近十年來，發(fā)光二極管(LED)已經(jīng)從電子設(shè)備指標(biāo)的優(yōu)勢選擇轉(zhuǎn)變?yōu)槭拐彰鞲?jié)能的主要焦點(diǎn)。有效產(chǎn)生強(qiáng)光照度的能力使LED成為大多數(shù)應(yīng)用越來越受歡迎的選擇，超越了熒光和其他技術(shù)的能力。 LED相對于其他選項(xiàng)的另一個(gè)重要優(yōu)勢是其可控性。

雖然LED調(diào)光涉及比傳統(tǒng)白熾燈照明所用的簡單控制器更復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，但LED支持不僅可以調(diào)節(jié)照明水平，但發(fā)出的顏色要精細(xì)調(diào)整。這種可控性可用于各種應(yīng)用，從倉庫和工廠的高棚照明到智能溫室。

LED照明已經(jīng)通過延長可能的生長季節(jié)來提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量溫帶氣候下幾個(gè)月的作物范圍。通過提高產(chǎn)量和增長時(shí)間，該技術(shù)使屋頂農(nóng)業(yè)更加經(jīng)濟(jì)。因此，城市可以開始為全球糧食生產(chǎn)做出貢獻(xiàn)。智能溫室設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面是能夠使LED響應(yīng)環(huán)境光水平，以避免過度消耗電力，并提供不同的顏色，以支持作物在其生命周期中的需求。在明亮的環(huán)境照明條件下，LED可以完全關(guān)閉，并在降低時(shí)逐漸上線。

在倉庫中環(huán)境照明不太容易獲得，但它通常通過天窗和窗戶呈現(xiàn)。傳統(tǒng)照明設(shè)計(jì)的問題是在整個(gè)地面空間提供一致的照明。傳統(tǒng)上，燈具將被設(shè)置為提供恒定水平的照明，這在高環(huán)境光水平的區(qū)域中將是浪費(fèi)的。同時(shí)，周圍燈具和窗戶或天窗很少的角落區(qū)域可能比較暗。智能LED照明可以通過不僅適應(yīng)自然光的變化，而且可以適應(yīng)其他燈具的影響來彌補(bǔ)這些問題。

智能LED照明解決方案將電路控制每個(gè)元件與檢測環(huán)境光線水平的傳感器相結(jié)合。雖然越來越多的系統(tǒng)采用無線微控制器來支持交互式控制，但這種組合為高效的光采集提供了基礎(chǔ)，而不需要復(fù)雜的通信方案。

原則上，LED提供的光線易于控制。 LED的輸出是正向電流的近似線性函數(shù)，并且為了提供一致的照明，它需要恒定的驅(qū)動(dòng)電流。通常，隨著LED結(jié)加熱，亮度與電流曲線變平，由于溫度升高導(dǎo)致的特性效率損失而浪費(fèi)能量。

圖1：LED輸出與電流的關(guān)系圖。

實(shí)際上，只要頻率快于人眼可以檢測到的頻率，流向LED的電流就可以短時(shí)間中斷。通常，200Hz的開關(guān)頻率避免了人們注意到燈閃爍的情況。 LED的有效電流和因此感知的亮度水平變得與調(diào)光電路提供的波形的占空比成比例。這使得脈沖寬度調(diào)制(PWM)成為實(shí)現(xiàn)高效LED調(diào)光的有效方法。

專為PWM工作而設(shè)計(jì)的LED功率控制器，如德州儀器TPS92640，使用標(biāo)準(zhǔn)PWM提供2500：1的調(diào)光范圍在分流FET的幫助下調(diào)光和20000：1。在該系列的另一個(gè)成員TPS92641上使用并聯(lián)FET，克服了最小PWM周期時(shí)間對調(diào)光水平的限制。因?yàn)閷WM功率控制器的輸出級(jí)電感器充電和放電需要時(shí)間，所以可能需要比給定水平的光所需的電流更多的電流通過LED。通過激活與LED或串聯(lián)連接的LED串并聯(lián)的并聯(lián)FET，可以轉(zhuǎn)移大部分電流。 TPS92640和類似的控制器提供與分流FET的連接，以激活周期的可變部分，從而進(jìn)一步調(diào)暗LED。

PWM調(diào)光的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以更好地控制LED的亮度。輸出光譜，是使用熒光粉涂層的白光LED的一個(gè)重要方面。在低電流下，磷光體輸出占主導(dǎo)地位，這傾向于導(dǎo)致黃色色調(diào)。在高電流時(shí)，LED的藍(lán)光占主導(dǎo)地位。通過以特定電流驅(qū)動(dòng)LED，電路設(shè)計(jì)人員可以確保一致的色彩輸出。使用恒流策略是不可能的，其中需要改變電流水平以實(shí)現(xiàn)不同的調(diào)光水平。

TPS92640和TPS92641接受來自外部控制器的模擬或PWM輸入。智能照明系統(tǒng)將使用微控制器來實(shí)現(xiàn)感測邏輯和照明控制，這傾向于有利于使用PWM輸入的應(yīng)用。德州儀器(TI)生產(chǎn)的CC2650微控制器等設(shè)備可以連接2.4 GHz工作的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)，以及接收傳感器信號(hào)的眾多接口端口。

圖2：智能光捕獲燈具的方框圖。

德州儀器OPT3001可以向系統(tǒng)提供有關(guān)現(xiàn)有光照水平的信息。設(shè)計(jì)傳感器的光譜響應(yīng)與人眼的明視響應(yīng)緊密匹配。其過濾包括顯著的紅外抑制，以防止過高估計(jì)可收集的環(huán)境光量。

通過I 2 C總線提供結(jié)果，可以通過OPT3001從0.01 lux到83 klux，無需手動(dòng)選擇滿量程范圍。這是使用內(nèi)部滿量程設(shè)置功能執(zhí)行的。此功能允許在23位有效動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行光測量。通過分離最重要的半字節(jié)，從通過I 2 C發(fā)送的每個(gè)測量字中提取數(shù)據(jù)。此高位半字節(jié)包含一個(gè)比例因子，需要應(yīng)用于三個(gè)低半字節(jié)以提供勒克斯值。

OPT3001可以連續(xù)執(zhí)行測量或作為單次讀數(shù)，在100 ms或800 ms的時(shí)間段內(nèi)集成讀數(shù)，以消除其他人造光源噪聲源的影響。該器件有自己的中斷邏輯。這允許其在主機(jī)MCU可以睡眠的設(shè)計(jì)中使用，直到超過限制。這可以提高燈具在長時(shí)間不活動(dòng)的情況下的效率 - 例如陽光燦爛的日子。 OPT3001可以將其最新讀數(shù)與上限和下限寄存器進(jìn)行比較，并在遇到其中任何一個(gè)時(shí)產(chǎn)生中斷。 MCU可以通過I 2 C重新編程限制寄存器，以支持不同的操作模式。例如，一旦燈具處于活動(dòng)狀態(tài)，MCU就可以接受來自O(shè)PT3001的讀數(shù)，并且在下一次模式改變之前不需要傳感器根據(jù)上限或下限進(jìn)行中斷。或者，MCU可以關(guān)閉OPT3001以節(jié)省功耗并使用定期讀取的單次讀數(shù)。每次單次讀取后，OPT3001都會(huì)關(guān)閉。

有些系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能會(huì)選擇將OPT3001集成到燈具本身。其他人可能會(huì)使用耦合到無線微控制器的分布式OPT3001傳感器將地板水平的光強(qiáng)度數(shù)據(jù)傳回?zé)艟?，每個(gè)燈具內(nèi)的本地MCU集成了結(jié)果，以計(jì)算LED燈串本身所需的PWM比率。

圖3：OPT3001與主機(jī)MCU之間的連接。

智能燈具中另一個(gè)重要組件是溫度傳感器。這可用于確保LED免受過溫條件的影響。 MCU不僅可以通過降低LED的功率來響應(yīng)這些功能，以保護(hù)設(shè)備，還可以通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出警報(bào)。合適的溫度傳感器是Texas Instruments LMT84。這是一款精密CMOS溫度傳感器，提供模擬輸出，可用于饋入CC2650的一個(gè)ADC端口。 LMT84的輸出電壓與溫度成線性和反比。該設(shè)計(jì)具有瞬態(tài)負(fù)載要求，適用于驅(qū)動(dòng)典型的ADC采樣保持輸入，因此可以持續(xù)監(jiān)控?zé)艟邇?nèi)的熱狀況，從而提高壽命和效率。

結(jié)論

總的來說，通過將傳感器與基于MCU的智能和合適的電源轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，可以構(gòu)建智能燈具，不僅可以最大限度地利用自然光，而且可以相互配合，在大空間內(nèi)提供一致的照明。