基于無線通信系統(tǒng)的數(shù)字化無極熒光燈照明應(yīng)用

摘要：無極熒光燈作為一種高效、節(jié)能的照明產(chǎn)品，在道路、隧道、橋梁、大型廠房場(chǎng)館等工程中具有廣泛應(yīng)用。而以此產(chǎn)品為基礎(chǔ)，配備數(shù)字化無線通信控制技術(shù)，可以更大限度的增加對(duì)實(shí)際工程中照明的控制，并進(jìn)一步提高節(jié)能降耗的效果，體現(xiàn)“綜合節(jié)能性”特點(diǎn)。本文從原理和實(shí)際應(yīng)用角度分析了一種獨(dú)立研發(fā)的新型的可調(diào)光無極熒光燈與數(shù)字化無線通信系統(tǒng)的技術(shù)匹配，并對(duì)此類高端技術(shù)在城市道路照明市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了一定預(yù)期。

隨著能源緊張日益成為各國關(guān)心的焦點(diǎn)，節(jié)能降耗成為擺在全世界人類面前最核心的話題。而在全球能源消耗中，照明用電占據(jù)了其總量的20% 至30%。因此研發(fā)和推廣高效、節(jié)能的照明產(chǎn)品和照明方式成為電光源行業(yè)中的關(guān)鍵。

本文首先介紹了目前國內(nèi)市場(chǎng)上主要的無極熒光燈產(chǎn)品，并分析了此類產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用和節(jié)能效果。同時(shí)，對(duì)調(diào)光無極燈技術(shù)給予了一定闡述，并對(duì)其實(shí)際應(yīng)用性給予了分析。

其次，通過調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的多個(gè)接口與數(shù)字化無線通信系統(tǒng)的匹配，可以有效進(jìn)行集群式的照明控制，做到定時(shí)或?qū)崟r(shí)開關(guān)、單燈狀態(tài)檢測(cè)、群組布置和中央控制臺(tái)監(jiān)測(cè)控制等集成化操作。真正讓智能化照明控制成為提供給市場(chǎng)的方案。

最后，對(duì)該技術(shù)及方案的市場(chǎng)前景進(jìn)行了一定預(yù)期，并對(duì)節(jié)能效果給予了一定闡述。

1 無極熒光燈

在光源與照明領(lǐng)域，無極熒光燈以其無電極長壽命的特點(diǎn)而被廣泛接受。該光源采用獨(dú)特的電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)生射頻信號(hào)，而通過鐵氧體磁芯或特質(zhì)線圈耦合交變電磁場(chǎng)能量進(jìn)入等離子體發(fā)光管，激發(fā)內(nèi)部汞產(chǎn)生253. 7nm 紫外譜線，并最終激發(fā)管壁內(nèi)部熒光粉材料產(chǎn)生可見光輸出。

無極熒光燈又根據(jù)鐵氧體磁芯安裝方式的不同而區(qū)分為內(nèi)置式和外置式兩種。內(nèi)置式無極燈以磁芯內(nèi)插入球形泡腔體內(nèi)為主，多采用MHz 級(jí)的自激式振蕩電路產(chǎn)生射頻信號(hào)進(jìn)行燃點(diǎn)。此類方式使得光源本身制作難度要求不高，球形燈管利于燈具配光設(shè)計(jì)，但整燈測(cè)試時(shí)EMC ( 電磁兼容性) 較難通過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

而磁芯外置式無極燈，則由磁芯外置于環(huán)形閉合燈管而啟動(dòng)燃點(diǎn)。頻率范圍一般在幾百KHz 級(jí)別。在頻率的選擇上，低頻率意味著需加大磁芯尺寸以增加整燈的感抗值; 而高頻率則由于傳導(dǎo)干擾和輻射干擾較難通過EMC 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)而成為瓶頸。同時(shí)，外置式無極燈還需要額外注意磁芯實(shí)際溫度、汞齊點(diǎn)溫度等問題。而其發(fā)光面積大的特點(diǎn)使得光源表面亮度相對(duì)HID 光源低，眩光容易控制;但燈具選型和配光設(shè)計(jì)成為該類光源的另一技術(shù)課題。

LVD 無極燈產(chǎn)品及其主要性能如表1 和圖1 所示:

表1 LVD-200W 無極燈基礎(chǔ)性能'

　圖1 LVD 無極燈產(chǎn)品實(shí)物圖'

將調(diào)光技術(shù)與無極熒光燈相結(jié)合，可以更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能照明。宏源公司通過自主研發(fā)的調(diào)光電子鎮(zhèn)流器， 可對(duì)LVD 無極燈進(jìn)行功率調(diào)節(jié)， 范圍從100% 到30%。光通總量與功率比例呈線性關(guān)系。

而客戶可通過自行匹配0 ～ 10V 外部DC 電壓信號(hào)，即可進(jìn)行連續(xù)調(diào)光控制。

將燈具與照明控制系統(tǒng)相結(jié)合，為客戶提供整套照明方案是照明領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。上海宏源通過LVD 無極燈電子鎮(zhèn)流器內(nèi)部引出控制接口，與無線通信設(shè)備進(jìn)行有效對(duì)接，可以實(shí)現(xiàn)由外部信號(hào)控制的開關(guān)、調(diào)光、啟動(dòng)檢測(cè)、重復(fù)啟動(dòng)控制等功能。

如圖2. c 所示，調(diào)光電子鎮(zhèn)流器與通訊系統(tǒng)模塊( 由無線通訊和MCU 組成) 進(jìn)行8pin 插針連接，其中對(duì)接信號(hào)包括:

(1) 通信系統(tǒng)需要的5V-DC 工作電壓;(2) 單燈開關(guān)控制信號(hào);(3) 分檔調(diào)光控制信號(hào)(30% ～ 100% 之間) ;(4) 光源開啟檢測(cè)，未啟動(dòng)時(shí)則進(jìn)行重復(fù)關(guān)斷再開啟。

圖2 LVD 各款電子鎮(zhèn)流器示意圖

a. 普通220V 市電電子鎮(zhèn)流器; b. 自配調(diào)光控制器的調(diào)光電子鎮(zhèn)流器; c. 匹配通訊模塊的調(diào)光電子鎮(zhèn)流器

2 通訊控制系統(tǒng)

數(shù)字化無極燈照明中，通過每個(gè)調(diào)光鎮(zhèn)流器與通信部件接口的匹配即可實(shí)現(xiàn)單燈的智能化控制和群組化控制。

以路燈智能化照明為例，首先劃分好路燈群組( 通常以一條馬路為一個(gè)群組) ， 通過單燈中MCU模塊設(shè)定該燈的編號(hào)( 即ip 地址)。由該群組控制器對(duì)最相近的路燈進(jìn)行開關(guān)、調(diào)光或定時(shí)控制，最相近的路燈中的通信模塊檢測(cè)此信息后即執(zhí)行該動(dòng)作，并進(jìn)一步將此信息傳遞給與其相鄰的其他路燈。

最終形成了從群組控制器發(fā)出指令，到最相近路燈執(zhí)行指令并再發(fā)送指令到其他相近路燈的循環(huán)傳遞過程。同時(shí)，每個(gè)路燈的通信模塊均為雙工通信，它們同樣通過傳遞的方式將每個(gè)燈執(zhí)行指令后的狀態(tài)信息反饋給群組控制器( 示意圖如圖3 所示)。

圖3 單個(gè)組群的路燈傳遞控制方式示意圖

其中近程短途通信采用ZigBee 技術(shù)，其基礎(chǔ)為IEEE 802. 15 標(biāo)準(zhǔn)。由于傳統(tǒng)無線協(xié)議很難適應(yīng)無線通信設(shè)備的低*費(fèi)、低能量和高容錯(cuò)性等的要求，故ZigBee 技術(shù)進(jìn)行了一定的擴(kuò)展提高， 即應(yīng)用IEEE 處理低級(jí)MAC 層和物理層協(xié)議，而其則針對(duì)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。其中網(wǎng)絡(luò)層采用平面路由協(xié)議，嵌入泛洪算法結(jié)合“閑聊”策略，具有短距離、低速率但高效、便利的特點(diǎn)。我公司采用的單燈通訊模塊的單方向上限傳輸距離為120米，即每個(gè)路燈會(huì)與其最接近的6 ～ 10 個(gè)路燈進(jìn)行相互通信傳輸信息( 兩側(cè)路燈共240 米的范圍)。

這樣保證了在某個(gè)路燈故障時(shí)，不會(huì)影響整個(gè)鏈條的信息指令傳遞。同時(shí)可鋪設(shè)及擴(kuò)展高達(dá)幾千個(gè)的網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)。

通訊模塊除設(shè)有天線、短程通訊接發(fā)收設(shè)備外，更配置了一個(gè)16 位工業(yè)用MCU 核( 如圖2. c 所示)。其工作于16MHz 時(shí)性能高達(dá)16MIPS，保證外部通信速率和內(nèi)部指令執(zhí)行速率均高效、無障礙化。

同時(shí)內(nèi)部具有A /D 轉(zhuǎn)換、定時(shí)/ 計(jì)數(shù)、PWM 及中斷功能，均可通過I /O 口加以實(shí)現(xiàn)，從而使得電子鎮(zhèn)流器等開關(guān)電源控制模擬量僅需要普通光耦即可與其銜接。同時(shí)，內(nèi)部具有JTAG 仿真功能( 與IEEE1149. 1 標(biāo)準(zhǔn)兼容) ，可以進(jìn)行PC 仿真并檢測(cè)狀態(tài)，從而使各類狀態(tài)模擬成為可能。

每個(gè)群組通過群組控制器執(zhí)行并記錄信息，即完成了對(duì)一條道路照明的直接控制。而通過對(duì)不同群組控制器的再編址方式，既可以通過一個(gè)中央控制站對(duì)一個(gè)大面積區(qū)域( 例如一個(gè)城市) 的所有路燈( 多個(gè)路燈群組) 進(jìn)行集中控制。其中群組控制器與本地控制主機(jī)采用長程通信方式。通信頻率采用國際認(rèn)可的2. 4GHz 微波頻率段進(jìn)行設(shè)定。可選擇FSK + DSSS 來避免帶內(nèi)多徑干擾。FSK 調(diào)制具有設(shè)備簡單、調(diào)制和解調(diào)方便等優(yōu)點(diǎn)，并且具有較好的抗多徑時(shí)延性能; DSSS 系統(tǒng)采用偽隨機(jī)碼的相關(guān)解擴(kuò)，只要多徑時(shí)延大于一個(gè)偽隨機(jī)碼的碼片，多徑就構(gòu)不成干擾，反而可以利用這一干擾能量來提高系統(tǒng)性能。同時(shí)還具有低功率、可迅速組網(wǎng)而不影響群組內(nèi)軟硬件設(shè)備等特點(diǎn)。

圖4 群組控制與中央總控制的信息傳遞示意圖

圖5 基礎(chǔ)控制流程示意圖

而本地主機(jī)進(jìn)一步可通過互聯(lián)網(wǎng)與其他地區(qū)的主機(jī)進(jìn)行通信。即可保證在其他地方可以很清晰的查看該地區(qū)的路燈控制情況。這一特點(diǎn)具有如下好處:

1、任何地區(qū)任何時(shí)候均對(duì)路燈監(jiān)控進(jìn)行透明化處理，保證客戶和廠家信息對(duì)稱一致;

2、便利于各地路燈處的管理和控制，做到控制精細(xì)化，節(jié)能效果實(shí)際化;

3、有利于形成范圍更廣的統(tǒng)一集中管理;

3 城市道路照明的應(yīng)用可行性

由于無極燈本身具有較高光效、較高顯色性、低光衰、白光照明的特點(diǎn)，所以能很明顯的體現(xiàn)出“綜合節(jié)能”的特點(diǎn)。即與同類型其他光源產(chǎn)品相比較，具有較為明顯的綜合參數(shù)指標(biāo)優(yōu)勢(shì)( 例如，與高壓鈉燈比較則光效稍低的情況下具有白光、高顯色性和低光衰的特點(diǎn); 而與金鹵燈相比較，則具有光效稍高、顯色性更好和低光衰的特點(diǎn))。而通過特制的無極燈路燈反光器，可以有效的形成整燈蝙蝠翼的配光曲線形狀( 最大光強(qiáng)角度示具體燈具不同而有差異) ， 使得無極燈路燈在保證整燈效率不低于65% 的前提下，照度均勻度在規(guī)定路燈情況下完全達(dá)到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

而配置了無線通信控制系統(tǒng)，則由于可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)和分段調(diào)光等智能化操作，保證相對(duì)現(xiàn)有路燈照明系統(tǒng)具有至少30% 的節(jié)能效果。即保證了從照明產(chǎn)品到照明方式上雙重節(jié)能的目的。

圖6 部分LVD 無極燈路燈樣品實(shí)物圖
 

( a. b. c. 為三種不同款式路燈實(shí)物，d. 為A 中路燈產(chǎn)品的子午面配光曲線圖)

4 結(jié)語

無極熒光燈作為一種目前被廣泛推廣的照明產(chǎn)品，如何更有效的利用其自身優(yōu)勢(shì)在綠色照明領(lǐng)域大展拳腳是擺在無極燈廠商以及科研院所面前的核心問題。上海宏源照明電器有限公司通過將無極燈照明系統(tǒng)匹配無線通訊系統(tǒng)控制，使得提供給客戶的綜合化節(jié)能方案更加智能化和便利化，做出了開拓性的嘗試。相信這一統(tǒng)一的路燈控制平臺(tái)，將會(huì)把無極燈的各方面優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)的淋漓盡致。