近十年來，發光二極管（LED）已經從電子設備指標的優勢選擇轉變為使照明更節能的主要焦點。有效產生強光照度的能力使LED成為大多數應用越來越受歡迎的選擇，超越了熒光和其他技術的能力。 LED相對于其他選項的另一個重要優勢是其可控性。

雖然LED調光涉及比傳統白熾燈照明所用的簡單控制器更復雜的電路設計，但LED支持不僅可以調節照明水平，但發出的顏色要精細調整。這種可控性可用于各種應用，從倉庫和工廠的高棚照明到智能溫室。

LED照明已經通過延長可能的生長季節來提高農業產量溫帶氣候下幾個月的作物范圍。通過提高產量和增長時間，該技術使屋頂農業更加經濟。因此，城市可以開始為全球糧食生產做出貢獻。智能溫室設計的一個重要方面是能夠使LED響應環境光水平，以避免過度消耗電力，并提供不同的顏色，以支持作物在其生命周期中的需求。在明亮的環境照明條件下，LED可以完全關閉，并在降低時逐漸上線。

在倉庫中環境照明不太容易獲得，但它通常通過天窗和窗戶呈現。傳統照明設計的問題是在整個地面空間提供一致的照明。傳統上，燈具將被設置為提供恒定水平的照明，這在高環境光水平的區域中將是浪費的。同時，周圍燈具和窗戶或天窗很少的角落區域可能比較暗。智能LED照明可以通過不僅適應自然光的變化，而且可以適應其他燈具的影響來彌補這些問題。

智能LED照明解決方案將電路控制每個元件與檢測環境光線水平的傳感器相結合。雖然越來越多的系統采用無線微控制器來支持交互式控制，但這種組合為高效的光采集提供了基礎，而不需要復雜的通信方案。

原則上，LED提供的光線易于控制。 LED的輸出是正向電流的近似線性函數，并且為了提供一致的照明，它需要恒定的驅動電流。通常，隨著LED結加熱，亮度與電流曲線變平，由于溫度升高導致的特性效率損失而浪費能量。

圖1：LED輸出與電流的關系圖。

實際上，只要頻率快于人眼可以檢測到的頻率，流向LED的電流就可以短時間中斷。通常，200Hz的開關頻率避免了人們注意到燈閃爍的情況。 LED的有效電流和因此感知的亮度水平變得與調光電路提供的波形的占空比成比例。這使得脈沖寬度調制（PWM）成為實現高效LED調光的有效方法。

專為PWM工作而設計的LED功率控制器，如德州儀器TPS92640，使用標準PWM提供2500：1的調光范圍在分流FET的幫助下調光和20000：1。在該系列的另一個成員TPS92641上使用并聯FET，克服了最小PWM周期時間對調光水平的限制。因為對PWM功率控制器的輸出級電感器充電和放電需要時間，所以可能需要比給定水平的光所需的電流更多的電流通過LED。通過激活與LED或串聯連接的LED串并聯的并聯FET，可以轉移大部分電流。 TPS92640和類似的控制器提供與分流FET的連接，以激活周期的可變部分，從而進一步調暗LED。

PWM調光的另一個優點是它可以更好地控制LED的亮度。輸出光譜，是使用熒光粉涂層的白光LED的一個重要方面。在低電流下，磷光體輸出占主導地位，這傾向于導致黃色色調。在高電流時，LED的藍光占主導地位。通過以特定電流驅動LED，電路設計人員可以確保一致的色彩輸出。使用恒流策略是不可能的，其中需要改變電流水平以實現不同的調光水平。

TPS92640和TPS92641接受來自外部控制器的模擬或PWM輸入。智能照明系統將使用微控制器來實現感測邏輯和照明控制，這傾向于有利于使用PWM輸入的應用。德州儀器（TI）生產的CC2650微控制器等設備可以連接2.4 GHz工作的低功耗無線網絡，以及接收傳感器信號的眾多接口端口。

圖2：智能光捕獲燈具的方框圖。

德州儀器OPT3001可以向系統提供有關現有光照水平的信息。設計傳感器的光譜響應與人眼的明視響應緊密匹配。其過濾包括顯著的紅外抑制，以防止過高估計可收集的環境光量。

通過I 2 C總線提供結果，可以通過OPT3001從0.01 lux到83 klux，無需手動選擇滿量程范圍。這是使用內部滿量程設置功能執行的。此功能允許在23位有效動態范圍內進行光測量。通過分離最重要的半字節，從通過I 2 C發送的每個測量字中提取數據。此高位半字節包含一個比例因子，需要應用于三個低半字節以提供勒克斯值。

OPT3001可以連續執行測量或作為單次讀數，在100 ms或800 ms的時間段內集成讀數，以消除其他人造光源噪聲源的影響。該器件有自己的中斷邏輯。這允許其在主機MCU可以睡眠的設計中使用，直到超過限制。這可以提高燈具在長時間不活動的情況下的效率 - 例如陽光燦爛的日子。 OPT3001可以將其最新讀數與上限和下限寄存器進行比較，并在遇到其中任何一個時產生中斷。 MCU可以通過I 2 C重新編程限制寄存器，以支持不同的操作模式。例如，一旦燈具處于活動狀態，MCU就可以接受來自OPT3001的讀數，并且在下一次模式改變之前不需要傳感器根據上限或下限進行中斷。或者，MCU可以關閉OPT3001以節省功耗并使用定期讀取的單次讀數。每次單次讀取后，OPT3001都會關閉。

有些系統設計可能會選擇將OPT3001集成到燈具本身。其他人可能會使用耦合到無線微控制器的分布式OPT3001傳感器將地板水平的光強度數據傳回燈具，每個燈具內的本地MCU集成了結果，以計算LED燈串本身所需的PWM比率。

圖3：OPT3001與主機MCU之間的連接。

智能燈具中另一個重要組件是溫度傳感器。這可用于確保LED免受過溫條件的影響。 MCU不僅可以通過降低LED的功率來響應這些功能，以保護設備，還可以通過無線網絡發出警報。合適的溫度傳感器是Texas Instruments LMT84。這是一款精密CMOS溫度傳感器，提供模擬輸出，可用于饋入CC2650的一個ADC端口。 LMT84的輸出電壓與溫度成線性和反比。該設計具有瞬態負載要求，適用于驅動典型的ADC采樣保持輸入，因此可以持續監控燈具內的熱狀況，從而提高壽命和效率。

結論

總的來說，通過將傳感器與基于MCU的智能和合適的電源轉換器相結合，可以構建智能燈具，不僅可以最大限度地利用自然光，而且可以相互配合，在大空間內提供一致的照明。