開燈時，如果在設定的時間內(nèi)（定時器）再沒有探測到物體活動，那么這個設定的關機（定時器）值就會自動減小一些，下次同類事件發(fā)生時等待關機的時間會短一些，達到自適應；比如人坐于桌前學習長時間靜止，傳感器沒有探測到持續(xù)活動而導致關燈，當前關機延時值（定時器）就會自適應增大一些

20、，再發(fā)生類似情況時會等待更長的時間以免誤關燈；這個延時關燈時間為30秒30分鐘，總之控制器會根據(jù)實際使用場合的情況自適應減少該時間值。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，如果燈是關著的，按該鍵可以打開燈，區(qū)域占用的話會一直保持，當區(qū)域非占用時，設定的關燈延遲時間（定時器）等到時會自動關燈；如果燈是開的狀態(tài)，無論區(qū)域是否占用，按該鍵會關閉燈，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/多技術傳感器一樣，該傳感器也內(nèi)置日光傳感裝置，當照明區(qū)域光線能滿足照明時，可以設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，即當有人進入?yún)^(qū)域，控制器會打開開關，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），控制器則進入正常運行狀態(tài)了。