無懼環境變化,一款優異的智能照明電路設計解決方案
發布時間:2019-07-23
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無懼環境變化,一款優異的智能照明電路設計解決方案
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LED 照明的數字化本質顯著增強了可控制性,利用這種可控制性,我們可以實現眾多不同的照明效果,從調光和顏色變換到基于占位的特性。照明已經實現了智能化,提供靈敏的響應,但如果與新興的物聯網 (IoT) 配合使用,并且部署更多的傳感器,它將能夠支持更強大的功能。例如,如果街燈配備了攝像頭、接近傳感器或空氣質量傳感器,則可為智能城市管理發揮輔助作用。嵌入民用燈具內部的傳感器可以增強危險檢測或應急呼叫。

如何能夠經濟高效地將新一代智能燈具引入到現有網絡中?這個問題亟待解決。物聯網是一個快速發展的領域,但現今已安裝新型 LED 燈具的用戶卻期望燈具在使用很長時間之后再進行升級,從而最大程度地提高他們的投資回報。這正是新型智能燈具大展身手的舞臺,因為它們帶有功能全面及可升級的傳感器接口,能夠隨時利用云技術的快速進步,為用戶提供更多價值。

照明和物聯網

人們對智能照明的寬泛理解是實現燈具響應自動化,例如調光或開關控制,旨在增強用戶舒適度并節省電能。環境光傳感器 (ALS) 可用于檢測自然光的多少,從而相應地調節燈具的輸出。該傳感器必須位于接近燈具的位置,以便提供環境條件的相關指示,但它的定位又必須最大程度地避免暴露在燈具自身的光線下,以防止出現不適宜的調光和亮度調節。

Maxim Integrated 已經演示了如何將類似 MAX44009 的 ALS 應用于室外燈具設計,如圖 1 所示。該系統基于 Microchip PIC18LF4520 微控制器。硬件相對簡單,在 MCU 和傳感器之間使用簡單直觀的雙線纜連接。參考設計將 ALS 安裝在單獨的 PCB 上,以實現最佳傳感器定位。

如圖 2 的流程圖所示,智能照明控制器軟件可以測量環境光線,跟蹤時間,讓我們能夠通過簡單的用戶界面,對光照度閾值、早晚開關時間進行編程。圖中包括一個按鈕,還有兩個 7 分段顯示屏和指示燈 LED。Maxim 應用說明 AN5320 提供了十六進制格式的控制器軟件。

在監控該軟件管理的燈具附近區域的環境光照強度方面,ALS 可以發揮重要作用。另一方面,也可使用 PIR 傳感器進行占位檢測,打開或關閉相對位置較遠的燈具,這種技術應用于各個區域,例如在辦公室、零售店、工廠或家里。與 ALS 傳感器相同,PIR 傳感器也可以直接連接到燈具。另外,傳感器陣列能夠支持更高級功能,例如在有人走過時,對走廊進行分段照明,或者當工人進入倉庫從特定位置提貨時,有選擇地為倉庫中的某些區域照明。

接近傳感器作為云連接物聯網端點

Texas Instruments 提出了一種將 PIR 傳感器作為云連接物聯網端點部署的方法,可將占位數據發送到云應用。

Texas Instruments 的參考設計基于 CC1310 SimpleLink? 超低功耗次 1 GHz 無線微控制器。選擇用來調節模擬 PIR 傳感器信號的 LPV802 雙運算放大器和 TLV3691 雙比較器是毫微功耗器件,可以最大程度地降低整體功耗,讓傳感器能夠在沒有鈕扣電池的情況下獨立工作數年時間。TLV3691 比較器充當一個窗口,區分運動和噪聲,當檢測到運動時,它會為 CPU 生成中斷。這使 MCU 能夠在節能模式下工作,從而延長電池壽命,只有在需要將消息發送回到遠程主機時,才會喚醒 MCU。圖 3 顯示了傳感器節點的功能框圖。

CC1310 是一款多標準器件,能夠支持多種無線電協議,帶有 wM-Bus 和 IEEE 802.15.4g 協議棧。參考設計使用基于 IEEE 802.15.4 協議棧的應用來處理傳感算法,以及網關和傳感器節點之間的次 1 GHz 通信。

通過物聯網,更充分地利用智能照明

將傳感器連接至云之后,除了管理照明以及供暖或通風等其他服務之外,我們還可以通過很多方式利用它們的數據。這些數據還可用于監控使用模式,例如識別活動大于或小于正常水平的區域或時間。另外還可以實現一些先進的安防應用。PIR 傳感器可用于直接激活入侵者警報,云應用可以協調更復雜的響應,例如向關鍵人員發送短信報警,對入侵進行記錄并加上時間戳,然后執行受控制的防范禁閉。

這種與智能照明相關的數據的增強使用,可以支持廣泛的照明場景。燈具外殼可提供放置傳感器的理想位置,因為它通常安裝在發生活動的區域的上方,具有廣闊的無阻礙視場。如 CMOS 攝像頭等視覺傳感器也可以受益于燈光,捕捉高質量的圖像。

采用大量傳感器的照明系統在室內和室外均可應用。在智能城市中,街燈可以監控交通流量和道路使用情況。云應用可以提取關于道路施工影響、交通燈順序變化的寶貴信息,并且協調關閉街燈,以此優化節能,而不危害公民的安全。街燈也是放置攝像頭或用于檢測車輛的其他傳感器的理想位置,用于監控受控制的停車區域,為執法人員提供導向。相反,停車數據可作為一種服務提供給駕駛員,幫助他們尋找可用的停車位,以減少交通擁堵,避免不必要的尾氣排放。

智能互聯照明也可與家庭或工作場所的傳感器結合使用,在發生緊急情況的情況下,提供更多的視覺指示。對于存在聽力障礙的人員而言,這是非常實用的。另外,它也可向建筑外部的人員發出指示,向他們尋求幫助。

充分利用數據

在智能城市中,燈具維護可能是非常難于管理的,實施成本非常昂貴。如果連接到物聯網,燈具可以檢測自身的故障,并立即通知相關維護機構,提示需要更換或維修。我們可以設計傳感器來檢測其他故障,例如燈罩破碎或污損,需要更換或清潔。

通過智能照明收集的數據可為公共事業機構提供寶貴的信息,幫助他們計劃維修,并識別高峰需求時段。功耗數據對政府機構開展能源調查也是非常有用的。

所有照明系統是否都應該為物聯網準備就緒?

我們有很多機會在高級燈具中采用不同類型的傳感器,今后,隨著物聯網的功能和覆蓋范圍進一步擴展,還將會有其他很多傳感器問世。我們很容易設想,在今后某個時候,將有大量燈具需要進行升級,添加更多傳感器。

IoT-Ready? 聯盟已經指出,現在正是定義標準化傳感器接口的適當時機,這樣可以讓升級變得盡可能簡單。該機構指出,當前安裝的 LED 燈具的典型使用壽命為大約 15 年,隨著物聯網技術的快速發展,在 LED 燈具的典型使用壽命內,將需要進行多次升級。他們還指出,更改整個燈具來添加新的物聯網連接功能,這種做法不太經濟,將會增加不必要的成本。讓新的 LED 燈具為物聯網集成做好準備,可以節省這筆開支。該聯盟的目標是確定一種經濟高效的、影響很小的更改傳感器的方法,讓用戶能夠輕松地添加或升級傳感器。為了實現這個目標,該機構計劃定義電氣接口、連接器和機械外形尺寸。

此計劃能否得到主要燈具廠商和設計人員的認可,讓我們拭目以待。另一方面,有些公司可能打算“單打獨斗”,開發專有的解決方案,然后進行游說,讓他們的規范成為事實上的標準。無論是哪種情況,只有在能夠輕松連接至云、大量采用傳感器的新型燈具開始進入市場之時,業界期待的“智能照明”才能真正實現。

總結

與其他很多新的創新相同,智能照明可在短期內提供極具吸引力的優勢,而且它們的功能還能夠得到顯著演進,在未來提供更大的優勢。既然物聯網技術正在快速發展,照明行業也必須迅速采取行動,才能跟上這種發展步伐。

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