LED照明系统网络测控技术研究及应用

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我国正在快速崛起,能源战略举足轻重。LED照明的低能耗、长寿命也凸显了它在节能减排方面的优势。在这种大趋势下,随着LED照明成本不断降低以及技术瓶颈的不断突破,LED将成为照明市场的主力军。首先介绍和分析了智能照明网络测控系统的相关技术,然后重点分析智能照明系统的控制策略以及ZigBee无线通信技术。最后在此基础上提出了基于ZigBee的LED智能照明网络测控系统的整体方案,并对方案的设计做了简略的分析。论文的研究对象是LED灯具智能控制器,首先给出了智能控制器的硬件框图,然后分模块详细介绍了该控制器的硬件电路设计。LED灯具智能调光器分为五个模块:控制模块、PWM模块、测量反馈模块、无线网络及人机交互接口模块以及LED驱动电源模块。LED驱动电源模块负责满足LED对于电压电流的要求,同时对电流的恒流稳定做出保证,避免浪涌电流对器件芯片的损坏;PWM模块负责三基色的输出光通量(光强),即调整三色光各自在CIE色度表坐标上的位置,达到不同的混光要求,实现色温可调;控制模块用于控制系统的PWM脉宽输出,从而满足用户的亮度、色温设定,同时处理反馈信号,校正输出指标也是其重要功能之一;测量反馈模块用于电路的温度、三基色各自的光强以及两路光照度反馈给控制系统,用于校正输出指标;无线网络及人机交互模块接收上层的控制命令和实现用户与灯具控制器的交互。LED灯具智能控制器的软件设计主要包括多路传感器的数据采集程序以及亮度调节和色温调节两种核心算法。首先介绍了温度传感器,颜色传感器,光照度传感器以及ZigBee通信模块的软件设计流程,在此基础上分析传统的PWM调光算法,提出一种可以极大提高视觉刷新率的PWM平均脉冲分割算法,并对该算法进行了仿真,实验结果较好,相比传统PWM调光算法视觉刷新率提高数十倍;经过相关的光学理论及公式推导,研究出了一种自动匹配黑体轨迹的色温调节算法,该算法能根据目标色温的色品坐标推导出相应的三基色(红、绿、蓝)各自的亮度数值,通过不同亮度值的三基色LED混光就能达到色温动态可调的目的。并且对该算法进行了实验验证,验证结果良好,能完成在2000-9100K色温范围内实现色温可调。论文重点研究室内光照度智能控制算法。通过相关理论分析与计算,确定室内光照度传感器的安装区域,然后计算出室外光照度传感器对室内的影响系数,最后得出室内传递函数矩阵。在此基础上利用神经网络设计了实验室内光照度的分布模型,模型的设计为下文的天然光源和室内光源相结合的控制策略奠定了基础。然后利用遗传算法计算出工作桌面照度最优解(最接近国家标准桌面照度)。最后重点分析系统能耗,通过相关实验的验证:系统不仅能为实验室人员提供舒适的照明环境,还能降低50%以上的能耗,达到了节能减排的目的。
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