摘要：  本文分析了高效节能智能调控的室内半导体情景照明系统，提出了智能照明或灯光控制系统设计方案。

关键字：  智能照明，  控制系统，  情景照明，  现场可编程阵列

Smart energy efficient lighting system features and application scenarios

Abstract：This paper analyzed indoor semiconductor scene lighting system of efficient energy-saving controlling and intelligent illumination or lighting controlling system at design plan & application.

Key words：intelligent illumination;controlling system;scene lighting;FPGA

现代建筑和居室内的照明不仅为人们的工作、学习和生活提供良好的视觉条件，而且要利用造型光色营造出具有一定美感的室内环境。于是智能照明控制系统应运而生，随着绿色照明工程计划的实施，智能调控的半导体情景照明系统也逐步得到了发展。

智能调控的半导体室内情景照明技术将半导体照明技术与现代智能照明系统的设计理念相结合，为家庭和智能大厦室内照明人性化的照明解决方案，同时需要兼顾施工、布线和维护的工程便利性。

智能照明控制系统通过总线通信来实现控制，系统配有简单的可编程序控制模块。它的优点在于控制线与灯具电源线分置，照明电源控制模块之间和开关控制器之间通过总线连接，使各个分散的操作元件有机地结合起来，于是，照明电源线路与开关控制回路不再是传统的一一对应关系，而是形成开放的控制关系。控制模式可通过编程实现。本文将对智能调控的室内半导体情景照明与智能照明控制系统设计方案的应用作分析。

1 智能照明控制系统设计方案

1) 设计思想：智能照明控制设计思想是通过智能控制系统增强室内照明管理，提高节能效率。

在智能住宅的客厅、餐厅和书房等公共空间，可将智能灯光控制系统设定成多组灯光回路、多种模式：①睡眠模式可熄灭全部公共空间的灯光，只留下走廊灯的夜灯功能;②主人出外归来时采用欢迎模式，将电动窗帘全部打开，同时打开间接照明和走廊灯光 ;③宴客聚会模式可将起居室的所有灯光打开，以满足聚会的灯光需求;④全家用餐模式聚焦于厨房与客厅之间的吧台区域，客厅的吊灯照明营造温馨的气氛。

对于屋主而言，这种结合居家空间与生活理念的灯光设计，将带来新的生活体验，提升了生活的整体质量。

2) 方案以实际需求为基础：智能灯光控制系统设有多组I/O模块，可将灯光与电动窗帘联动，可调配灯光的亮度与组合，必须按不同的使用需求设计和实施不同的呈现效果;另一方面，智能灯光控制系统通过一键式操作控制面板，经由网络控制不同空间的灯光组合，因此灯光控制系统智能化是其技术特征。

1.1 智能LED灯光控制系统特征

传统LED的每一个灯头都需要一个AC-DC电路，智能灯光控制系统用于小功率设计时，负责向每一个灯头供电，整个系统只需要一个AC-DC变换电路，强电部件的锐减将带来系统可靠性的大幅度提升和整体成本的显著下降。图1为智能灯光控制系统内部结构示意图。

在图1中，按照每个电缆接口提供20W最大电功率计算，采用360W的AC-DC电源，可以同时驱动至少k=16路的电缆，合计最多64个LED灯头，最大相当于320W×8=2560W的白炽灯照明，这对于普通家庭照明已经足够用了。按照80%效率估算，AC-DC满功率输出时，约耗电网功率410W，结合智能的照明策略控制，节电效果将至少再提高30%。

图1 智能灯光控制系统内部结构图

1) 采用Spartan-4 FPGA型为智能灯光控制系统主芯片。由于现场可编程阵列(field programmable gate array，FPGA)是一种嵌入式IC，使用计算元件可配置矩阵，以硬件的逻辑进行软件设计。与传统微处理器和DSP的固定计算功能不同，FPGA设备重新布置内部结构以执行计算任务。FPGA在设计上是完全平行的，因此很多应用子系统可以使用专门硬件资源，独立同步运行。在FPGA构造当中，将软件代码转化成高度优化的硬件的实施方法被称作合成。由于可能有多种硬件实施方法可以满足要求，FPGA编译器可以进行复杂的优化、路径选择和确认。设计采用信息流的形式。

控制系统的主芯片采用Spartan-4 FPGA芯片，片上拥有丰富的存储器资源和用于实时数据运算的硬件乘法器资源，这些逻辑资源为复杂的情景照明控制和智能控制策略提供了充足的硬件基础，同时FPGA性能稳定，几乎不会出现死机现象。

2) LCD面板为用户提供交互信息显示，根据不同的设计要求，可以用按键输入或触模屏方式输入控制参数。情景模式数据存储在Flash之中，并可以通过USB-RS 232接口，由台式或笔记本软件进行查询与修改，以方便系统功能的在线升级。RAM存储器根据实际需求，选择SRAM或SDRAM，主要用来进行复杂运算的临时数据存储，或者作为在FPGA中实现嵌入式处理器NIOSⅡ时所必需的外部存储器。

3) 控制系统中的I/O扩展主要用于实现红外遥控功能和有线遥控面板功能。在房间较多和较大时，有必要多扩展出一些控制面板，以方便使用;在要求较高的场合也可以使用红外遥控方式，将红外接收探头分布到所有要控制的范围内，就可以方便地进行情景照明控制了。

利用FPGA的丰富逻辑资源，可以将外围电路设计的复杂度降低，数字信号处理可提高可靠性并增强智能化程度。在控制盒中，可以集成诸如色温、亮度、闪烁、眩彩模式、儿童房间和情绪等参数控制，并可独立设定触发这些情景照明模式的条件，利用台式或笔记本电脑软件，不仅可以控制所有的灯头，而且可以将所有灯头的运行状态参数记录下来，根据厂家提供的LED参数衰减规律，在适当的时期自动修改LED的驱动参数，从而可以补尝照明特性的衰减。

1.2 关于智能照明控制系统特点

智能照明系统的实现有两种方式：1)用BA控制。优点：可充分利用BA系统的DDC控制器，照明控制系统与BA系统集成度高。缺点：器件适用性和标准性差，不适合大系统。2)采用基于网络的智能照明控制系统。优点：产品标准化和机电一体化程度好，系统软件的专一性和开放性为照明系统的可靠控制提供了保证。缺点：系统相对独立，可利用的已有机电资源较少，因而相对造价较高。

基于网络的智能照明控制系统有下述优点：1)布线总线化：利用数据总线实现照明线路与开关设备的一线控制，提高布线设计和施工的灵活性;2)系统智能度高：可根据工作场所的不同需求，通过计算机系统对照明系统实施人工智能控制，有利于节约成本和能源;3)设置人性化：可根据管理的需要设定系统的状态，可根据传统的习惯布置控制设备;4)管理安全化：可通过各系统的集成联网功能，提高应急照明系统的可靠性和安全性;5)控制多元化：可实现照明环境的预置，在同一空间内营造不同的光影氛围，可实现多处和多点对同一区域的照明控制;6)布置灵活：灯具的布置与开关控制设备的完全分置，为室内布置的调整提供了条件。

与传统的照明系统相比，智能照明系统尚具有一系列优点：1)总体成本低：初期投资费用较高，但运行维护费用低;2)操作安全。一般采用24V或36V低压;3)安装简单。一对控制电缆取代复杂的传统布线;4)维护方便。单个部件损坏不影响系统的整体性能;5)功能丰富。可实现灯光的任意组合;6)软件设置即可实现优异的可扩展性;7)便于系统集成：配有通讯单元。

据有关资料统计，对大型建筑，利用智能照明控制系统的各种控制手段及基本功能，可节省20%～40%的照明用电。

1.3 居家新型多种情境模式的设定

居家应用智能灯光控制系统时，屋主可以依照需求，随时轻松调整客厅空间的灯光;可以通过简易的面板操作，实行不同灯光的组合控制，同时可以设定与窗帘的联动，调整空间的光线，使居家环境有截然不同的气氛。

客厅的灯光配置分为宴客聚会、午茶模式、浪漫模式、剧院欣赏和休憩模式等5种。通过回路设定调配灯光，在启动约5秒后改变效果。1)宴客聚会模式打开客厅所有的灯光，以满足聚会时的灯光需求，客厅、餐厅的壁灯和电视墙上的壁灯也同步有不同的明暗设定，使空间感觉明亮宽敞，室内别致高雅。2)午茶模式时将餐厅与客厅的壁灯设定为30%的亮度，同时开启展示柜和收纳柜的间接灯光，增添午茶时光的温馨气氛。3)浪漫模式最适合于夫妻两人独处时。可将餐厅的壁灯调整为15%亮度，使空间氛围温柔浪漫。4)在使用客厅的视听设备时使用剧院欣赏模式，微亮的聚光灯和辅助的立灯可在不影响影片观赏的情况下，维持环境必要的亮度。

2 室内半导体智能情景照明系统基本架构与应用

2.1系统基本架构

近年来，人们对照明器具节能和科学管理提出了高的要求，提高了照明控制在智能楼宇领域的地位。

本文介绍面向家庭用户的半导体室内情景照明技术方案，图2为半导体室内情景照明系统架构示意图。

图2 半导体室内情景照明系统架构示意图

图2中每一个LED控制盒按不同的设计容量可以接入若干组LED灯具组，每一个LED灯具组由1-N个LED灯头组成;控制盒之间经通讯电缆，连接成菊花链的拓扑结构，并由唯一的主控制盒与PC机通讯，通过PC机的控制软件，获得更加丰富的智能控制功能。每一个控制盒和LED灯头内部都预存有若干照明模式，控制盒可以脱离PC机，对接入的灯具组进行预存模式的任意组合;每—个灯头上面都预留传感器的数字接口，可以方便地将红外和超声等运动探测器的信号接入网络，同时每个灯头内部均集成光敏电阻探测器，根据实际环境亮度，自动调整LED亮度输出。控制盒可以访问灯头内部状态参数，并可以根据灯头外括的运动、语音和光照传感器，综合调度接入灯头的亮度分布和显示组态等参数，以满足节能、高效并符合不同情境模式下人们对环境光照的要求。

由此可见，整个系统由三大部分构成：LED灯具组、LED控制盒和PC控制软件。其中LED灯具组和控制盒组成基本照明单元，可根据客户不同程度的要求，进行相应的功能扩展，再将控制盒与PC机软件相结合之后，可以在PC机上对整个照明系统进行管理和灯头运行状态监控。

2.2 室内半导体智能情景照明系统应用实例

该室内半导体智能情景照明系统应用广泛，尤以作为企业环保节能的选择为最佳实例。因该智能情景化的居家灯光设计可以实现在企业办公大楼中，不仅符合不同应用的需求，还可达到环保节能的功效。例如在公司的会议室中，以节能、简报、演讲和产品发表等不同的应用需求，设定不同的灯光组合;1)在简报模式，搭配3D投影设备，可让产品呈现更为清晰;2)在会议模式，搭配合宜的照明和镜头配置，让双方沟通畅行无阻;3)在白板模式，可让光线聚焦在白板的空间，使观看白板更加清晰;4)而在讨论模式，则设定为整体空间明亮度提高，让会议进行更顺畅。5)其它公共空间则配合产品发表会或活动的需要，使灯光可调控为渐进的效果配置。6)在平常时间，灯光设定为省电节能，提供基本的照明。7)公司的迎宾大厅除了基本的照明光源之外，采用投射灯的设计，可让大厅的陈列艺术品更加突出，增强空间展示的效果。

图3为智能情景照明系统在公司会议室中的应用示意图。这些利用智能情景照明系统的贴心设计，不仅可满足企业不同的办公环境使用需求，达到最佳的空间和应用效果，同时也让企业的节能措施有了具体落实之道。

图3 智能情景照明系统在会议室中的应用

3 有关半导体情景照明系统在设计与应用上需考虑的问题

为满足各类高效节能、智能调控的室内半导体情景照明系统，关键技术在于开发高效、长寿、低维护的LED灯头，开发可以组建大规模照明控制的智能控制箱以及开发情景照明控制与管理软件等。然而对这基于半导体照明的LED光源应用系统来说，在设计或使用中应考虑如下几个问题。

3.1 光源和灯具的发光效率是照明的主要指标，发光效率低将直接导致光通量不足，从而限制光源的应用。但是发光效率不是唯一指标，还有色温、显色性、色域、色容差等也是重要指标，而且照度和色温之间有一定的匹配关系，人才会感到舒适和自然，见图4所示照度与色温度匹配的关系曲线示意图。

图4照度与色温度匹配的关系曲线示意图。

从图4中可以看出，高色温对应高照度，低色温对应低照度，这样才符合人对照明的需求。

3.2 目前LED照明上存的问题。

*光谱质量和光源稳定性问题。由于LED是半导体器件，因此其光、电、色参数将随温度以及环境的改变而变化，散热性和稳定性有待改进。大功率白光LED仍是高亮度、低照度，且容易产生眩光，用于照明需要特殊的配光设计。

与用于显示的光源不同，照明光源对光谱质量和光源稳定性有非常严格的标准，LED在这点上目前仍有较大差距。灯光颜色的一致性也相当重要，目前LED器件要满足这个颜色一致性要求还有一定的难度。

*参数离散性问题。由于LED照明需由多个LED管组成，其参数离散性也是一个技术问题。除了通过预选、分类，尽量保证一致性以外，还必须设计合理的灯具结构和研究合适的驱动电路，防止偶尔产生的能量集中而烧毁部分LED。

*白光LED寿命问题。随着白光LED的制造和驱动技术的不断完善，其寿命将会越来越长。由于LED本身电特性的影响，微小到几毫安的电流波动也会对LED寿命产生极大的影响。目前国内LED产品基本上都采用定电压的技术，因此LED上的电流波动很大，很容易损坏LED，而应用定电压和定电流相结合的技术可确保超高亮度LED的寿命。

*电路保护问题。多个LED组成一只照明灯具时，需要对LED进行并、串联。如果有一只LED短路或开路，都将会导致小片或整条LED熄灭，影响照明效果。为此，必须研究简单而廉价的保护电路，使这种不良影响降至最低限度。

*LED行业标准有还比较滞后，了对行业的发展有所影响。

由上可以说照明发展中有色温范围、照明标准、亮度范围、照明总均匀度和眩光控制等五个需要解决的问题。那就是：最合适的LED照明灯具色温范围，应该是接近太阳自然白光的色温范围才是最科学的选择;较低照射强度的自然白光，就可以达到其它非自然白光不可比拟的照射效果;最经济的路面亮度范围应该在2cd/m2以内;提高照明总均匀度和消除眩光是节能降耗的最有效途径。

3.3 设计照明控制系统除灯具外还必须考虑系统的节能。为此可从下述几方面着手：

*用光场所：控制系统通过按光源类型、方案规划、建筑装饰的光洁度、陈设物品的布置等实际情况，采用不同灯具和控制装置以及日光的可用性来构建控制区域，灵活正确地将光投射到需要照明的场所。

*用光时间：有效的照明控制系统应确保照明时间运作的精确性，这取决于空间占用、开启或关闭灯基于时间或阈值设定等诸多因素。一般，当空间占无法预测时，可以采用空间占用传感器检测被监视区域中是否有人存在并自动打开和关闭区域内的灯光;或像路灯那样，完全可以通过设定环境光量阈值的方法实现用光时间的自动控制。

*正确的光量：控制系统根据空间执行任务的类型作出提供照明光量的正确判定。

*视觉性能：控制系统通过提升视觉性能，如会议室或体育馆等共享空间的多用途照明;适合空间演变要求造成特定效果的光照;餐厅及类似应用中设置情绪的照明;提高办公室和其它工作环境中照明的个人控制效能以增进工作人员的满意度;增强空间美感和想象力和防止污染最大限度地提高照明性能。

4 结 语

虽然智能照明系统最基本的功能是开关和调光，似乎与传统的照明系统并无二致，但前者以自动控制为主，人工控制为辅，一般情况下不需要用户的参与，照明系统自动实现开关和调光功能，既大大减少了管理人员的数量，也排除了人为对开关的误操作而影响秩序的情况出现。

新型智能照明控制系统为生活增添情趣，以往在科幻电影中才能看到的未来生活场景，随着智能科技普遍应用逐渐变为现实。上述智能灯光控制系统就成为居家与公共空间设计时的好帮手，不仅为使用者带来更多便利，也提升了整体的生活质量。通过灯光科技和各种生活机能配置，可成就出具有便利功能并兼具科技智慧的居家空间。这种结合科技的智能化生活，并不是电影中才有的场景，而是已经可以在现实生活中呈现的情境。