智能LED照明控制系统研究开题报告
2022-01-12 21:51:48
全文总字数：5448字
1. 研究目的与意义及国内外研究现状
一.目的随着社会的不断发展，单一的照明功能已经不能满足人们的照明需求，智能化照明成为发展方向。led 被认为是21 世纪的照明光源。led发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，led 能耗为白炽灯的10%，荧光灯的50%。led 寿命可达10 万小时，是荧光灯的10 倍，白炽灯的100 倍。用led 替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。使用安全可靠，便于维护。我国照明用电占总发电量的12%。目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。另外，不必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。与智能控制技术、网络技术相结合的led智能照明成为发展的必然趋势。二.意义 随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平也不断提高，导致用电负荷的加剧，又由于世界性的能源危机，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。而此问题对我国来说尤为严重。对于一些公共场所，如学校，公共建筑等，一般采用开放式管理模式为主，如学校里，一般的高等学校学生都没有固定的教室，无固定的座位;而楼层管理人员仅负责卫生或保卫工作。因此，造成了白天长明灯，晚上无人也开灯，人少灯全开等无效运行的浪费现象在高校司空见惯。在一些公共场所，大部分灯具的照明都是一直亮着的，而且公共场所的灯具数目也不少，出于这些原因，往往就在不经意间造成电能的巨大浪费。而从全国角度出发，我国人口众多，因此人均占有资源储量较少，能源短缺问题将长期存在。应此，提高用电效率就成了21世纪以来需要考虑的问题。 目前对灯光的智能控制，国内外己经开始采用，随着21世纪的到来，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向发展。比如，一些居民楼的楼道口用的灯是根据对周围声音的判断来确定是否需要亮灯，但这只能解决小部分的问题，不能解决根本上浪费电源的问题。于是，开发更加简便、能适用于更多公共场合的灯光自动控制系统便具有重要的现实意义。
国内外研究现状
从全球来看，半导体照明产业已形成以美国、亚洲、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。全球led产业主要分布在日本、台湾两大地区，其中日本2005年的led产值达28.7亿美元，占据全球led产值近50%;台湾（包括台湾岛内及大陆分厂生产）led产值2005年达12亿美元，约占全球led产值的21%列第二。日本nichia、toyodagosei,美国cree、lumileds、gelcore、欧洲orsam 等国际厂商代表了led的最高水平，引领着半导体照明产品产业的发展。日本和美国两大区域的企业利用其在新产品和新技术领域中的创新优势，主要从事最高附加价值产品的生产。其中日本几乎垄断全球高端蓝、绿光led市场，为全球封装产量第二大、产值第一大的生产地区。自2003年实行半导体照明工程以来，我国led产业已进入快速发展时期，我国下游封装已实现了大批量生产，正在成为世界重要的中低端led封装基地。受国内下游应用产品巨大的制造能力及市场消费的吸引，除积极介入的民营资本外，台湾地区、香港、韩国及日本的众多投资者都已在我国投资，在提高我国的半导体照明产业技术水平和产业国际竞争力同时，也加剧了国内市场的抢夺大战。 随着led产业分工与竞争的加剧，国际大厂间的参股投资、代加工、代理销售、专利交互授权、策略联盟等合作步伐正日益加快。如日本住友电工成为美国cree在日本的销售总代理、cree和osram签署长期供货协议，种种迹象表明国际厂商的合作步伐正在加快，以策略联盟共同占据有利市场地位。目前，国内外led所应用及研究的范围：
1）总线式照明智能控制系统或网络，有基于分布式控制总线dcs（distributedcontrolsystem）原理和现场控制总线（fieldcontrolsystem）原理的测控系统，而目前在建筑照明领域，应用更多的是后者。线式照明智能控制系统所具有的开放性，使得运用智能网关、智能路由器、交换机、光纤与光纤交换机或无线基站ap，几乎可以与任意不同通信协议的有线或无线通信网络互联，如通过Ｒs485、wlan、wi-fi、zigbee、dmx512、gpＲs/3g、4g等，既可灵活升级或扩展成为多功能的或大型和远程控制的开放统，又可实现任意地域的便携电脑、智能手机、平板电脑等手持终端的无线移动式灯光场景监控。总线式照明智能控制系统，从上世纪90年代后的历届奥运会体育场馆照明，到大型建筑、工矿企业、道路照明、城市夜景、公共照明、高铁动车、家居建筑等方面已经得到了大量应用。照明智能控制系统在多年发展过程中，实际上已从照明控制延伸成为智能建筑、楼宇自动化与建筑能源管理系统。在智能家居中除灯光控制外，还可以实施空调、采暖、窗帘、天窗、a/v系统、安防、消防、电梯等的测控管理。目前，专门面向照明的总线式智能控制系统，国内外品牌繁多，主流品种有：philipsscenio、c-bus、dynet、hdl-bus、lonworks、knxeib、gＲandaＲ、luxcontＲol、nico、i-bus、instabus、homeserver、futronix、dali、lutron、e-lighting、zeiot、hotop、ec-net、precisetechnet、iisfree、dvaco、lightspace等。2）工业现场总线用于照明控制原则上，很多优秀的工业用现场控制总线fcs，只要开发配套足够的照明控制总线模块，都可用于照明智能控制，虽价格较高，但性能更优，如lonworks和can总线等。lonworks拥有集成3cpu的“神经元芯片”，并固化了开放式的通信协议lontalk，全面支持iso/osi七层通信模型，网络拓扑还允许环型，是真正的自由拓扑（freetopology），而且对传输介质适应能力很广，允许采用电力线，具有自由传输介质（freetransmissionmedium）的优势，通信速率可达1.25mbps。lonworks开放性强，采用网关等网络设备，可轻易扩展为任意的大型网络或无线网络，可实现移动监控，远程监控。目前，有的基于lonworks现场总线的智能家居和照明智能控制品牌已独占方。3）zigbee用于无线照明控制，zigbee是受到蜜蜂按8字翱翔采蜜与群体通信的启迪而开发，于2004年诞生，之后协议不断完善升级。zigbee网络物理层和媒体访问控制层，基于经济高效的ieee802.15.4标准，具有低速率（＜250kbps），短距离（一般10～100m，增大功率可达1～3km），短时延（节点接入只需30ms），大容量（最多5000节点）的特点。采用工业科学医疗频段is（industrialscientificandmedical），915mhz（美国），868mhz（欧洲）和2.4ghz（全球），免执照。网络拓扑可为星型、点对点、群集或网状（mesh）等配置，每一个zigbee网络模块之间可相互通信，不仅本身可以作为监控对象，对所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的节点传来的数据。配合网络协调器和路由器，每个网络节点的距离可以从标准的75米无限扩展，类似于gpＲs/cdma移动网的基站，通讯距离可从标准的75米到几百米、几公里，并且支持无限扩展，覆盖范围广阔。此外，还应用研究于闪联（igＲs）标准用于照明控制、led城市夜景照明控制系统、城市路灯/景观照明无线集中监控系统等。
2. 研究的基本内容
采用以单片机为核心与传感器结合技术的方案实现LED智能照明。主要有：单片机、D/A转换单元、A/D转换单元、传感器单元、LED驱动控制单元。以单片机为核心的智能控制电路，它由一系列传感器单元构成。通过相关传感器感应外部实际情况，将外部信号转换为实际电信号，通过运算放大器、A/D转换电路转化为单片机处理的数信号，通过单片机的一系列运算与处理控制可控硅调节LED照明灯的开关和亮度。传感器单元由被动式热式红外探测器、环境噪声探测器和可见光探测器等组成，被动式热式红外探测器有三个关键性的元件：菲涅尔滤光晶片，它通过截止波长8~12mm的菲涅尔滤光晶片，起带通滤波器的作用，使环境的干扰受到明显的控制作用。菲涅尔透镜，它的作用有两个：一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射在PIR(热释电红外传感器)上，第二个作用是探测警戒区内红外线能量的变化，并由系统内固化软件对所采集的数据进行运算加工，由控制系统内的控制软件通过控制逻辑来决定是否发出开灯信号。匹配低噪放大器，它的作用是当探测器上的环境温度上升，尤其是接近人体正常体温(37℃)时，传感器的灵敏度下降，经由它对放大器的增益进行补偿，增加其灵敏度。LED驱动单元用单片机控制继电器的输出来控制LED照明灯的开关，用单片机控制数字电位器控制LED照明灯的亮度。
