LED作為新興光源，得到了廣泛的重視。目前業(yè)界的研究重點在于其光學與熱學性能的改善，本文試圖從視覺工效學與智能照明的角度探索LED用于室內照明的優(yōu)越性。
作為近年來發(fā)展迅猛的光源，LED與傳統(tǒng)光源相比存在超長壽命、高光效、響應快、藝術性、安全、靈活、可靠性等顯著的優(yōu)勢。但目前LED主要應用場合還是背光源領域和路燈、景觀燈等室外照明領域，在室內照明領域，其依然存在著一些不足，例如成本高、顯色性不佳、高亮度、一致性有待提高。綜合LED以上優(yōu)缺點，從應用角度來說，在室內照明中，我們應充分利用LED的優(yōu)勢，并避免其缺點。未來，LED必將在室內照明得到廣泛的應用，其技術與照明控制相結合可以取得更為良好的效果。
LED與照明控制結合的關鍵
照明控制是利用計算機、無線通訊數據傳輸或電力載波通訊技術以及電器控制等技術組成的分布式照明測控系統(tǒng)，來實現對燈光亮度的強弱調節(jié)、定時控制，實現照明場景的區(qū)域化、個性化控制[1]。一般采用總線控制方式，要求受控燈具可以數字調光，并具有較好的快速響應特性。
目前照明控制一般是采用總線形式，對鹵素燈、具有數字調光整流器的熒光燈等進行數字調光，實現區(qū)域內燈具組合調光，環(huán)境照度調節(jié)，或者通過不同色溫的熒光燈進行色溫調節(jié)，照明表現手法尚比較單一。RGB混光LED技術的出現，使環(huán)境光色的調節(jié)成為可能，并且非常方便。LED調節(jié)一般采用PWM占空比調節(jié)方式，該方式可以很方便地用數字形式實現。只要在驅動器上預留數字接口，即容易實現與其它數字系統(tǒng)的通訊，使系統(tǒng)構建非常簡單。如圖1所示。
LED與照明控制結合的關鍵在于利用其靈活性與藝術性，選擇合適的系統(tǒng)拓撲結構。LED照明系統(tǒng)一般節(jié)點數目、通信信道較多，系統(tǒng)規(guī)模較大，并且對系統(tǒng)響應速度要求較高。
目前照明控制系統(tǒng)很多采用RS485總線控制，這是一種基于主從結構的控制方式，控制器通過主從應答方式和定時巡查，發(fā)出控制指令或者查詢傳感器探測值。RS485只規(guī)定物理層，便于與廠商對系統(tǒng)通訊的自定義。照明控制領域通行的做法是每個LED燈具內置一片MCU控制并通過RS485接口芯片連接到總線上。該方式簡單可靠，但應用層標準不統(tǒng)一，工程應用配置較為不便。
LED作為新興光源，得到了廣泛的重視。目前業(yè)界的研究重點在于其光學與熱學性能的改善，本文試圖從視覺工效學與智能照明的角度探索LED用于室內照明的優(yōu)越性。
作為近年來發(fā)展迅猛的光源，LED與傳統(tǒng)光源相比存在超長壽命、高光效、響應快、藝術性、安全、靈活、可靠性等顯著的優(yōu)勢。但目前LED主要應用場合還是背光源領域和路燈、景觀燈等室外照明領域，在室內照明領域，其依然存在著一些不足，例如成本高、顯色性不佳、高亮度、一致性有待提高。綜合LED以上優(yōu)缺點，從應用角度來說，在室內照明中，我們應充分利用LED的優(yōu)勢，并避免其缺點。未來，LED必將在室內照明得到廣泛的應用，其技術與照明控制相結合可以取得更為良好的效果。
LED與照明控制結合的關鍵
照明控制是利用計算機、無線通訊數據傳輸或電力載波通訊技術以及電器控制等技術組成的分布式照明測控系統(tǒng)，來實現對燈光亮度的強弱調節(jié)、定時控制，實現照明場景的區(qū)域化、個性化控制[1]。一般采用總線控制方式，要求受控燈具可以數字調光，并具有較好的快速響應特性。
目前照明控制一般是采用總線形式，對鹵素燈、具有數字調光整流器的熒光燈等進行數字調光，實現區(qū)域內燈具組合調光，環(huán)境照度調節(jié)，或者通過不同色溫的熒光燈進行色溫調節(jié)，照明表現手法尚比較單一。RGB混光LED技術的出現，使環(huán)境光色的調節(jié)成為可能，并且非常方便。LED調節(jié)一般采用PWM占空比調節(jié)方式，該方式可以很方便地用數字形式實現。只要在驅動器上預留數字接口，即容易實現與其它數字系統(tǒng)的通訊，使系統(tǒng)構建非常簡單。如圖1所示。
LED與照明控制結合的關鍵在于利用其靈活性與藝術性，選擇合適的系統(tǒng)拓撲結構。LED照明系統(tǒng)一般節(jié)點數目、通信信道較多，系統(tǒng)規(guī)模較大，并且對系統(tǒng)響應速度要求較高。
目前照明控制系統(tǒng)很多采用RS485總線控制，這是一種基于主從結構的控制方式，控制器通過主從應答方式和定時巡查，發(fā)出控制指令或者查詢傳感器探測值。RS485只規(guī)定物理層，便于與廠商對系統(tǒng)通訊的自定義。照明控制領域通行的做法是每個LED燈具內置一片MCU控制并通過RS485接口芯片連接到總線上。該方式簡單可靠，但應用層標準不統(tǒng)一，工程應用配置較為不便。
另一種應用較廣的是基于DALI總線的控制方式，該方式對系統(tǒng)內節(jié)點進行編址，數據信號由指令和地址組合而成，不同照明單元可以靈活分組，實現多種組合方式，并可設置16種照明場景，系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、兼容性很好。但是每個DALI網絡節(jié)點不超過64個，不便于大規(guī)模照明場合的應用。此外，DALI系統(tǒng)中刷新速度較慢，限制了LED的藝術表現能力。
LED控制領域目前應用較廣的為DMX512協議，該協議以幀為單位，每幀數據由同步頭和512個字節(jié)組成，以符合EIA 485標準的串行方式進行數據發(fā)送和接收，數據傳輸速率為250KBit/s。該方式傳輸速度快，系統(tǒng)規(guī)模大，被廣泛應用于舞臺燈光和戶外LED景觀照明等。但是該協議是單向傳輸模式，系統(tǒng)無法接收燈具信息或外部傳感器信號，無法滿足室內照明的封閉式、智能化需求。
經研究，我們認為，可以在室內照明中采用基于Zigbee無線通訊的分布式拓撲結構。工作頻率為2.4GHz無線頻段，可以同時容納60,000多個節(jié)點，控制范圍最遠可達10,000米，能應用于家居、酒店、商業(yè)照明等多種室內照明場所[2]，Zigbee網絡具有低功耗，自組織，方便定位等優(yōu)點，用于構建無線傳感與照明控制網絡具有相當的優(yōu)勢。
系統(tǒng)采用中央控制器控制的星型網絡結構。主控制器進行照明場景的設置、反饋信息的處理工作，通過無線網絡接收各傳感器的數據，并對所采集的數據進行相關算法計算，得到各節(jié)點的調節(jié)指令，并通過網絡把指令參數發(fā)送到相應節(jié)點。除了燈具節(jié)點和傳感器節(jié)點外，還有手持式遙控器進行簡單的控制操作。
各節(jié)點配備無線通訊模塊，Zigbee模塊具有協議簡單、低速率、低功耗的特點。由于協議相對簡單，對控制芯片要求較低，因而無線模塊成本較低，其傳輸速率約為10k~250Kb/s，正適用于照明控制這種數據量相對較少的應用場合。模塊功耗低，使用紐扣電池或普通干電池供電可工作六個月到兩年，非常適合室內各無線節(jié)點工作方式。系統(tǒng)框圖如圖2所示。
視覺舒適性的應用
在室內工作與生活中，人們不但要求視覺功能性的滿足，對視覺舒適度也有很高的要求。要求合理控制眩光，選擇合適的色溫和光色等。
在要求視場的眩光方面，對白光LED既是優(yōu)勢又是挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)光源相比，等光通情況下，LED發(fā)光點體積非常小，光束角也較小，因此其光出射方向容易控制，但另一方面，通常LED表面亮度極高，光強較為集中，最大光強分布處若處理不當則容易對觀測者造成眩光。研究表明，不舒適眩光不但會引起工作效率的下降，同時也會造成視覺疲勞和頭痛等不良反應。因此在室內應用中，對其燈具的一次和二次光學設計有很高的要求。
此外，由于LED為窄光譜光源，白光LED產生的白光缺乏紅、黃成分，與人們所習慣的熒光燈白光有較大的區(qū)別，色溫也通常偏高。若使用RGB混光LED，雖能形成任意色溫的白光，但較大的色差會影響視場整體的舒適和美觀。除了提高涂粉工藝和選擇高質量芯片外，可以在應用中盡量使用間接照明，或選擇光源的色溫與要求的照度相適應。圖3所示是照度與色溫對應的舒適區(qū)域[3]。
控制方面，光色傳感器、紅外傳感器、照度傳感器等與LED的結合和靈活的系統(tǒng)配置可以有效提高用戶舒適性感受。可通過檢測外界照度自動調光實現恒照度照明或者結合時間變化調節(jié)LED光強、光色或色溫，實現照度、色溫對自然光變化的模擬，使照明符合人體生理節(jié)律曲線。也可以通過人員感應器等，以及對不同光色的搭配，使照明符合特定應用場景的用戶功能需求和心理需求，即所謂情景照明。