基于无线通信系统的数字化无极荧光灯照明应用

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无极荧光灯作为一种高效、节能的照明产品，在道路、隧道、桥梁、大型厂房场馆等工程中具有广泛应用。而以此产品为基础，配备数字化无线通信控制技术，可以更大限度的增加对实际工程中照明的控制，并进一步提高节能降耗的效果，体现“综合节能性”特点。本文从原理和实际应用角度分析了一种独立研发的新型的可调光无极荧光灯与数字化无线通信系统的技术匹配，并对此类高端技术在城市道路照明市场应用进行了一定预期。
　　随着能源紧张日益成为各国关心的焦点，节能降耗成为摆在全世界人类面前最核心的话题。而在全球能源消耗中，照明用电占据了其总量的20% 至30%。因此研发和推广高效、节能的照明产品和照明方式成为电光源行业中的关键。
　　本文首先介绍了目前国内市场上主要的无极荧光灯产品，并分析了此类产品的实际应用和节能效果。同时，对调光无极灯技术给予了一定阐述，并对其实际应用性给予了分析。
　　其次，通过调光电子镇流器的多个接口与数字化无线通信系统的匹配，可以有效进行集群式的照明控制，做到定时或实时开关、单灯状态检测、群组布置和中央控制台监测控制等集成化操作。真正让智能化照明控制成为提供给市场的方案。
　　最后，对该技术及方案的市场前景进行了一定预期，并对节能效果给予了一定阐述。
　　1 无极荧光灯
　　在光源与照明领域，无极荧光灯以其无电极长寿命的特点而被广泛接受。该光源采用独特的电子镇流器产生射频信号，而通过铁氧体磁芯或特质线圈耦合交变电磁场能量进入等离子体发光管，激发内部汞产生253. 7nm 紫外谱线，并最终激发管壁内部荧光粉材料产生可见光输出。
　　无极荧光灯又根据铁氧体磁芯安装方式的不同而区分为内置式和外置式两种。内置式无极灯以磁芯内插入球形泡腔体内为主，多采用MHz 级的自激式振荡电路产生射频信号进行燃点。此类方式使得光源本身制作难度要求不高，球形灯管利于灯具配光设计，但整灯测试时EMC ( 电磁兼容性) 较难通过国家相关标准。
　　而磁芯外置式无极灯，则由磁芯外置于环形闭合灯管而启动燃点。频率范围一般在几百KHz 级别。在频率的选择上，低频率意味着需加大磁芯尺寸以增加整灯的感抗值; 而高频率则由于传导干扰和辐射干扰较难通过EMC 相关标准而成为瓶颈。同时，外置式无极灯还需要额外注意磁芯实际温度、汞齐点温度等问题。而其发光面积大的特点使得光源表面亮度相对HID 光源低，眩光容易控制;但灯具选型和配光设计成为该类光源的另一技术课题。
　　LVD 无极灯产品及其主要性能如表1 和图1 所示:
表1 LVD-200W 无极灯基础性能


图1 LVD 无极灯产品实物图
　　将调光技术与无极荧光灯相结合，可以更好地实现节能照明。宏源公司通过自主研发的调光电子镇流器， 可对LVD 无极灯进行功率调节， 范围从100% 到30%。光通总量与功率比例呈线性关系。
　　而客户可通过自行匹配0 ～ 10V 外部DC 电压信号，即可进行连续调光控制。
　　将灯具与照明控制系统相结合，为客户提供整套照明方案是照明领域的发展趋势。上海宏源通过LVD 无极灯电子镇流器内部引出控制接口，与无线通信设备进行有效对接，可以实现由外部信号控制的开关、调光、启动检测、重复启动控制等功能。
　　如图2. c 所示，调光电子镇流器与通讯系统模块( 由无线通讯和MCU 组成) 进行8pin 插针连接，其中对接信号包括:
　　(1) 通信系统需要的5V-DC 工作电压;(2) 单灯开关控制信号;(3) 分档调光控制信号(30% ～ 100% 之间) ;(4) 光源开启检测，未启动时则进行重复关断再开启。

图2 LVD 各款电子镇流器示意图
a. 普通220V 市电电子镇流器; b. 自配调光控制器的调光电子镇流器; c. 匹配通讯模块的调光电子镇流器
　　2 通讯控制系统
　　数字化无极灯照明中，通过每个调光镇流器与通信部件接口的匹配即可实现单灯的智能化控制和群组化控制。
　　以路灯智能化照明为例，首先划分好路灯群组( 通常以一条马路为一个群组) ， 通过单灯中MCU模块设定该灯的编号( 即ip 地址)。由该群组控制器对最相近的路灯进行开关、调光或定时控制，最相近的路灯中的通信模块检测此信息后即执行该动作，并进一步将此信息传递给与其相邻的其他路灯。
　　最终形成了从群组控制器发出指令，到最相近路灯执行指令并再发送指令到其他相近路灯的循环传递过程。同时，每个路灯的通信模块均为双工通信，它们同样通过传递的方式将每个灯执行指令后的状态信息反馈给群组控制器( 示意图如图3 所示)。

图3 单个组群的路灯传递控制方式示意图

        其中近程短途通信采用ZigBee 技术，其基础为IEEE 802. 15 标准。由于传统无线协议很难适应无线通信设备的低*费、低能量和高容错性等的要求，故ZigBee 技术进行了一定的扩展提高， 即应用IEEE 处理低级MAC 层和物理层协议，而其则针对网络层协议和API 进行了标准化。其中网络层采用平面路由协议，嵌入泛洪算法结合“闲聊”策略，具有短距离、低速率但高效、便利的特点。我公司采用的单灯通讯模块的单方向上限传输距离为120米，即每个路灯会与其最接近的6 ～ 10 个路灯进行相互通信传输信息( 两侧路灯共240 米的范围)。

　　这样保证了在某个路灯故障时，不会影响整个链条的信息指令传递。同时可铺设及扩展高达几千个的网络控制节点。
　　通讯模块除设有天线、短程通讯接发收设备外，更配置了一个16 位工业用MCU 核( 如图2. c 所示)。其工作于16MHz 时性能高达16MIPS，保证外部通信速率和内部指令执行速率均高效、无障碍化。
　　同时内部具有A /D 转换、定时/ 计数、PWM 及中断功能，均可通过I /O 口加以实现，从而使得电子镇流器等开关电源控制模拟量仅需要普通光耦即可与其衔接。同时，内部具有JTAG 仿真功能( 与IEEE1149. 1 标准兼容) ，可以进行PC 仿真并检测状态，从而使各类状态模拟成为可能。
　　每个群组通过群组控制器执行并记录信息，即完成了对一条道路照明的直接控制。而通过对不同群组控制器的再编址方式，既可以通过一个中央控制站对一个大面积区域( 例如一个城市) 的所有路灯( 多个路灯群组) 进行集中控制。其中群组控制器与本地控制主机采用长程通信方式。通信频率采用国际认可的2. 4GHz 微波频率段进行设定。可选择FSK + DSSS 来避免带内多径干扰。FSK 调制具有设备简单、调制和解调方便等优点，并且具有较好的抗多径时延性能; DSSS 系统采用伪随机码的相关解扩，只要多径时延大于一个伪随机码的码片，多径就构不成干扰，反而可以利用这一干扰能量来提高系统性能。同时还具有低功率、可迅速组网而不影响群组内软硬件设备等特点。

  
图4 群组控制与中央总控制的信息传递示意图

图5 基础控制流程示意图
　　而本地主机进一步可通过互联网与其他地区的主机进行通信。即可保证在其他地方可以很清晰的查看该地区的路灯控制情况。这一特点具有如下好处:
　　1、任何地区任何时候均对路灯监控进行透明化处理，保证客户和厂家信息对称一致;
　　2、便利于各地路灯处的管理和控制，做到控制精细化，节能效果实际化;
　　3、有利于形成范围更广的统一集中管理;
　　3 城市道路照明的应用可行性
　　由于无极灯本身具有较高光效、较高显色性、低光衰、白光照明的特点，所以能很明显的体现出“综合节能”的特点。即与同类型其他光源产品相比较，具有较为明显的综合参数指标优势( 例如，与高压钠灯比较则光效稍低的情况下具有白光、高显色性和低光衰的特点; 而与金卤灯相比较，则具有光效稍高、显色性更好和低光衰的特点)。而通过特制的无极灯路灯反光器，可以有效的形成整灯蝙蝠翼的配光曲线形状( 最大光强角度示具体灯具不同而有差异) ， 使得无极灯路灯在保证整灯效率不低于65% 的前提下，照度均匀度在规定路灯情况下完全达到国家相关标准。
　　而配置了无线通信控制系统，则由于可以实现定时和分段调光等智能化操作，保证相对现有路灯照明系统具有至少30% 的节能效果。即保证了从照明产品到照明方式上双重节能的目的。

图6 部分LVD 无极灯路灯样品实物图
( a. b. c. 为三种不同款式路灯实物，d. 为A 中路灯产品的子午面配光曲线图)
　　4 结语
　　无极荧光灯作为一种目前被广泛推广的照明产品，如何更有效的利用其自身优势在绿色照明领域大展拳脚是摆在无极灯厂商以及科研院所面前的核心问题。上海宏源照明电器有限公司通过将无极灯照明系统匹配无线通讯系统控制，使得提供给客户的综合化节能方案更加智能化和便利化，做出了开拓性的尝试。相信这一统一的路灯控制平台，将会把无极灯的各方面优势体现的淋漓尽致。