当代半导体照明的巅峰—数字化照明

作者:安徽云龙科技公司 张克 袁勋

    数字化半导体照明是一个全新的机遇，也是全新的挑战。数字化半导体照明产业具有巨大的经济、科技和社会效益，拥有无限创新的潜能。这些创新将改善人民的生活品质，创建绿色和可持续发展的社会。让我们凝聚共识，以更高的热情、更积极的作为，共同推动半导体照明的创新发展，共创光明的未来！

    摘要：随着半导体照明技术的飞速发展，半导体照明应用已进入到数字化、智能化、网络化的时代，照明领域的数字化和远程监控需求越来越明确，数字化、网络化和远程监控已经成为照明技术的标准配置。

    一、塑造光

    （一）自然光与塑造光

    光的来源，有自然光和塑造光。

    自然光：自然界存在的可见光，不借助人类任何辅助工具，由自然现象发出的光源，自然光只能选择等待，而不能借助物质工具进行改变。如阳光、火光、雷电的闪光，通常由高温产生，光谱范围广。
塑造光：人类在发展历程中，利用各种物质所具有的特性，借助物质自身属性，由人工设计制造的仪器、设备产生的光，例如：日光灯的光、激光及LED灯具发出的光。

    自然光和塑造光在本质上是具有区别的：

    1、可变性

    自然光最重要一个本质特征即是认为不可变性，自然光的强度和方向是不能任意调节和控制的，只能根据自然现象被动适应，而塑造光则是可以根据人类不同需求，随时可以进行变动，如选择与不选择，选择什么样的塑造光，选择什么强度的塑造光，什么时候选择等。

    2、实现功能不同

    自然光因具有不因人类意志而变动的特性，人为无法进行定制和管理，因此只能满足人们单一的照明需求，而塑造光则是能根据不同领域、不同环境、不同使用主体，满足人们不同需求，能满足人们除单一的照明需求外的多样化需求。

    （二）人类、时代、社会对光的需求

    1、不同的主体、不同的领域、不同的环境各自有着不同的需求。

    无形的光是万事万物存在的基础，一切视觉的存在都仰仗光线的照射。不同的主体、不同的领域、不同的环境各自有着不同的需求。

    光是一种非物质的存在，无法直接看到却能够照亮物体。光的形态大致上是通过照明工具或者发光体来塑造的。

    2、光塑造→光品质的呈现→光需求的形成

    塑造光的形态：

    （1）通过界面的形态塑造光的形态，即间接照明

    （2）灯具塑造的光的形态

    （3）发光体塑造光的形态

    光品质的呈现：

    （1）间接照明的特点是光线均匀柔和、层次感强、不刺眼、无眩光，没有明显的阴影，有很好的表现力，擅长营造一种安静平和的环境。

    （2）灯具发出的光分为集中光和漫射光两种

    集中光的特点是光线明确的汇集成一束，照射方向明确，光的穿透力比较强，照在物体上容易产生强烈的反光。集中光主要表现为宽窄不同的各种光束，光束边缘区域亮度衰减剧烈，因此集中光大多具有清晰的轮廓和明确的形态。

    漫射光的特点是光线分散，照射方向不明确，亮度均匀柔和，照在物体上不容易产生强烈的反光。漫射光束边缘区域亮度衰减柔和，光的轮廓线和形态都不是很清晰。

    集中光轮廓鲜明的光束是一种非常有视觉冲击力的设计元素，漫射光均匀柔和的光线是一种温和的设计元素，两者都具有丰富的艺术表现力。

    （3）通过发光体的造型塑造具有独特魅力的光的形态

    发光体的设计重在形体的艺术性与光的表现力的统一，通过发光体的造型塑造具有独特魅力的光的形态，或者通过光的材料加强发光体造型的艺术性。

    二、数字化照明的前身——功能性照明

    功能性照明就是用于实现某种具体作用的照明，比如室内照明、道路照明、应急照明等都属于功能性照明。根据照明的对象、目的、要求不同，所采用的光源灯具亦有所不同。

    （一）电光源的发展过程

    第一代和第二代电光源共有的特征是能耗较大、寿命较短，并且由于自身的技术缺陷，无法实现数字化控制，现已被逐步淘汰。

    第三代电光源半导体发光二极管（LED）在较大的驱动电流范围内仍能维持其流明效率和光色参数，可实现照明的数字化控制。

    （二）完整的半导体功能性照明

    完整的半导体功能性照明应是数字化的，无论在色彩表现能力、灯光控制能力、环保节能等环节，还是在工况监测的先进程度、维护体系的方便程度上，均比传统的白炽灯、荧光灯、金卤灯等具有明显的优势，可实现高水平、高质量和高效节能的照明效果，全新的数字化照明必将给人类的照明观念和照明应用带来一场新的革命。

    三、什么是数字化半导体照明

    随着半导体照明技术的飞速发展，半导体照明应用已进入到数字化、智能化、网络化的时代，照明领域的数字化和远程监控需求越来越明确，数字化、网络化和远程监控已经成为照明技术的标准配置。
数字化半导体LED照明，是将单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer，又称微控制器（Microcontroller）技术、计算机网络技术、大型海量数据库管理技术集成应用于半导体LED照明系统。通过计算机网络子系统、数据采集子系统远程对照明区域的灯具用能、灯具的运行状态、运行环境（如电网参数、环境温湿度等）进行实时地监测，提供运行状态异常警告，同时可以使管理者可以分区分片地控制灯具的开关。

    数字化半导体LED照明灯具通过RS485接口对外部网络上的管理软件系统提供灯具自身的运行参数，如电压、电流、温度、照度等数据，还能提供灯具的环境温度和环境湿度，并能够通过RS485网络、以太网络接收管理者的命令来开关灯具。以便于管理者通过管理系统软件了解照明系统的运行情况和控制灯具的开关。

    四、数字化半导体照明基本原理

    (一)数字化半导体LED照明的硬件整体构架

    这个照明系统数控网络管理平台系统框架采用三层结构：服务器层、通讯设备层、监控采集设备层。

    服务器层与通讯设备层采用百兆以太网互联。监控采集设备层与通讯设备层采用工业RS485网络互联。

    服务器层与通讯设备层主要设备为：工业控制机、百兆网络交换机。

    监控采集设备层主要设备有：三相电子式有功电能表、智能型万能式断路器、数字化LED照明灯具。

    （二）数字化半导体LED照明灯具

    数字化半导体照明灯是一种新颖的LED灯具，它可以对外通过RS485端口提供灯具自身的运行参数，如电压、电流、照度、温度等数据，还能提供灯具的环境温度和环境湿度，并能够通过RS485端口接收管理者的命令来开关灯具。以便管理者通过管理软件系统可以了解灯具的运行情况和控制灯具的开关。

数字化半导体LED照明灯具硬件框图

    （三）数字化半导体LED照明的计算机软件管理子系统构架

    数字化半导体LED照明的计算机软件管理子系统使用Sql Server大型数据库平台，前台数据显示和后台数据采集开发编程软件采用Micsoft Visio Net (C#)，以事件驱动模式和数据驱动模式，实现对照明区域每层照明电路进行分层、分时智能控制，对照明区域每层照明系统进行在线用能监测和动态监测照明设备运行工况。

    管理软件平台功能

    1、运行设置功能

    软件平台提供系统运行设置功能，可设置系统运行智能LED灯具的信息（编号、安装位置、额定电压电流）、报警的电压、电流、温度的极限值、监控串行口设置、数字用能计量设备的地址测试与设置、手动控制/自动控制程控智能断路器切换等。

    2、运行监控界面

    软件平台提供运行监控界面，开启/停止监控，显示当前用能数据、各智能LED灯具的运行参数（电压、电流、照度、功率等），单控/群控等功能。

    3、报警记录

    软件平台提供报警记录，记录系统中过压、过流、欠压、高温等报警记录。

    4、运行曲线

    软件平台提供现场设备的24小时或以前运行曲线，如：用能曲线、温度曲线、电压曲线、电流曲线、环境温度曲线、环境湿度曲线等。

    5、程控智能断路器控制

    软件平台提供程控智能断路器的控制界面，采用冗余多路控制、二次确认等控制手法，以保证灯具的远程开关的可靠性。并同时具备自动与手动切换功能。

    6、自动报表

    软件平台提供自动报表功能，能自动定时或随时打印报警报表、运行报表等。

    7、用能计量

    显示数字用能计量设备采集到的电压、电流、电能计量，并提供相关电网24小时或以前运行电压曲线、电流曲线、用能曲线。

    五、与传统照明的区别

    （一）照明节能技术的革新

    数字化半导体LED照明的优点是：

    高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。

    寿命长：LED光源被称为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

    色彩多样：LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256=16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

    利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

    高新技术、尖端技术：与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程，无限升级，灵活多变的特点。

    传统照明改为数字化半导体LED照明，改造后的节能率可达60%以上。

    （二）管理手段的革新

    传统照明情况下，照明系统用能需要人工读表，管理者对照明系统的用能实时情况掌握不及时、不直观。

    传统照明情况下，管理者无法了解照明系统的运行状态，如电网参数（实时电压、实时电流、实时功率等）。

    传统照明情况下，管理者无法了解灯具的运行状态，如灯具具体用能情况、电压、电流、光照、温度、环境温度、环境湿度等情况。

    数字化半导体LED照明，增加了电能计量设备，改变了传统照明情况下对灯具照明能耗无计量系统的现状，并通过计算机技术和网络技术，将能耗状态永久存储，以备管理查询。

    同时利用智能电路控制设备实现对照明系统进行了统一的绿色运营管理，定时/分区/分片进行计算机自动管理模式或在特殊情况下人工手动管理模式，在自动管理模式下，达到有效控制节能效果，减少不必要的电能消耗。

    利用安徽云龙科技有限公司的专利产品数字化LED照明灯具对特定区域内灯具的运行状态和运行环境进行实时的监控，以点观面，管中窥豹，从而推测其他大量灯具的运行状态。

    综上所述，数字化半导体LED照明提高了照明系统的现代化管理水平，在“节能”、“低碳”、“减排”方面突出了LED节能低碳照明技术、计算机技术、网络技术给照明系统的现代化管理带来变革，真正带来良好的社会效益和经济效益。<