畢業(yè)設(shè)計（論文）網(wǎng)路型LED光源系統(tǒng)的設(shè)計

1、武漢工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文論文題目：網(wǎng)絡(luò)型led光源系統(tǒng)的設(shè)計 姓 名 學(xué) 號 院 系 數(shù) 理 科 學(xué) 系 專 業(yè) 電子信息科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師 2011年6月8日獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論

2、文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本論文屬于保密， 在 年解密后適用本授權(quán)書。不保密。（請在以上方框內(nèi)打“”）學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名：日期： 年 月 日日期： 年 月 日目錄摘要iabstractii1 緒論11.1 led的發(fā)展背景和意義11.2 led光源的發(fā)展歷史和趨勢21.3 智能網(wǎng)絡(luò)型led光源42 led發(fā)光原理及光學(xué)特性52.1 led基本原理52.2 led的光學(xué)特性62.3 led光譜特性72.4 led發(fā)光效率83 網(wǎng)絡(luò)型le

3、d光源系統(tǒng)設(shè)計理論93.1 led光源的選擇及其光度學(xué)計算93.1.1 led光源的選擇93.1.2 led光度學(xué)參數(shù)的計算103.1.3 點光源照度計算113.1.4 led光源光通量計算123.2 led照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計133.2.1 基于成像光學(xué)理論的照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計133.2.2 基于非成像光學(xué)理論的照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計143.2.3 led照明光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)153.3 照明系統(tǒng)cad理論及方法173.3.1 照明系統(tǒng)cad理論173.3.2 照明系統(tǒng)cad設(shè)計方法183.4 智能控制194 智能型網(wǎng)絡(luò)led路燈控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)214.1 通信的實現(xiàn)214.2 路燈控制器與集中控制器通信實

4、現(xiàn)224.2.1 電力線載波模塊234.2.2 路由算法的實現(xiàn)234.3 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)244.3.1 集中控制器244.3.2 路燈控制器27結(jié)論30謝辭31參考文獻(xiàn)32摘要發(fā)光二極管led具有功耗低、體積小、壽命長、無紅外輻射等特點，是一種節(jié)能環(huán)保的綠色光源，在照明系統(tǒng)的應(yīng)用中有著傳統(tǒng)光源不能替代的優(yōu)點。但是由于led的外形和發(fā)光特性和傳統(tǒng)光源有著很大的不同，使得現(xiàn)有的許多照明系統(tǒng)無法應(yīng)用于led，因此對led照明系統(tǒng)的深入研究是必要而有意義的。本文針對led照明系統(tǒng)及其設(shè)計理論進(jìn)行了研究，其主要工作如下：1針對應(yīng)用在照明系統(tǒng)中的led光源進(jìn)行了研究，總結(jié)了led的發(fā)光原理和光學(xué)

5、特性，探討了led照明系統(tǒng)選擇led光源的理論依據(jù)，并給出了led照度分布和光通量的計算方法。 2針對led照明光學(xué)系統(tǒng)，研究了應(yīng)用于點光源和應(yīng)用于擴展光源的設(shè)計理論和方法。重點論述了包括光學(xué)擴展量和邊緣光線原理的非成像光學(xué)理論。3.采用無線通信與電力載波通信相結(jié)合的方案設(shè)計了智能型網(wǎng)絡(luò)led路燈控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)型；led；光源；abstract light emitting diode(led) has the advantages of low consumption,small size,long lifetime and no infrared irradiation,there

6、fore,is all environment friendly light source.led is mote advantageous in illumination system than other light sources. however compared st11 traditional light sources it has different figure and optical properties which make it difficult to apply some current illumination systems to led, so it is n

7、ecessary and meaningful to deeply study it.in this paper,led illumination system and its design theory are studied；the main contents are as following:1 led source in illumination system is studiedfirstly，the luminescent mechanism and optical properties of led are studied.in addition,the theoretical

8、basis of choosing led in illumination system is discussed,and the calculation methods of illuminance and luminous flux are presented.2 according to led illumination system,the design theory and method applied toboth pointolite and extended light are studied.furthermore,non-imaging opticsis described

9、 in detail,including the litendue theory and the edge ray principle.3 wireless communications and power line carrier communication design combining the intelligent network control system of led lights.key words: network-type; led; light source system;1 緒論1.1 led的發(fā)展背景和意義“綠色照明”是上世紀(jì)九十年代初國際上對節(jié)約電能、保護環(huán)境的照

10、明系統(tǒng)的形象說法。綠色照明是指通過科學(xué)的照明設(shè)計，采用效率高、壽命長、安全和性能穩(wěn)定的照明電器產(chǎn)品，改善提高人們工作、學(xué)習(xí)、生活的條件和質(zhì)量，從而創(chuàng)造高效、舒適、安全、經(jīng)濟、有益的環(huán)境并充分體現(xiàn)現(xiàn)代文明的照明。許多發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家先后制訂了“綠色照明工程”計劃，并取得了顯著效果?，F(xiàn)在，照明的質(zhì)量和水平己成為人類社會現(xiàn)代化程度的一個重要標(biāo)志之一，成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的一項重要措施1。作為固體光源的led(light emitting diode)又稱發(fā)光二極管，真正點燃了“綠色照明的光輝，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有價值的新光源，將取代白熾燈和日光燈成為照明市場的主導(dǎo)，使照明技術(shù)面臨一場新的革

11、命。節(jié)能、環(huán)保是未來社會工業(yè)發(fā)展的主流、“綠色照明”的重要標(biāo)志，而led照明在這兩方面都極具發(fā)展?jié)摿?。普通的白熾燈采用的是熱發(fā)光技術(shù)，它以發(fā)熱的形式浪費了90的能源，而led照明燈屬“冷光源”，其耗電量只是同等亮度白熾燈的十分之一。led照明應(yīng)用大大節(jié)約能源的同時，還將減少二氧化碳的排放量和熒光燈的汞污染。據(jù)測算，1998年全球照明共消耗2300億美元的電力，同時在發(fā)電過程中還產(chǎn)生4.1億噸二氧化碳?xì)怏w，而假如到2025年有一半的普通光源被led照明取代，那就意味著全球每年將節(jié)約電費1000億美元，并減少3.5億噸二氧化碳的排放。使用led燈具具有以下優(yōu)勢（一）光照性能好led燈具由于光的單向

12、性，沒有光的漫射；獨特的二次光學(xué)設(shè)計，減少了眩光；大功率led燈采用直流供電，獨有的恒流裝置，使發(fā)光恒定，徹底無閃爍。（二）光效高led燈的光源效率目前已達(dá)100流明/瓦，理論值達(dá)250流明/瓦，金屬鹵化燈可達(dá)70流明/瓦，高壓鈉燈的發(fā)光效率隨功率增加才有所增加，最大達(dá)80流明/瓦。因此，總體光效led燈具較強。（三）顯色性好led燈顯色指數(shù)達(dá)到85以上，更接近自然光（陽光的顯色指數(shù)為100）；高壓鈉燈顯色指數(shù)只有23左右，從視覺心理角度考慮，達(dá)到同等亮度，led燈的光照度平均可以比高壓鈉燈降低20%以上。（四）光衰小led燈的光衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍達(dá)到使用照度要求，而高壓鈉

13、燈光衰大，一年左右已經(jīng)下降30%以上，因此，led燈在使用功率的設(shè)計上可以比高壓鈉燈低。（五）使用安全led照明是一種固態(tài)照明，可以有效防震、防爆；led是低壓器件，驅(qū)動單顆led的電壓為安全電壓，系列產(chǎn)品單顆led功率都為1瓦，所以，它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所照明。（六）安裝簡便每個單元led小片只有很小體積，因此可制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境；無需加埋電纜，無需整流器等。（七）壽命長國產(chǎn)的高壓鈉燈因質(zhì)量和技術(shù)問題壽命較短，一般都小于3 000h，進(jìn)口的以菲利普最好，達(dá)到3000- 4000h；led燈則能使用50 000h以上。（八）可靠性高高壓鈉

14、燈等高強度氣體放電燈有延遲效應(yīng)，要在點燃15分鐘后才能達(dá)到其90- 100光通量，而大功率led燈通電即達(dá)到正常亮度，無開燈延時現(xiàn)象。led燈具由多組led光源組成，個別損壞，不會全燈熄滅，不影響正常使用，燈具的可靠性高2。1.2 led光源的發(fā)展歷史和趨勢作為21世紀(jì)照明新光源的發(fā)光二極管led已經(jīng)經(jīng)歷了40多年的技術(shù)發(fā)展。最早應(yīng)用半導(dǎo)體pn結(jié)發(fā)光原理制成的led光源要追溯到上一世紀(jì)60年代初。當(dāng)時所用的材料是gaasp、發(fā)紅光(峰值波長650納米)。當(dāng)驅(qū)動電流為20毫安時，led的光通量只有千分之幾流明、發(fā)光效率僅有0.1流明/瓦。70年代初期到中期，發(fā)光半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)展飛速，光效提高到1流

15、明/瓦，而且發(fā)出其它顏色的led光源也相繼面世，覆蓋了從紅色到黃、綠色的主要光譜范圍。到80年代初，出現(xiàn)了gaaias led光源，使得80年代后期時，紅色led的光效已經(jīng)達(dá)到10流明/瓦。在90年代初，兩種新材料的led光源被開發(fā)出來，即發(fā)紅光、黃光的gaaiinp和發(fā)綠、藍(lán)光的galnn，這兩種材料的開發(fā)使led的光效進(jìn)一步得到大幅度提高。到2000年時，前種材料被做成的led在紅、橙區(qū)(615納米)的光效達(dá)到100流明/瓦，而后者制成的led在綠色區(qū)域(530納米)的光效為50流明/瓦。新型可見光led的發(fā)光材料是以a1galnp和gan為主。發(fā)展趨勢主要是實現(xiàn)全彩、提高亮度、改進(jìn)封裝、

16、顯示大型化、材料外延生長的新技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。金屬有機化合物、汽相淀積(mocvd)法的晶體生長工藝己經(jīng)成為當(dāng)代開發(fā)、生產(chǎn)新型led，實現(xiàn)全彩化、高亮化的關(guān)鍵技術(shù)。1全彩化：實現(xiàn)全彩化的一大難題是實用化的可見光led中缺少藍(lán)色，因為要實現(xiàn)全彩(包括白色)顯示，必須要有紅、綠、藍(lán)三基色，因而藍(lán)色led的發(fā)展一直受全彩顯示所驅(qū)動。多年來，日本、美國等國都在極力研究開發(fā)藍(lán)色led。1994年日本日亞公司首先成功的開發(fā)了藍(lán)色led主要應(yīng)用于全色顯示屏，現(xiàn)在能夠銷售藍(lán)色led的廠商也只有日本日亞公司和美國gree公司幾家。改善藍(lán)色led的晶體材料質(zhì)量，提高發(fā)光效率，降低生產(chǎn)成本仍是今后發(fā)展的主要目標(biāo)。藍(lán)色

17、led剛問世時候售價高達(dá)50美元1只。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷改進(jìn)，目前低亮度的藍(lán)色led價格已降到1美元/只，今后隨著技術(shù)的成熟，價格將會繼續(xù)下跌。預(yù)計到2010年藍(lán)色led的亮度將和紅色、橙色、黃色、綠色led不相上下，而且售價只有5美分/只。2高亮化：目前全球led的產(chǎn)值中高亮度產(chǎn)品約30。至2005年，全球led的總產(chǎn)量突破38.46億美元，其中高亮度產(chǎn)品，每年都有大約30的增長，至于中低亮度的產(chǎn)品增長率不會超過5。再者超高亮度(法向光強超過1000mcd)的紅、橙、綠、藍(lán)色led產(chǎn)品己進(jìn)入市場，使一些戶外廣告板、超大型屏幕、交通指示燈、汽車尾燈、剎車燈、方向燈等應(yīng)用在擴大。3大型化：這是為

18、了滿足大屏幕顯示器這一應(yīng)用領(lǐng)域的需求。可見光led之所以會出現(xiàn)這一發(fā)展趨勢，主要是因為與液晶顯示器相比，led可以以并聯(lián)的方式聯(lián)結(jié)在一起，不受尺寸大小的限制，而且led本身可發(fā)光。對于一些需配備大尺寸的產(chǎn)品而言，更希望一些大型化的led，目前顯示屏的最大尺寸己經(jīng)達(dá)到1015m2。4封裝小型化：封裝小型化主要是指適合于表面安裝的led品種增多。表面安裝led為帶盤式的封裝，卷盤尺寸大約為117.8mm，可以容納大約2000只led管芯。大部分尺寸2.91.3mm2，最新的表面安裝led產(chǎn)品將采用專有的“模制內(nèi)部連接裝置技術(shù)”，使用高效反射外殼，保證了亮度，還適合于回流焊接。表面安裝led已成為封

19、裝小型化的主流和發(fā)展方向。1.3 智能網(wǎng)絡(luò)型led光源智能網(wǎng)絡(luò)型led光源系統(tǒng)是由led燈組、電源(單燈控制部分)和燈體組成。led燈組是照明部分，主要由多個大功率led組成。同時使用配光曲線可調(diào)的方式組裝，依次來實現(xiàn)led燈組的最佳配光曲線。電源主要的功能是實現(xiàn)對led燈的各種控制，是整個光源系統(tǒng)的集中優(yōu)勢體現(xiàn)和核心技術(shù)。智能網(wǎng)絡(luò)型led光源系統(tǒng)具有以下特點：1.獨立單元散熱特性：led燈具散熱是一個很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，智能網(wǎng)絡(luò)型led光源系統(tǒng)產(chǎn)品在燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用模塊化設(shè)計理念，充分考慮散熱空間和散熱效率。優(yōu)勢在于：突破傳統(tǒng)燈具的設(shè)計誤區(qū)，采取分散組合的方法，既方便散熱，又方便安裝，組合方式靈

20、活，不同功率，不同形狀，任意組合，方便燈具的設(shè)計。組合單元之間均有間隙。既減輕了整個燈具的重量，又有利散熱通風(fēng)，解決了自身過重，不利于安裝，不利于防風(fēng)的弊病。在同樣照度下較傳統(tǒng)燈具節(jié)電且照度均勻，效果非常理想。2.發(fā)光單元模塊優(yōu)化組合性：led燈具內(nèi)的發(fā)光單元模塊具有一定的角度性，若聚集在一塊板上，則發(fā)光范圍受限制。因此采用將一塊板分割成若干單元模塊的方法，并將它們在一個弧面上均勻排列組合，從而既可以擴大發(fā)光范圍，又不會影響發(fā)光效果，實現(xiàn)發(fā)光單元模塊優(yōu)化組合的特點。3.配光曲線可調(diào)性：配光曲線是燈具設(shè)計的一個重要參數(shù)。傳統(tǒng)燈具一旦設(shè)計成型，配光曲線也就固定不能改變了。智能網(wǎng)絡(luò)型led光源系統(tǒng)充

21、分發(fā)揮led單元照射方向便于調(diào)控的優(yōu)勢，采取了每個led照明單元分別用于照射附近、中、遠(yuǎn)距離的照明，使led單元輸出的光均勻的覆蓋在兩盞燈具之間面上，覆蓋寬度基本上和照射面寬度吻合。用比較小的功率達(dá)到滿足要求的局部照明效果，也可以避免了兩盞燈具之間的“亮度盲區(qū)”，實現(xiàn)了最佳照明效果3-7。2 led發(fā)光原理及光學(xué)特性2.1 led基本原理發(fā)光二極管是由p型和n型半導(dǎo)體組成的二極管。發(fā)光二極管的發(fā)光原理可以用pn結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)來解釋。在led的pn結(jié)附近，n型材料中多數(shù)載流子是電子，p型材料中多數(shù)載流子是空穴。pn結(jié)上未加電壓時構(gòu)成一定的勢壘，當(dāng)加正向偏壓時，在外電場作用下，p區(qū)的空穴和n區(qū)的電子

22、就向?qū)Ψ綌U散運動，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入，從而在pn結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價帶空穴的復(fù)合，同時釋放出相對應(yīng)的能量而發(fā)光。pn結(jié)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個方向發(fā)射有相同的幾率。pn結(jié)半導(dǎo)體材料相對于空氣有較高的折射率，因此半導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)出的光子只有極少數(shù)能逸出半導(dǎo)體材料與空氣的界面，大多數(shù)被反射回半導(dǎo)體內(nèi)部，最終被吸收。為了提高逸出效率，可以選擇不同的封裝材料，封裝幾何形狀。這樣，從芯片透出的光子首先進(jìn)入封裝透鏡，然后再逸出，因為封裝材料的折射率在半導(dǎo)體材料和空氣折射率之間，因此光子逸出率大大提高。同時，封裝透鏡還起到保護半導(dǎo)體芯片和控制輸出光分布的作用。圖2.1 典型的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)典型的發(fā)光二

23、極管結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，其中包括三個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)：首先是led芯片，其次是芯片所在的金屬罩，這個金屬罩既是電極，又是散熱器，而且還作為反射鏡用來收集光線能量。最后是上面提到的集成照明透鏡或封裝。2.2 led的光學(xué)特性在照明光學(xué)系統(tǒng)中，光源的光分布是后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)選擇的主要出發(fā)點和依據(jù)。照明光源的光分卻特性一般用其周圍宅間的光強分布(稱為配光特性)或用與照明光源軸線垂直或平行的假想平面上的照度來c兌明。如果照明光源的尺寸比其與被照面的距離小很多，光源可以被看成點光源，那么用發(fā)光強度來表明光分布是足夠準(zhǔn)確的。如果當(dāng)光源的大小和其到觀察點之間的距離相比4i是很小時，人們稱該光源為擴展光源，不能直接用光強

24、的概念來描述，需要借助亮度來描述。光強空間分布特性是用配光曲線來表示，一般分為極坐標(biāo)法和直角坐標(biāo)法來表示曲線。 圖2.2 配光曲線1極坐標(biāo)配光曲線。在通過光源中心的測光平面上，測出照明器在不同角度的光強值。從某一給定方向起，以角度為函數(shù)，將各個角度的光強用矢量標(biāo)注出來，連接矢量頂端的連線就是照明光源的配光極坐標(biāo)曲線。如圖2.2左半部分。對于旋轉(zhuǎn)對稱的光源，在與軸線垂直的平面上各方向的光強值相等，因此只用通過軸線的一個測光面上的光強分布曲線就能說明其光強在空間的分布。如果照明光源在空間的分布是不對稱的，則需要用若干個測光平面中的光強度分布曲線來說明空間光分布。2直角坐標(biāo)配光曲線。有些光束集中于狹

25、小的立體角內(nèi)的照明光源，用極坐標(biāo)難以表達(dá)清楚時，就用直角坐標(biāo)表示，以縱軸表示光強，以橫軸表示光束的投射角，用這樣的方法繪制的曲線稱為直角坐標(biāo)配光曲線。如圖2.2的右半部分。led芯片可以近似一面光源，在沒有集光光學(xué)器件的情況下，其各個方向上的光亮度都近似一致。滿足朗伯定律的led光源極坐標(biāo)配光曲線近似為圓形，如圖2.3所示。在有集光光學(xué)器件的情況下，根據(jù)其配光曲線可以得到光源的半強度發(fā)散角、中心光強等參數(shù)，同樣從配光曲線能夠估算出光源的總光通量。9080706050401002030102030409070806050圖2.3 滿足朗伯定律的led配光曲線根據(jù)光強度的角分布可以把led光源分為

26、三類：1高指向型。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半強度角為5-20度或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用。2標(biāo)準(zhǔn)型。通常作指示燈用，其半強度角為20-45度。3散射型。這是視角較大的led光源，半強度角為45度或更大，沒有過多考慮聚光設(shè)計的一次封裝，多見于高光通量的led8。2.3 led光譜特性典型的單色led光源光譜狹窄，幾乎沒有紫外和紅外線，非常適合于實際的照明設(shè)計。所以led光源可以很好的滿足照明設(shè)計中對于照明光源的光譜特性的細(xì)致要求。這些要求諸如鐵路信號機要分為紅色、綠色、黃色、藍(lán)色、白色五種信號燈，而每種燈要求光源有一個特定的光譜分布；還有一些照明

27、光源是由多色led配色得到的，每種led的光譜范圍也會有一定的要求?？傊?，對于照明面給出的色度要求，必須選擇對應(yīng)的具有特定光譜分布的led光源。光源的光譜特性可由供應(yīng)商提供或由光譜儀測量。圖2.4所示為一個led系列光源的光譜特性，圖中共標(biāo)出了七種顏色的led光譜分布。析分率功譜光對相波長圖2.4 luxeon emitter的光譜特性2.4 led發(fā)光效率光源所發(fā)出的光通量和它所消耗的電功率之比，稱為發(fā)光效率。發(fā)光效率與led光源的光輸出密切相關(guān)，是照明系統(tǒng)選擇led光源的關(guān)鍵因素，更是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中的關(guān)鍵指標(biāo)。明確并信賴其發(fā)展前景，對led照明領(lǐng)域的從業(yè)者十分重要。發(fā)光效率k表示

28、為： (2.1)k的單位為流明每瓦(lm/w)。照明系統(tǒng)中l(wèi)ed光源的選擇需主要考慮led光強分布特性、光譜特性、發(fā)光效率這三種光學(xué)特性。3 網(wǎng)絡(luò)型led光源系統(tǒng)設(shè)計理論led照明系統(tǒng)，顧名思義指的是采用led作為光源的照明系統(tǒng)。照明系統(tǒng)是光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)一個重要的分支，它的設(shè)計應(yīng)用在很多領(lǐng)域，如室內(nèi)照明、交通信號燈、汽車照燈、投影系統(tǒng)、激光泵浦源系統(tǒng)等等。嚴(yán)格說來，照明系統(tǒng)屬于非成像系統(tǒng)，雖然照明系統(tǒng)在設(shè)計時也會采用一些傳統(tǒng)成像理論，但它與一般成像系統(tǒng)有著許多不同。照明系統(tǒng)一般要考慮光源的特性，光源的特性決定照明系統(tǒng)的設(shè)計，而系統(tǒng)需要照亮的往往是一個立體空間。而一般成像系統(tǒng)不考慮物方空間的亮度分布

29、，在像方往往是成一個平面像；照明系統(tǒng)其形成經(jīng)常是多種多樣的，各光學(xué)面可以無序排列。一般成像系統(tǒng)雖然可以非常復(fù)雜，但經(jīng)常可以把其中的各光學(xué)面作有序排列，所有光線均按此順序逐一通過各面；照明系統(tǒng)在照明區(qū)域中任意一點的照度看成由光源上許多點發(fā)出的光能通過照明系統(tǒng)分配后疊加形成的，用光照度圖和空間光強分布圖進(jìn)行評價。一般成像系統(tǒng)物像空間有著相應(yīng)的點與點對應(yīng)的共軛關(guān)系，故可在視場中心和邊緣選取幾個抽樣點，追跡光線到相應(yīng)的像點，用垂軸像差、點列圖或光學(xué)傳遞函數(shù)對系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)行評價。總之，照明系統(tǒng)注重的是光能量的傳輸與分配而非光學(xué)信息的傳遞。照明系統(tǒng)一般由三部分組成：光源、光學(xué)系統(tǒng)、照明平面。每一個照明

30、系統(tǒng)的設(shè)計都應(yīng)該圍繞這三個方面進(jìn)行。首先要選擇合適的光源，選擇依據(jù)是光源的特性(包括光學(xué)特性和形狀等)和設(shè)計指標(biāo)相匹配。然后在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計中要解決光能量的收集問題并實現(xiàn)預(yù)先指定的光場分布。對于照明平面，我們關(guān)心的是光學(xué)系統(tǒng)對于光能的傳輸與分配是否符合設(shè)計指標(biāo)。完成照明平面的評價可以通過實驗驗證或計算機輔助仿真。本章依次從led照明系統(tǒng)的光源、光學(xué)系統(tǒng)、照明平面出發(fā)，對照明系統(tǒng)的設(shè)計理論進(jìn)行研究和討論。3.1 led光源的選擇及其光度學(xué)計算3.1.1 led光源的選擇光源是照明系統(tǒng)中重要的組成部分，也是設(shè)計中應(yīng)該優(yōu)先考慮的環(huán)節(jié)。光源的選擇不是盲目的，通常要求設(shè)計指標(biāo)和光源的特性相匹配。光源的特

31、性包括光學(xué)、電學(xué)、機械等方面特性。對于led光源來說，光學(xué)特性是光源選擇時主要考慮的因素。首先led光源的光度學(xué)參數(shù)一定要滿足設(shè)計指標(biāo)。光源的光度學(xué)要求一般指的是照度要求和光通量要求。選擇led光源往往關(guān)注的是光通量要求，照度指標(biāo)可以通過后續(xù)的光學(xué)系統(tǒng)來滿足設(shè)計指標(biāo)。其次，led芯片的發(fā)散角很大，即使通過一次光學(xué)設(shè)計的led光分布特性也各有不同。如果設(shè)計指標(biāo)對系統(tǒng)出射光束發(fā)散角要求寬松，光源選擇范圍可以很大；但如果設(shè)計指標(biāo)說明要得到發(fā)散角小的出射光束，就要盡量選用發(fā)光半角較小的led光源，這樣可以減少后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計難度和復(fù)雜度。最后led光源也要滿足設(shè)計指標(biāo)中的光譜要求。進(jìn)行光源的選擇時，

32、要遵循“物盡其用的原則，盡量選用剛好滿足設(shè)計指標(biāo)的光源，而不要選用各種參數(shù)都大大超過設(shè)計指標(biāo)的光源，避免不必要的浪費。比如在led信號燈光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計中，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)會指定光源參數(shù)，單led光通量可以是幾1m到十幾lm，如果選用光通達(dá)幾十1m的超高亮度led光源，其所消耗的經(jīng)濟成本和能源成本遠(yuǎn)大于亮度提高所帶來的收益。所以從這一點來說，照明系統(tǒng)的設(shè)計必須跟實際情況相聯(lián)系，設(shè)計人員才能得到真正有實用價值的設(shè)計9。綜上所述，led光源的選擇是一個綜合考慮的結(jié)果，其中l(wèi)ed光源的光學(xué)特性是光源選擇的主要依據(jù)。在對這些光學(xué)特性進(jìn)行評價時，不可避免要計算一些光度學(xué)參數(shù)，下一小節(jié)將介紹led光度學(xué)參數(shù)的計算理

33、論。3.1.2 led光度學(xué)參數(shù)的計算發(fā)光強度余弦定律led芯片可以近似一面光源，在沒有集光光學(xué)器件的情況下，其各個方向上的光亮度都近似一致。假定發(fā)光微面幽在與該微面垂直方向上的發(fā)光強度而，根據(jù)光亮度公式有： (3.1)由上式得： (3.2)上式就是發(fā)光強度余弦定律，又稱朗伯定律。3.1.3 點光源照度計算一般當(dāng)光源的最大尺寸不超過光源至被照平面間最小距離的五分之一時，就可以將此光源看作點光源。圖3.1 點光源照度計算假定點光源a照明一個微小的平面ds，如圖3.1所示。ds離光源的距離為，其表面法線方向on和照明方向成夾角，假定光源在ao方向上的發(fā)光強度為，則光源射入微小面積劣內(nèi)的光通量為：

34、(3.3)其中，代入上式得： (3.4)根據(jù)光照度公式可得： (3.5)上式就是實際應(yīng)用的光照度公式?？梢钥闯觯徽彰魑矬w表面的光照度和光源在照明方向上的發(fā)光強度，及被照明表面的傾斜角的余弦成正比，而與距離的平方成反比。因為實際上一般的照明光源并不存在相干的問題，因此當(dāng)有n個點光源同時照射工作面時候，n個點光源產(chǎn)生的照度等于每一光源分別產(chǎn)生的照度的總和。總照度可用下式表示： (3.6)式中：是第n個光源在照度計算點方向的發(fā)光強度；是第n個光源至照度計算點的連線與光源至照度計算平面的垂線之間夾角的余弦；是第n個光源至照度計算點的距離。3.1.4 led光源光通量計算led照明設(shè)計中，經(jīng)常要確定l

35、ed光源個數(shù)和led的位置，或者完成led光源的計算機建模，這些都必須通過有效的led光源總光通量的計算。本節(jié)討論的就是如何由led光源的光強分布計算其總光通量的問題。12ibavedrd=shaded d area圖3.2 球帶法計算led光通量假設(shè)led光源發(fā)光半角為90度，則其發(fā)光范圍可以用一個半球來表示。將led設(shè)置于球心，如圖3.2所示，對著球心的立體角可以用緯度角秒與秒之間的環(huán)帶表示為： (3.7)那么從到，環(huán)帶中出射的光通量為： (3.8)式中，為該環(huán)帶內(nèi)的平均光強，c為環(huán)帶系數(shù)。為了求得光源所發(fā)出的總光通量，假設(shè)把此發(fā)光半球分為rn個環(huán)帶，每個環(huán)帶的緯度角間距為陽，則第n個環(huán)帶

36、的光強平均值和環(huán)帶系數(shù)分別為j和。則得到led總光通： (3.9)平均光強，是光強球帶內(nèi)的光強平均值，可由光強分布曲線(配光曲線)來估計，如圖3.3。也可以根據(jù)函數(shù)平均值定理直接計算，得到在從到，的球帶內(nèi)的光強平均值： (3.10)i1 2圖3.3 配光曲線3.2 led照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計3.2.1 基于成像光學(xué)理論的照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計一般來講，照明系統(tǒng)設(shè)計中最主要的工作是其中的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，它解決光源光能量的收集問題并實現(xiàn)預(yù)先指定的光場分布。如前所述，雖然照明系統(tǒng)關(guān)注的目標(biāo)和成像系統(tǒng)有很大的不同，但有一些照明光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用了透鏡、球面反射鏡、二次曲面反射鏡等有物象共軛關(guān)系的成像光學(xué)器件且在設(shè)計的過

37、程中直接應(yīng)用傳統(tǒng)成像光學(xué)理論。這一類光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計可以被稱為是基于成像光學(xué)理論的照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。投影系統(tǒng)中的照明光學(xué)系統(tǒng)便應(yīng)用了成像光學(xué)理論。以臨界照明為例，這是把光源通過照明系統(tǒng)成像于物面上的照明方法，如圖3.4所示。此時，聚光鏡的像方孔徑角必須與物鏡的物方孔徑角相匹配，為此在聚光鏡的物方焦面上或附近設(shè)置可變光闌。于是照明系統(tǒng)的出瞳正好與物鏡的入瞳大致重合。此照明光學(xué)系統(tǒng)雖然關(guān)注的是物面上照度的均勻性，但它使用了透鏡、光闌這些成像光學(xué)器件，應(yīng)用了物象共軛理論來完成設(shè)計。圖3.4 臨界照明基于成像光學(xué)理論的照明光學(xué)系統(tǒng)大多應(yīng)用在點光源照明，這是因為成像光學(xué)中只有點才有嚴(yán)格的物象共軛關(guān)系。led

38、這樣的擴展光源，當(dāng)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它到反射或折射界面的最小距離時，也可以將光源理想化，忽略它的尺寸，應(yīng)用成像光學(xué)進(jìn)行照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。后面設(shè)計的led鐵路信號燈照明光學(xué)系統(tǒng)就是這樣的例子。3.2.2 基于非成像光學(xué)理論的照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計相對于傳統(tǒng)成像光學(xué)來說，非成像光學(xué)并不強調(diào)光源是否在屏幕上成像以及成像質(zhì)量如何，而是強調(diào)光能的傳輸效率及分配。早在20世紀(jì)30、40年代在美國的一些生產(chǎn)光學(xué)產(chǎn)品的公司中就出現(xiàn)了非成像的光學(xué)器件，然而直到70年代，非成像光學(xué)的理論才逐漸成為一個體系，并由于其在太陽能收集、光纖耦合器、液晶顯示器背光源設(shè)計和紅外探測與制導(dǎo)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而迅速發(fā)展成為一門新的光學(xué)分支。利

39、用非成像光學(xué)控制光輻射的傳輸，主要可以解決兩大類問題：一是光能的收集問題，其關(guān)注焦點在于光能的收集效率；二是光能的分配問題，其關(guān)注焦點在于如何實現(xiàn)預(yù)先給定的光分布。非成像光學(xué)出現(xiàn)在照明系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域是由于成像光學(xué)在擴展光源照明系統(tǒng)設(shè)計上的局限。當(dāng)要求照明光學(xué)系統(tǒng)的總體積比較小、比較緊湊時，光學(xué)器件的尺寸并不能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光源的尺寸。在這種情況下，使用面向點光源的設(shè)計方法設(shè)計得到的光學(xué)系統(tǒng)的性能必然會發(fā)生惡化，而面向擴展光源的非成像光學(xué)設(shè)計方法很好的解決了這個問題。非成像光學(xué)中最重要的兩個理論是光學(xué)擴展量理論和邊緣光線理論。而非成像光學(xué)中最新的設(shè)計方法是同時多表面設(shè)計方法(sms)。這些都將在第四章中

40、詳細(xì)介紹。綜上所述，要得到一個滿足設(shè)計要求的led照明光學(xué)系統(tǒng)，需根據(jù)實際情況合理選擇面向點光源和面向擴展光源的設(shè)計方法：前者應(yīng)用成像光學(xué)理論，后者需應(yīng)用非成像光學(xué)理論。3.2.3 led照明光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)本節(jié)介紹led照明光學(xué)系統(tǒng)中可以采用的基本光學(xué)結(jié)構(gòu)。嚴(yán)格來講，發(fā)光半導(dǎo)體的照明光學(xué)設(shè)計包括兩方面：led管殼設(shè)計(又稱一次光學(xué)設(shè)計)和led的二次光學(xué)設(shè)計，本文中的led照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計都是指的二次光學(xué)設(shè)計。led-次光學(xué)設(shè)計是把封裝后的led做為光源，附加光學(xué)器件來達(dá)到照明或者顯示的要求。光學(xué)器件可以是一個光學(xué)結(jié)構(gòu)，也可以是由許多光學(xué)結(jié)構(gòu)共同組成。照明光學(xué)系統(tǒng)中的光學(xué)結(jié)構(gòu)可以分為折射光學(xué)結(jié)

41、構(gòu)、反射光學(xué)結(jié)構(gòu)和衍射光學(xué)結(jié)構(gòu)。折射光學(xué)結(jié)構(gòu)1折光板折光板的作用是改變光線的方向或在特定的方向上改變光束的角度。齒形折光板。如圖3.5左，齒形折光板的某一齒相當(dāng)于楔形鏡，由于材料表面的折射作用使光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，對光束角影響不大。齒形折光板主要用來改變光束方向，作為偏轉(zhuǎn)鏡使用。圖3.5 齒形折光板和梯形折光板(2)梯形折光板。如圖3.5右，梯形折光板相當(dāng)于平板玻璃和楔形鏡的組合體。平板玻璃不改變光線方向，楔形鏡使光線偏折，其偏折方向與楔角方向相反。平板玻璃兩側(cè)斜面方向不同，則光線偏折方向相反。梯形折光板使一束光分成三個方向，三光束的光強比可由平面和斜面的面積比控制。(3)柱形(球形)折光板。柱形折

42、光板由系列圓柱面組成，每個柱面相當(dāng)于一個透鏡。在柱面母線方向上，保持光線原方向。球形折光板也叫復(fù)眼透鏡，由多個透鏡組合而成，其中每個透鏡在各個方向都產(chǎn)生會聚或發(fā)散的光。這兩種折光板都是用來擴展光束角度，但柱形板只是在一個方向上改變光束角度。2透鏡透鏡的作用是使得光源發(fā)出的光線匯聚或者發(fā)散，從而起到改變光束角度，改變照明面積和光照度的作用。在實際的應(yīng)用中，通常通過改變光源到鏡頭的距離來控制光束的發(fā)散角。透鏡一般指球面透鏡比如凹透鏡、凸透鏡等。透鏡通過折射原理來對光束起會聚或者發(fā)散作用，從而改變光通量的空間分布即光強的分布。透鏡作為照明光學(xué)系統(tǒng)常用于led陣列的前端構(gòu)成聚光器件，結(jié)構(gòu)簡單，易于維護

43、。設(shè)計實例可見于led鐵路信號機的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中。3反射光學(xué)結(jié)構(gòu)反射鏡一般有球面反射鏡和非球面反射鏡。非球面反射鏡通常為旋轉(zhuǎn)二次曲面，如：拋物面、橢球面和雙曲面，其光路如圖3.6和圖3.7。不同的反射鏡有不同的特性：拋物面反射鏡把焦點f處發(fā)出的光線變?yōu)槠叫泄?；橢球反射面把左焦點fl處發(fā)出的光線會聚于右焦點f2處；雙曲面反射鏡把右焦點處的光源成像到左焦點，相當(dāng)于光線由左焦點發(fā)出，起到改變光源發(fā)散角的作用。圖3.6 拋物面反射鏡和橢球面反射鏡圖3.7 雙曲線反射鏡4衍射光學(xué)結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)中常用的衍射器件便是菲涅耳透鏡。如圖3.8所示，菲涅耳透鏡是局部表面呈球形而整個表面呈階梯式分布的透鏡，其每一小斷

44、片將會給入射光引入2相移，它的設(shè)計是基于光的衍射理論。制作菲涅耳透鏡的材料可以是玻璃或塑料。菲涅耳透鏡可作為放大鏡、聚光器、棱鏡、反射鏡及其它一些光學(xué)元件，采用菲涅耳透鏡能保證光學(xué)系統(tǒng)具有較小的外形尺寸。 圖3.8 菲涅耳透鏡在led的照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中，最先要考慮的是選用哪種光學(xué)結(jié)構(gòu)或是怎樣把若干光學(xué)結(jié)構(gòu)組合起來。以上光學(xué)結(jié)構(gòu)大多屬于成像光學(xué)器件，常應(yīng)用在點光源照明系統(tǒng)中。對于擴展光源照明系統(tǒng)，非成像光學(xué)設(shè)計方法可以設(shè)計出自由曲面而準(zhǔn)確實現(xiàn)預(yù)先要求的光分布。3.3 照明系統(tǒng)cad理論及方法3.3.1 照明系統(tǒng)cad理論對絕大多數(shù)照明光學(xué)系統(tǒng)來說，對照明面的要求多是光照度的要求。因此，計算光源

45、發(fā)出的光線通過光學(xué)系統(tǒng)后在照明面上產(chǎn)生的光照度分布對于光學(xué)系統(tǒng)的評價是十分必要的。常用的計算光照度的方法是用一個二維陣列把目標(biāo)面分成許多小的區(qū)域。光線從光源的不同點發(fā)射出來，通過光學(xué)系統(tǒng)后投射到目標(biāo)面上。目標(biāo)面的每一個小區(qū)域內(nèi)都能接收到一定數(shù)量的光線，通過每個光線數(shù)目的多少來確定整個照明面上的光照度分布。為了提高精度，必須追跡大量的光線，隨著計算機輔助設(shè)計(cad)技術(shù)的飛速發(fā)展，在很短的時間內(nèi)追跡大量的光線成為可能，這使得設(shè)計者從繁重的重復(fù)光學(xué)計算上得以解脫出來，大大提高了工作效率。根據(jù)光線在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的傳播方式的不同，光線追跡方法分為兩類，即序列光線追跡和非序列光線追跡。序列光線追跡主要應(yīng)

46、用于成像光學(xué)系統(tǒng)，采用此追跡方法的設(shè)計軟件如ora研制的大型光學(xué)軟件code v；非序列光線追跡主要應(yīng)用于非成像光學(xué)系統(tǒng)，如照明光學(xué)系統(tǒng)、投影光學(xué)系統(tǒng)等，相應(yīng)的設(shè)計軟件有tracepro，lighttools以及asap。成像光學(xué)系統(tǒng)如照相機、望遠(yuǎn)鏡等通常采用序列光線追跡來設(shè)計。序列光線追跡的光線入射到系統(tǒng)中的每一個光學(xué)表面的順序都是己知的，即光線必須首先入射到系統(tǒng)第一個透鏡的前表面，然后入射到后表面，直至最后入射到系統(tǒng)的像平面。序列光線追跡相對于非序列光線追跡來說，比較直觀，每一條所追跡的光線通過系統(tǒng)各個表面的順序是既定的，因此在成像光學(xué)系統(tǒng)中，通常只需要計算幾條光線就可以確定整個光學(xué)系統(tǒng)的

47、性能。在非序列光線追跡中，光線與系統(tǒng)中各個界面相交的順序是未知的。與序列光線追跡不同的是，非序列光線追跡分析需要大量的光源發(fā)出的按一定空間光強分布的隨機光線，這些隨機出射光線的位置、方向以及行進(jìn)過程中與各界面所產(chǎn)生的反射、折射、散射、吸收都需要用蒙特卡羅(monte carlo)方法來模擬。蒙特卡羅方法也稱隨機模擬法、隨機抽樣技術(shù)或統(tǒng)計試驗法。概率統(tǒng)計是蒙特卡羅方法的理論基礎(chǔ)，其基本手段是隨機抽樣或隨機變量抽樣，該方法對于那些本身具有統(tǒng)計性質(zhì)的非確定性問題非常有效，可直接從非確定性問題出發(fā)，通過模擬原問題的實際過程而得到問題的答案，而不需像常規(guī)方法那樣首先將它轉(zhuǎn)化為確定性問題，再做離散化處理來

48、求解，因而可省去求解方程過程中不得不引入的許多近似。本文所使用的lighttools光學(xué)機構(gòu)仿真軟件也是基于蒙特卡羅方法來追跡光線，具有較廣的適應(yīng)范圍。3.3.2 照明系統(tǒng)cad設(shè)計方法計算機輔助照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計通常分為三大步驟： 1確定設(shè)計要求。決定照明光學(xué)設(shè)計要解決的問題，包括照明光強分布、均勻性等，以及在這一階段系統(tǒng)的參數(shù)，例如最大或最小尺寸、重量、功耗、熱量產(chǎn)生和牢固性等。2系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)要求決定光學(xué)布局，包括光源、材料、原件數(shù)量、反射和折射表面等。設(shè)計過程中復(fù)雜的面型和結(jié)構(gòu)可以輔助計算機編程完成。也可運用計算機光學(xué)分析軟件進(jìn)行計算，嘗試不同的光學(xué)原件參數(shù)，進(jìn)行實時系統(tǒng)分析。3系統(tǒng)

49、分析和優(yōu)化。這時計算機輔助光線追跡分析應(yīng)該完成，光學(xué)系統(tǒng)已初步形成。這些結(jié)果需要與設(shè)計要求相比較。如果結(jié)果沒有達(dá)到或超過性能要求，必須修改系統(tǒng)參數(shù)，并重新進(jìn)行光線追跡和分析。對于led的非序列光線追跡，這種優(yōu)化通常需要工程師人為進(jìn)行，計算機分析加以輔助。借助先進(jìn)的計算機技術(shù)，光學(xué)系統(tǒng)可以非常逼真地顯示在熒光屏上，光線追跡的結(jié)果可以以圖形和數(shù)字表示出來。這種過程有時被稱作虛擬試制。上述是照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計階段需完成的主要工作，在這些之外仍有一項重要工作：分析產(chǎn)品的生產(chǎn)可行性。也就是說在完成光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化后，還需要進(jìn)行批量生產(chǎn)的可行性分析。這包括機械對準(zhǔn)容差、制造容差，以及熱量散發(fā)等。這對于設(shè)

50、計和生產(chǎn)的迅速銜接有重要意義。計算機輔助分析在這些方面也都有著廣泛的應(yīng)用。3.4 智能控制普通led燈不具有內(nèi)置智能監(jiān)控模塊構(gòu)造，其led燈亮度也不能達(dá)到線性可調(diào)，不具有智能控制性。置入智能監(jiān)控模塊的led光源系統(tǒng)是在普通led燈具內(nèi)留存一定空間，裝入控制模塊，控制模塊包括系統(tǒng)供電電路、系統(tǒng)保護電路、微處理器、擴展通訊接口、通信電路、溫度檢測電路、電壓檢測電路、控制電路、調(diào)壓輸出電路、輸出保護電路，如圖3.9 拓展通信接口(rs485/rs232等)zigbee保護電路主模塊控制電路調(diào)壓輸出電路輸出保護電路系統(tǒng)保護電路系統(tǒng)供電電路電壓檢測電路溫度檢測電路圖3.9 led燈組控制模塊電路框圖置入

51、智能監(jiān)控模塊的led燈具有智能控制性，具體特性如下：（1）亮度線性可調(diào)，智能網(wǎng)絡(luò)型led燈利用內(nèi)置控制模塊控制流經(jīng)發(fā)光二極管的電流大小的變化從而引起led燈亮度的線性可調(diào)。（2）矩陣點亮，通過控制模塊的智能控制可使均勻分布的若干發(fā)光二極管根據(jù)需要進(jìn)行有序開、關(guān)的操控(進(jìn)行遠(yuǎn)程三級可調(diào)式控制)。（3） 單個智能網(wǎng)絡(luò)型led燈通過控制模塊上所集成的通訊模塊與監(jiān)控中心進(jìn)行通訊，使監(jiān)控中心對該智能網(wǎng)絡(luò)型led燈通過網(wǎng)絡(luò)實行點對點的集中檢測、控制(單燈檢測、單燈控制)。（4）每個智能網(wǎng)絡(luò)型led燈均可作為其它燈的通訊傳播介質(zhì)，實現(xiàn)智能聯(lián)網(wǎng)，形成燈控制網(wǎng)絡(luò)組合。（5）每個智能網(wǎng)絡(luò)型led燈的控制模塊都可存

52、儲其節(jié)點參數(shù)、led燈控制時間及模式和led燈狀態(tài)召測等參數(shù)，以備將此信息上傳回監(jiān)控中心進(jìn)行監(jiān)控。智能網(wǎng)絡(luò)型led光源監(jiān)控管理系統(tǒng)是基于微功率通訊網(wǎng)(如路由自適應(yīng)zigbee無線網(wǎng)絡(luò))和公用網(wǎng)(如中國移動的gprs網(wǎng)絡(luò))的系統(tǒng)。由監(jiān)控管理中心、集中控制終端和led光源系統(tǒng)組成。監(jiān)控管理中心用于通過公用網(wǎng)對集中控制終端查詢、巡檢和控制，接受來自遠(yuǎn)程監(jiān)控機、手機、pda(掌上電腦)的遠(yuǎn)程查詢控制；集中控制終端用于執(zhí)行監(jiān)控管理中心控制監(jiān)測指令，與多個led燈組建立微功率通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對led燈通斷狀態(tài)的查詢、巡檢和控制；led燈組通過微功率通訊網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行查詢控制指令，回送狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)控制指令調(diào)整le

53、d燈組供電電壓；數(shù)據(jù)中心是主站與子站通訊的數(shù)據(jù)交換中心，通過無線gprs網(wǎng)絡(luò)將控制或檢測指令傳給子站。gprs通訊是基于gsm系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)通訊。具有無通訊死點、實時性好、安裝迅速、維護方便的優(yōu)點，可以實現(xiàn)多點同時發(fā)送檢測控制命令，同時處理現(xiàn)場多個子站上報的數(shù)據(jù)，大大縮短了系統(tǒng)對子站的循環(huán)檢測和控制的時間。4 智能型網(wǎng)絡(luò)led路燈控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)考慮到造價、監(jiān)測范圍、控制點設(shè)置、擴容方便等要求，在本次設(shè)計中采用無線通信與電力載波通信相結(jié)合的方案。具體的方案如下：整個監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控終端、集中控制器、路燈控制器和路燈組成。本系統(tǒng)的上位機即監(jiān)控終端放在城市路燈管理部門，以單個配電變壓器為范圍

54、安裝集中控制器，在每盞路燈上安裝路燈控制器方便實現(xiàn)單燈控制。在主控制室與集中控制器之間采用gprs通信，gprs通信方式容易實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸、長時間在線，并且可獲得按流量收費的低資費方式，硬件投資少，對地域要求相對也較低。在集中控制器與路燈控制器之間則采用電力線載波通信技術(shù)，采用電力載波技術(shù)的最大的好處就是不需要再鋪設(shè)通信電纜就可容易地實現(xiàn)對每盞燈的檢測，減少了通道建設(shè)的費用。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4.1所示。 路燈控制器1路燈控制器n路燈控制器s路燈控制器2通信塔通信塔通信塔gsm/gprs骨干網(wǎng)internet 圖4.1 智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)4.1 通信的實現(xiàn)整個系統(tǒng)采用分級通信機制，一級為監(jiān)控終端和集中控制器的通信，另一級為集中控制器和路燈控制器的通信。監(jiān)控終端與集中控制器之間的通信采用gprs。集中控制器監(jiān)控和管理所在轄區(qū)所有的路燈，其和路燈控制器之間采用電力線載波通信。集中控制器可以獨立工作，根據(jù)提前設(shè)定的方案開關(guān)燈、循環(huán)地收集所轄范圍各路燈控制器的相關(guān)信息，每當(dāng)完成所有路燈的一次信息收集時，集中控制器將剛收集到的各路燈控制器監(jiān)測路燈的信息迅速反饋給監(jiān)控終端，當(dāng)集中控制器收到監(jiān)控終端的