淺析智能照明系統(tǒng)

肖 彥， 牛子銘， 買永鋒， 王艷敏

(1.中國建筑設(shè)計研究院有限公司，北京100044；2.哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱150001)

0 引言

照明系統(tǒng)作為與人民生產(chǎn)生活關(guān)系最為密切的系統(tǒng)之一，無論是應(yīng)用在大型的場館還是普通的民用建筑，都順應(yīng)人們的要求日趨于復(fù)雜化、個性化。而傳統(tǒng)的照明方式大多需要進行手動控制且以單一的光源利用形式為主，難以滿足人們?nèi)遮厪?fù)雜的照明系統(tǒng)設(shè)計要求。如何結(jié)合現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、計算機等技術(shù)實現(xiàn)照明系統(tǒng)的高效、節(jié)能控制，同時滿足人們?nèi)遮厪?fù)雜的照明系統(tǒng)需求，無疑是一個值得探索的主題。

而智能照明系統(tǒng)就在這種需求下應(yīng)運而生。該系統(tǒng)結(jié)合計算機技術(shù)，能夠通過分析當前環(huán)境與個性要求，利用無線控制等現(xiàn)代化技術(shù)實現(xiàn)對光源的集中化、遠程化與自動化管理，從而達到照明的高效性、節(jié)能性和環(huán)保性。

1 智能照明系統(tǒng)介紹

1.1 智能照明系統(tǒng)的優(yōu)勢

傳統(tǒng)照明系統(tǒng)通常需要進行手動控制，在較為復(fù)雜的環(huán)境尤其是黑夜中往往存在較多問題，而即便是利用聲控或者光控等形式也很難穩(wěn)定地控制光源。相比較而言，智能照明系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。

(1)全自動調(diào)光照明:系統(tǒng)有若干個基本狀態(tài)，這些狀態(tài)會按預(yù)先設(shè)定的時間相互自動切換，并將照度自動調(diào)整到最適宜的水平，從而實現(xiàn)全自動工作模式。

(2)自然光源充分利用:利用有控光功能的建筑設(shè)備(如百葉窗簾)來調(diào)節(jié)控制天然光，并與燈光系統(tǒng)聯(lián)動。當天氣發(fā)生變化時，系統(tǒng)能夠自動調(diào)節(jié)，保證室內(nèi)的照度維持在預(yù)先設(shè)定的水平。

(3)照度的一致性:對新建的建筑物進行照明設(shè)計時，考慮到燈具效率和房間墻面反射率會隨著時間的推移有不同程度的衰減，因此設(shè)計師對初始照度均會設(shè)置得較高。這種設(shè)計不僅造成建筑物在不同使用期的照度不一致，還會因開始階段照度偏高造成不必要的能源浪費。采用智能照明控制后，由于可以智能調(diào)光，系統(tǒng)將會按照預(yù)先設(shè)置的標準亮度使照明區(qū)域保持恒定的照度，而不受燈具效率降低和墻面反射率衰減的影響。

(4)光環(huán)境場景智能轉(zhuǎn)化:智能照明控制系統(tǒng)可預(yù)先設(shè)置不同的場景模塊，需要時只要在相應(yīng)的控制面板上進行操作調(diào)入所需的場景即可，也可以通過可編程控制面板對場景進行實時調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同要求。

(5)節(jié)約能源:運行時控制系統(tǒng)對大多數(shù)燈具進行智能調(diào)光，在需要的地方、需要的時間給以合適的照明，并充分利用自然光，以達到節(jié)能的目的。智能照明控制一般可以節(jié)約20%～40%的電能。

(6)延長光源壽命:智能照明控制系統(tǒng)采用軟啟動的方式，能控制電網(wǎng)沖擊電壓和浪涌電流，使燈絲免受熱沖擊，從而使光源壽命延長2～4倍，對于大量使用光源和安裝困難的區(qū)域具有重大意義。

1.2 智能照明系統(tǒng)的組成

根據(jù)實際工程的不同需求，智能照明系統(tǒng)使用的控制技術(shù)和模塊也各不相同。一般來說，系統(tǒng)主要由計算機、傳感器、執(zhí)行器、網(wǎng)絡(luò)通訊單元和輔助單元組成，其一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。下面對各部分進行簡單介紹。

圖1 智能照明系統(tǒng)的構(gòu)成

1.2.1 PC計算機

作為智能照明控制的核心，PC機通常具有以下幾種功能。

(1)設(shè)定和管理功能:利用管理軟件針對不同時間制定相對應(yīng)的照明計劃，并設(shè)定相關(guān)的操作規(guī)范。

(2)統(tǒng)計功能:使用統(tǒng)計軟件依據(jù)照度需求和功率大小對工作區(qū)域及照明線路進行劃分，并對照明燈具的照度水平、運行時間、工作狀態(tài)、使用壽命等參數(shù)進行統(tǒng)計。

(3)控制功能:依據(jù)當前環(huán)境和人們的需求，對劃分好的各部分區(qū)域進行光源的開關(guān)控制和自動化調(diào)節(jié)；也可在機器終端進行手動控制來實現(xiàn)上述功能[1]。

1.2.2 調(diào)光模塊

調(diào)光模塊的作用是實現(xiàn)光源的開關(guān)及調(diào)光控制，同時利用其記憶功能防止因停電故障導(dǎo)致的對已設(shè)置系統(tǒng)的破壞；一些調(diào)光模塊還可利用內(nèi)含的軟啟動功能對燈具的亮度進行調(diào)節(jié)，該方式能夠避免電壓突變造成的視覺影響，提高人眼舒適度。

依照輸入電源進行劃分，調(diào)光模塊可分為單相、三相等；依照輸出又可分為2A、5A、10A等。通過制定不同的輸入輸出類別，可為用戶提供豐富的光源設(shè)置方案。

1.2.3 繼電器模塊

繼電器模塊主要實現(xiàn)對照明中智能開關(guān)的管理，起到對整個智能照明控制系統(tǒng)的保護作用。

具體來說，即通過對繼電器模塊的控制，令智能開關(guān)采用按序啟動的模式，進而防止因集中啟動產(chǎn)生的浪涌電流；同時利用模塊中的檢測能力，根據(jù)回路中電壓、電流等參數(shù)來判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，并在故障發(fā)生時進行自動報警。此外，該模塊還具有發(fā)出跳閘信號、自動切斷故障回路等功能。

1.2.4 其他模塊

除上述結(jié)構(gòu)外，智能照明系統(tǒng)通常還包括其他模塊，進而加強對系統(tǒng)的自動化和智能化控制。

(1)智能時鐘:通過自動或手動的方式對多種控制參數(shù)進行設(shè)置，如對日、周、月等時間段內(nèi)的照明任務(wù)進行可靠的時間數(shù)據(jù)配置與記錄。

(2)智能傳感器:利用紅外線、光敏、超聲波等技術(shù)來反映某燈具或某位置的照明效果，還可以對空間內(nèi)物體的進出情況進行檢測。

2 智能照明系統(tǒng)核心技術(shù)

2.1 通訊技術(shù)

照明系統(tǒng)的通信方式可分為有線和無線兩類，其中有線方式包括總線式、電力線載波式等，但因其在系統(tǒng)安裝、設(shè)置上存在專業(yè)性過強、編程困難的問題，難以普及到家用領(lǐng)域。

因此在家用領(lǐng)域的照明控制中，通常使用無線技術(shù)，主流通訊技術(shù)可分為以下幾種。

(1)2.4G技術(shù):具有低成本、高效率、小體積的優(yōu)勢，因而使用較普遍，但其往往是利用遙控器實現(xiàn)燈具的開關(guān)與調(diào)光控制，無法稱之為智能控制技術(shù)。

(2)WiFi技術(shù):得益于可以直接連接網(wǎng)絡(luò)的簡單快捷優(yōu)勢，WiFi技術(shù)在智能照明技術(shù)應(yīng)用之中占比較大。但路由器的限制使得連接設(shè)備過多時系統(tǒng)的控制效果將大幅下降。

(3)ZigBee技術(shù):因其自組網(wǎng)的顯著優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用到目前的智能家居之中。缺點是方案成本較高，過分依賴主機來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制，一旦主機不工作整個系統(tǒng)將陷入癱瘓。其中Philips Hue、TCL的無線智能照明便使用的該協(xié)議。

(4)藍牙技術(shù):目前藍牙技術(shù)已經(jīng)發(fā)展至藍牙5.0/藍牙Mesh網(wǎng)絡(luò)，相對于WiFi技術(shù)，藍牙具有更低的功耗、更遠的傳輸距離、可容納更多的傳輸設(shè)備等優(yōu)勢，并具有自組網(wǎng)功能，不需要任何網(wǎng)關(guān)，且可直接連接到手機中。在智能家居領(lǐng)域藍牙Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起對其他技術(shù)會是一個巨大的沖擊。Opple、Ledvance、臺達等公司均在其智能照明設(shè)備中使用到藍牙Mesh技術(shù)。

2.2 LED與OLED

(1)LED:與其他種類的燈具相比較，LED具有能耗低、顏色豐富、低碳環(huán)保的巨大優(yōu)勢，在我國已占領(lǐng)了較大的市場。近年來藍光LED的發(fā)明填補了LED在顏色上的空缺，得以湊齊足夠亮的白光，并結(jié)合氧化銦錫、石墨烯等新興材料，大大提高了照明效率。此外，與傳感器、集成設(shè)備等進行有機融合，使一體化成為未來LED發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。

(2)OLED:OLED即有機發(fā)光二極管，利用有機物自體發(fā)光的特征打造，同樣具有低能耗、綠色環(huán)保的優(yōu)點；在顯色指數(shù)、散熱性、體積等方面相比于LED具有更大的優(yōu)勢。

在照明領(lǐng)域中，OLED不僅可以作為室內(nèi)外通用明、背光源和裝飾照明等，也可以制備富有藝術(shù)性的發(fā)光墻紙、單色或彩色發(fā)光的窗戶、可穿戴的發(fā)光警示牌等夢幻般的產(chǎn)品?；谄湮磥砬熬埃绹鳪E、德國歐司朗、荷蘭飛利浦、日本松下電、中國翌光等都公司均已經(jīng)開展OLED照明器件的研究開發(fā)。

2.3 語音識別技術(shù)

現(xiàn)代生活中人們對產(chǎn)品控制的智能化與人性化要求逐漸提高，使得語音識別技術(shù)在生活服務(wù)中發(fā)揮越來越大的作用。

語音識別系統(tǒng)的工作通常分為兩個階段:第一為學習階段，根據(jù)用戶需求建立常用的語音輸入數(shù)據(jù)庫，在系統(tǒng)前端進行多種預(yù)處理后，提取梅爾頻率倒譜系數(shù)(MFCC)參數(shù)，并建立隱馬爾科夫模型(HMM)對輸入語音信號進行學習，建立模板庫；第二為測試信號的在線識別階段，將具體語音指令輸入到系統(tǒng)中，通過MFCC參數(shù)提取、HMM匹配，最終把響應(yīng)信號輸出給接受節(jié)點，從而完成照明系統(tǒng)的語音控制[2]。其具體過程如圖2所示。

圖2 語音信號識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.4 控制算法

在照明應(yīng)用中，可通過放置光電傳感器來檢測相應(yīng)位置的照度從而進行調(diào)節(jié)。然而在實際應(yīng)用中需要保持或調(diào)節(jié)照度的區(qū)域很多，這就導(dǎo)致必須放置許多傳感器，使得成本大大增加且控制復(fù)雜。此外為了測得某點的自然光照水平以便確定所需提供的人工照明，就必須關(guān)閉所有燈具來測量實際自然光的照度，這顯然不切實際。

針對以上情況，可以通過建立對應(yīng)的數(shù)學模型，并采用多種算法對目標區(qū)域的照度期望值進行計算進而得到所需輸出的控制量。

(1) 反演算法:最早由 Kanellakopoulos、Kokotovic等學者提出。其本質(zhì)是一種遞推設(shè)計方法，通過將一個非線性系統(tǒng)分解成多個子系統(tǒng)，并為每個子系統(tǒng)設(shè)計Lyapunov函數(shù)和中間虛擬控制量，直到“后退”到整個控制系統(tǒng)，其優(yōu)點在于對非線性系統(tǒng)具有優(yōu)越的控制結(jié)果[3]。

(2)遺傳算法:由達爾文的進化論演化出的一種計算模型。通過模擬生物進化的步驟，引入雜交、繁殖、變異、選擇和競爭等概念，利用簡單的編碼來表示復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并最終找到最優(yōu)解法。其優(yōu)點是具有魯棒性和全局尋優(yōu)能力。

(3)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法:該算法源自人們對神經(jīng)元及神經(jīng)沖動的研究，通過模擬生物神經(jīng)元之間信息處理與傳遞，將所需解決的問題集合化。其解空間越大，適應(yīng)能力就越強。因此該算法具有優(yōu)秀的自適應(yīng)能力，并可以實現(xiàn)線性的控制變化。

(4)粒子群算法:于上世紀末由James·Kennedy和Russell·Eberhart共同提出，通過模擬飛鳥捕食的行為，通過本身的演化便可達到尋優(yōu)的目的。相比較而言，該算法具有速度快、操作方便的優(yōu)點，并同時適用于多目標尋優(yōu)[4]。

3 智能照明的現(xiàn)狀與前景

3.1 智能照明的現(xiàn)狀

智能照明作為智能產(chǎn)業(yè)重要的組成部分，也是照明的未來發(fā)展方向。據(jù)OFweek數(shù)據(jù)顯示，過去五年，全球智能照明市場規(guī)模逐年增加，由2013年的25億元增長至2017年市場規(guī)模為260億元，短短的五年之間翻了十倍。據(jù)預(yù)測，2022年全球智能照明行業(yè)市場規(guī)模有望超過750億元，其趨勢如圖3所示；預(yù)計我國在2020年也有望突破220億元。

圖3 全球智能照明市場規(guī)模

在2018年，智能照明行業(yè)迎來快速發(fā)展階段，各大企業(yè)均大力投資推進智能照明技術(shù)的研究和開發(fā)，推出智能家居、智能樓宇、智慧城市等應(yīng)用解決方案。其中智能照明方案涉及到芯片、傳感器、LED、通信模塊、連接協(xié)議、云平臺等龐大的產(chǎn)業(yè)鏈市場空間，在各行各業(yè)將掀起一場巨大的技術(shù)風暴。

在2018法蘭克福照明展上，展商便已經(jīng)向全球的人們展示了許多前所未聞的“黑科技”，如OSRAM公司的Horticulture Growlight，一款基于LED的針對植物種植照明的解決方案，通過使用不同顏色、不同角度的光束，不僅能讓植物加快成長，甚至能使同樣的生菜口味變得更脆、更甜；又如Yeelight聯(lián)手首爾半導(dǎo)體，采用Sunlike技術(shù)，并結(jié)合先進的紫光LED芯片技術(shù)與TRI-R熒光粉技術(shù)，通過利用紫光燈珠激發(fā)，從原理上減少了對人眼有害的過量藍光的產(chǎn)生，同時生成光譜非常接近自然光的光線。這種媲美大自然的燈光，尤其適用于功課繁多的中小學生。

我國的新興產(chǎn)品也同樣不容小覷，無論是臺達公司生產(chǎn)的短距離超廣角泛光燈、極輕量化LED高天井燈，還是國星光電的LED面板燈，均在國際舞臺上大放光彩，引人矚目。

3.2 智能照明的前景

隨著信息化時代的到來與科技水平的提高，智能照明以其獨特的優(yōu)勢勢必在未來得到更廣泛的應(yīng)用。此外，智能照明將更具人性化，并具有更強的靈活性和適應(yīng)性；同時順應(yīng)新時代的潮流，并融入人工智能的理念，化智能照明為智慧照明，最終體現(xiàn)其強大的應(yīng)用優(yōu)勢。

未來照明技術(shù)的發(fā)展方向主要可分為兩類，一種是家居照明，另一種是公共照明。

(1)家居照明:如今智能家居方興未艾，或是因為價格或是因為習慣，并不被大多數(shù)人接納。然而隨著技術(shù)的完善、成本的降低、政策的改變以及人們思想理念的轉(zhuǎn)變，智能照明勢必會以其顯著的優(yōu)勢而受到廣泛使用。同時各種新技術(shù)也可能因此變得實用化:室內(nèi)植物智能照明、汽車智能互聯(lián)照明、人屏互動顯示等。智能照明必將在家居照明中得到更廣泛的應(yīng)用。

(2)公共照明:我國計劃2020年培育1 000個左右的特色小鎮(zhèn)，而夜景也必然會成為一大看點，地方政府在夜景照明中的投入也會有較大增加。此外，隨著我國城市化進程的推進，以智慧路燈為代表的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)同樣值得關(guān)注。因此，結(jié)合傳感器、視頻監(jiān)控、顯示屏、無線通信基站、充電樁等設(shè)備的多功能路燈系統(tǒng)同樣是一個值得發(fā)掘的市場。

4 結(jié)束語

隨著社會的高速發(fā)展，人們對于照明系統(tǒng)提出了更高、更具體的要求。智能照明系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)，具有巨大優(yōu)勢，能夠契合人們?nèi)遮厪?fù)雜的照明系統(tǒng)設(shè)計要求，在未來應(yīng)該可以得到較大的發(fā)展。