基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的住宅室內(nèi)智能照明研究

蘇子杰，彭 嶸

（西安工程大學(xué)服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，陜西 西安 710048）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和國(guó)民生活品質(zhì)逐年提升，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與消費(fèi)升級(jí)大趨勢(shì)的多重影響下，半導(dǎo)體光源照明逐步進(jìn)入我們的生活，智能家居背景下的智能照明應(yīng)用日益普及，其可調(diào)可變性能可滿足不同使用人群對(duì)光環(huán)境的需求。部分學(xué)者從技術(shù)層面研究了智能家居在照明領(lǐng)域的應(yīng)用，當(dāng)下對(duì)于智能家居場(chǎng)景的研究集中于自動(dòng)化等技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域[1]。在設(shè)計(jì)學(xué)方面，多為單一的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究[2]，而從使用者舒適性角度出發(fā)，結(jié)合智能照明技術(shù)，對(duì)于不同情境下的智能照明調(diào)節(jié)方法研究較少。

1 智能家居及照明系統(tǒng)發(fā)展

智能家居系統(tǒng)往往有一致的家庭網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)平臺(tái)，同一系統(tǒng)平臺(tái)在軟件中以無(wú)線連接的方式，利用一定的通信協(xié)議，集合家庭智能化電器功能，從而完成檢核網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換與信息共享。目前智能家居行業(yè)已步入迅速交融的演變期，預(yù)計(jì)在未來(lái)的3～5年，智能家居將進(jìn)入一個(gè)相對(duì)快速的成長(zhǎng)階段。

照明的首要目的在于創(chuàng)設(shè)較好的能見(jiàn)度及舒適的空間環(huán)境。隨著人類對(duì)于照明的要求不斷提高，照明行業(yè)也逐漸從如何獲取更多的光，到如何創(chuàng)造更節(jié)能的光，再到如今如何布置更智能化的光不斷演變。

傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)中燈具的啟動(dòng)關(guān)閉控制缺少靈活性，且燈具亮度無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)[3]。無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，使“物物互聯(lián)”愈發(fā)便捷，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特征鮮明，可較好地滿足居家生活在智能控制方面的具體需求，同時(shí)成本也大大降低，不再需用復(fù)雜瑣碎的設(shè)置，對(duì)普通使用者十分友好。智能家居會(huì)提供更友善的人機(jī)交互界面，隨著Wi-Fi、藍(lán)牙、半導(dǎo)體光源技術(shù)的發(fā)展，以及智能遙控、智能感應(yīng)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為室內(nèi)智能照明技術(shù)提供了可靠的技術(shù)支持?，F(xiàn)在可通過(guò)手機(jī)APP操控，更先進(jìn)的方法是使用無(wú)線智能音箱作為語(yǔ)音交互的媒介，智能系統(tǒng)將語(yǔ)音轉(zhuǎn)變成為相關(guān)指令，最終達(dá)到精準(zhǔn)控制燈光的效果。隨著LED光源的發(fā)展，控制光色和照度分布已更加容易，依托LED照明所具有的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)調(diào)光、調(diào)色等技術(shù)手段，根據(jù)人體生理和心理的不同需求，使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，可獲得集照明、藝術(shù)于一體的不同效果的環(huán)境情景模式照明[4]。

2 照明對(duì)使用者的影響分析

現(xiàn)代照明設(shè)計(jì)不僅要滿足人們工作生活的基本需求，而且要從使用者角度出發(fā)，最大限度發(fā)揮光對(duì)用戶所產(chǎn)生的心理和生理作用，為其營(yíng)造能夠提升其生活舒適度的空間環(huán)境。

2.1 生理影響

2.1.1 睡眠質(zhì)量

褪黑素的分泌將直接影響人體警覺(jué)和疲倦的節(jié)奏，當(dāng)人處在黑暗空間中一段時(shí)間后，褪黑素的分泌就會(huì)增加，相反在高照度的白色光下一段時(shí)間后，褪黑素的分泌會(huì)受到阻礙。因此理論上褪黑素的分泌量會(huì)在人們睡覺(jué)時(shí)增加，但即便在夜間，假如處在高照度、白色光的環(huán)境中，也將不能正常促進(jìn)褪黑素的分泌，人們也就無(wú)法得到正常的睡眠休息。此外，SCOTT L D等[5]通過(guò)檢測(cè)受試者24h內(nèi)褪黑素的分泌情況，研究光源光照強(qiáng)度變化對(duì)人體晝夜節(jié)律所產(chǎn)生的影響，試驗(yàn)表明，夜間光源照度變化對(duì)晝夜節(jié)律的相對(duì)位移存在影響。因此，人們可通過(guò)增加或減少褪黑素的分泌量調(diào)節(jié)自身身體節(jié)律。另外有研究表明，紅光對(duì)褪黑素分泌的抑制力較弱，而藍(lán)光和綠光對(duì)松果體分泌褪黑素的抑制力較強(qiáng)，藍(lán)光過(guò)多可使人警覺(jué)，讓人保持興奮狀態(tài)。因而，選用偏紅色光譜的光源照明益于高質(zhì)量的睡眠，而偏藍(lán)綠色光譜的光源則不利于睡眠質(zhì)量的提高。

因此，為促進(jìn)褪黑素更好地分泌，獲得充足的睡眠，白天應(yīng)該盡量多照射色溫高、照度高的自然光。從傍晚到深夜可逐漸調(diào)低燈光色溫，睡前應(yīng)盡量將所處環(huán)境中的照明設(shè)備設(shè)置為低照度狀態(tài)。

2.1.2 工作效率

有研究表明，良好的室內(nèi)環(huán)境能提升15%～20%的工作效率，根據(jù)使用者對(duì)照度的不同要求將光源照度設(shè)置在適配狀態(tài)對(duì)提高使用者學(xué)習(xí)工作效率起到非常重要的作用[6-7]。中等色溫（4 000K）的光源與低色溫（2 800K）的光源相比，前者可明顯提高人們對(duì)三維物體的辨識(shí)能力和多任務(wù)處理能力。同時(shí)，孫寶石等[8]的研究表明，在一定光照條件下，中等色溫（4 000K）的環(huán)境中，人們的學(xué)習(xí)效率最高，同時(shí)疲勞程度最低。

郭西雅等[9]研究表明，較長(zhǎng)時(shí)間的工作學(xué)習(xí)中，照度為350lx時(shí)效率最佳。雖然高照度下會(huì)刺激視覺(jué)及大腦從而激發(fā)更高的閱讀效率，但ROSENFIELD M[10]研究證明長(zhǎng)時(shí)間處在高照度的光照環(huán)境中會(huì)引起眼干等不適癥狀，因此在高照度下視覺(jué)疲勞度也是最大的。因此，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間工作學(xué)習(xí)時(shí)，光源照度控制在350lx左右，色溫4 000K左右，能達(dá)到較高的學(xué)習(xí)工作效率。

馬秀峰等[11]的研究表明，受試者對(duì)照度條件為300～850lx的照明環(huán)境有較好的適應(yīng)性。短時(shí)間內(nèi)，高照度、一般工況照明的整體滿意度較高，原因可能是高照度的環(huán)境會(huì)給人以明亮輕松的感覺(jué)[12]，同時(shí)，在色溫為4 000K的工況下工作效率最高，疲勞度最低。因此，短時(shí)間工作學(xué)習(xí)時(shí)，推薦使用中性色溫（4 000K）、高照度（750lx左右）的照明方案，能夠有效提高人的專注度，適合細(xì)致的工作場(chǎng)景。

2.2 心理影響

不同的照明條件會(huì)讓使用者產(chǎn)生不一樣的心理感受。相同照度條件下，色溫的變化會(huì)對(duì)使用者的心理情緒產(chǎn)生不同的影響。一般來(lái)講，光源色溫在3 300K以下屬于暖色光，會(huì)給人溫和舒適的心理感受，光源色溫在3 300～5 300K可較好地反映被照射物體自身的顏色，能使人專注，讓人有振奮及清新的感受。當(dāng)色溫在5 300K以上時(shí)，通常屬于中高色溫，色溫偏冷，空間整體氛圍會(huì)顯得嚴(yán)肅、冷清，使人產(chǎn)生壓抑、煩躁、緊張的心理感受。光源在同一色溫條件下如果照度過(guò)低，則會(huì)使人產(chǎn)生幽暗、抑郁的感受；如果照度過(guò)強(qiáng)，則會(huì)讓人感到煩躁。

3 不同居住環(huán)境中智能照明的應(yīng)用

雖然影響室內(nèi)照明環(huán)境有很多不同的要素，但對(duì)于光照自身而言，首要考慮的是照度及色溫。住宅各部分有不同的使用功能，因此照明設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)不同空間的使用需求調(diào)節(jié)適宜的照度及色溫。隨著智能照明的發(fā)展，控制色溫和照度分布更容易，用戶可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)精確調(diào)整室內(nèi)不同空間、時(shí)間、應(yīng)用場(chǎng)景下燈光的照度和色溫。智能照明控制系統(tǒng)包括多個(gè)照度傳感器用于采集室內(nèi)的照度，各點(diǎn)光源照度及色溫可自由設(shè)置，用戶可通過(guò)手機(jī)、智能音箱等智能設(shè)備根據(jù)使用的時(shí)間、場(chǎng)景等不同情況調(diào)節(jié)照度及色溫，營(yíng)造不同的室內(nèi)照明效果[13-14]。

3.1 書(shū)房

書(shū)房是日常工作學(xué)習(xí)的場(chǎng)所，因此對(duì)照明設(shè)計(jì)要求較高。我國(guó)和很多其他國(guó)家都規(guī)定教室的照度不應(yīng)低于300lx，同時(shí)有研究表明，高亮度燈光可有效提升使用者的專注力，增強(qiáng)活力，提升興奮度。但也有研究表明，過(guò)度照明也是造成身體不適感和眩光的原因之一，因此建議工作照明控制在1 000lx以下。

在書(shū)房照明設(shè)計(jì)中，光源需提供充足的照度，房間整體照度應(yīng)該保持在100lx，如果使用者將進(jìn)行短時(shí)間的工作學(xué)習(xí)，可將桌面照度相應(yīng)調(diào)高（750lx左右），如果使用者將進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的工作學(xué)習(xí)，可將桌面光源照度適當(dāng)調(diào)低（350lx左右），色溫保持在4 000K左右，能夠達(dá)到較高的學(xué)習(xí)工作效率。

在信息化高度發(fā)達(dá)的今天，視覺(jué)作業(yè)的中心慢慢向操作電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)移，這也常導(dǎo)致用眼過(guò)度而造成眼部疲勞。CHANG P C等[15]的研究表明，在弱光環(huán)境下，電子書(shū)閱讀時(shí)保護(hù)眼部、保持舒適度的最低照度為200lx。因此，當(dāng)用戶使用電子書(shū)等設(shè)備工作學(xué)習(xí)時(shí)，環(huán)境光過(guò)強(qiáng)或是過(guò)弱，致使電子屏幕亮度與外界形成強(qiáng)烈對(duì)比，均易對(duì)眼睛造成刺激，此時(shí)桌面照度可控制在245lx左右，色溫可適當(dāng)調(diào)低，調(diào)節(jié)至3 000K左右，能夠達(dá)到較高的學(xué)習(xí)工作效率，緩解視覺(jué)疲勞。

兒童與成人不同，需要提供充足的光照，否則有可能導(dǎo)致近視。因此，兒童桌面照度應(yīng)保持在550lx左右，如使用計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備桌面的照度應(yīng)保持在350lx左右，并選用4 000K左右色溫的白色燈光照明。目前也有很多廠家嘗試將學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)和燈光照明綁定，調(diào)整光源照度保護(hù)兒童健康。

3.2 客廳

客廳是日常家庭活動(dòng)中最常使用的空間之一，因而客廳照明設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于營(yíng)造空間環(huán)境氛圍的同時(shí)適應(yīng)多用途需求。經(jīng)過(guò)改變照明的組合與調(diào)光可改變空間氣氛，客廳的照度可根據(jù)不同的行為需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

日常生活中，用戶可將客廳照度調(diào)節(jié)至100lx左右，色溫控制在3 500～4 000K；當(dāng)接待訪客時(shí)，應(yīng)創(chuàng)造明亮舒適的照明環(huán)境，客廳整體照度應(yīng)保持在150lx左右；當(dāng)有讀寫(xiě)需求時(shí)，可使用落地?zé)艋蚺_(tái)燈用作重點(diǎn)局部照明，茶幾上方及沙發(fā)周圍保證300～500lx的照度供用戶讀寫(xiě)使用。

再如看電影聽(tīng)音樂(lè)時(shí)，需將客廳光源調(diào)暗，使用低照度的間接光照，可營(yíng)造和睦輕松的氛圍；當(dāng)暫停觀影時(shí)，需將光源調(diào)亮。這些自然的活動(dòng)在傳統(tǒng)家居照明中步驟繁瑣、操作不便，甚至達(dá)不到預(yù)期效果。而借助物聯(lián)網(wǎng)半導(dǎo)體照明技術(shù)，當(dāng)將客廳作為家庭影院時(shí)，可改變燈光顏色，以彩光作為主體，營(yíng)造沉浸式照明體驗(yàn)，并適當(dāng)降低空間照明照度，提高整體空間的體驗(yàn)感和享受度。智能照明光源可呈現(xiàn)豐富的照明效果，也可模擬色彩斑斕的舞臺(tái)燈光，先前模擬舞臺(tái)照明設(shè)備通常尺寸較大且操作復(fù)雜，很難在家中安裝使用，而隨著半導(dǎo)體照明、物聯(lián)網(wǎng)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，使此類照明體驗(yàn)可擴(kuò)展到居家環(huán)境中。

3.3 餐廳與廚房

餐廳區(qū)域的照明質(zhì)量會(huì)直接影響使用者的食欲，因此餐廳照明設(shè)計(jì)在考慮功能性的同時(shí)，要注重就餐氛圍的營(yíng)造。餐廳照明應(yīng)將餐桌上的直接照明與提高空間氛圍感的間接照明相結(jié)合。餐廳中的行為主要是圍繞餐桌展開(kāi)，突出餐桌及其周圍進(jìn)行局部照明，有助于促進(jìn)就餐和談話的輕松氛圍。采用暖白色燈光（3 000K左右）相比冷色燈光和低照度燈光更適合餐廳就餐時(shí)使用，能提升人的食欲，餐廳整體亮度控制在50lx，餐桌則為300lx左右。餐桌周圍可配合間接照明使用，如落地?zé)?、壁燈等，照度?yīng)控制在50lx左右，可營(yíng)造更親切融洽的氣氛，提高居家生活舒適度。同時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)燈光照度改變餐廳氛圍，如將餐廳整體照度降低，可營(yíng)造出高雅溫馨的用餐氛圍。

廚房是家務(wù)活動(dòng)較密集的場(chǎng)所，該區(qū)域的照明通常光源柔和明亮，易于操作。廚房照明由一般照明和局部重點(diǎn)照明組成，廚房整體照度應(yīng)控制在150lx左右，而且高照度的環(huán)境會(huì)讓人味覺(jué)更靈敏。同時(shí)廚房應(yīng)首先滿足洗菜做飯等基本功能需求，操作臺(tái)周圍應(yīng)選用白色光源照明（4 000～5 000K），讓使用者精力更集中，不會(huì)產(chǎn)生色差，并保證200～400lx的局部照度，清除暗部死角，讓廚房空間更有清潔感。

3.4 臥室及衣帽間

臥室是供使用者休息、放松的空間，需要安靜放松柔和的空間氛圍，臥室的照明設(shè)計(jì)需滿足不同的使用需求，如閱讀、休息等。通常臥室照度可保持在20～100lx，在床頭寫(xiě)字臺(tái)、梳妝臺(tái)等局部可設(shè)置150～400lx照度的光源以供用戶讀寫(xiě)及起夜使用。已有研究表明，在同樣照度條件下，隨光源色溫的升高，燈光顏色逐漸由偏黃向藍(lán)白過(guò)度，大腦興奮度會(huì)隨之增加。此外低照度的光源也會(huì)促進(jìn)褪黑素的分泌，有助于提高睡眠質(zhì)量。因此，低色溫低照度的照明能夠更好地營(yíng)造促進(jìn)睡眠的空間環(huán)境，臥室可將色溫調(diào)節(jié)至2 000～3 200K，尤其是中老年的臥室，特別要注意采用低照度、低色溫光照。此外，還可通過(guò)智能照明系統(tǒng)控制光源照度逐漸降低并延遲關(guān)燈。

衣帽間和儲(chǔ)物間照明最重要的是讓使用者可清楚地看到儲(chǔ)藏的物品，而且能清楚辨識(shí)物品的顏色，所以燈光的色溫應(yīng)該選用與自然光光色比較接近的白色光（4 500K），照明照度在30lx左右。

3.5 衛(wèi)浴空間

衛(wèi)生間不僅是使用者清潔、洗浴、方便的空間，而且是人們身心得到放松的地方，所以衛(wèi)生間所創(chuàng)設(shè)的照明條件應(yīng)在滿足照明功能需求的同時(shí)，確保使用的舒適度。衛(wèi)生間應(yīng)考慮用暖色燈光營(yíng)造輕松的氛圍，整體照度應(yīng)保持在100lx左右。在洗漱間，人們要對(duì)著鏡子梳妝打扮，因此，洗手池上方及化妝鏡應(yīng)該采用重點(diǎn)照明，可安裝鏡前燈，讓光源均勻照射使用者的面部，避免陰影對(duì)洗漱、化妝等日?；顒?dòng)的影響。將照度控制在300～500lx，色溫應(yīng)選用接近自然光的白色光（4 500K）。

使用者在深夜去廁所時(shí)，如果燈光照度過(guò)高，明暗對(duì)比過(guò)強(qiáng)，人眼將無(wú)法較快適應(yīng)空間的明暗變化，而且隨著年齡增長(zhǎng)，會(huì)減弱人對(duì)明暗變化的調(diào)節(jié)適應(yīng)能力，且過(guò)高的照度會(huì)對(duì)使用者的睡眠質(zhì)量產(chǎn)生影響，還易發(fā)生摔倒等事故。因此在居家環(huán)境中應(yīng)注重明暗環(huán)境過(guò)渡的照明調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，采用“緩和照明設(shè)計(jì)”方法，照度控制區(qū)分晝夜，這樣能讓使用者較好地適應(yīng)光線的強(qiáng)弱變化，白天和夜晚的光照亮度可通過(guò)智能照明系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)，白天照度控制在75～150lx，夜晚照度應(yīng)控制在10lx左右。

3.6 走廊和樓梯間

樓梯屬于房屋中較危險(xiǎn)的區(qū)域，經(jīng)常會(huì)有踩空或摔倒等意外情況發(fā)生。因此，樓梯照明的關(guān)鍵是要讓人看清每個(gè)臺(tái)階的高度和位置，通常選用壁燈或筒燈用作走廊照明，考慮到深夜會(huì)偶爾去衛(wèi)生間等情況，需在走廊安裝腳邊燈，所以走廊和樓梯白天整體照度應(yīng)保持在50lx左右，夜晚為2lx左右。走廊和樓梯間色溫應(yīng)保持在3 500～4 000K。

4 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)使用固定開(kāi)關(guān)控制照明的方式相比，使用物聯(lián)網(wǎng)、智能調(diào)光技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)住宅照明更加便捷舒適。基于Wi-Fi、藍(lán)牙技術(shù)的照明系統(tǒng)不僅使燈具控制更方便智能，且對(duì)比功能形式較單一的傳統(tǒng)照明，其功能更多樣，使用也更便捷，使照明成為家居生活中的亮點(diǎn)之一。隨著人工智能技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展完善，以及社會(huì)共識(shí)的有力推動(dòng)，智能家居照明將會(huì)給用戶帶來(lái)更多、更好的體驗(yàn)。