淺析智能照明系統(tǒng)

肖 彥， 牛子銘， 買永鋒， 王艷敏

(1.中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100044；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，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(wú)論是應(yīng)用在大型的場(chǎng)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(gè)性化。而傳統(tǒng)的照明方式大多需要進(jìn)行手動(dòng)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(jì)要求。如何結(jié)合現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的高效、節(jié)能控制，同時(shí)滿足人們?nèi)遮厪?fù)雜的照明系統(tǒng)需求，無(wú)疑是一個(gè)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(yùn)而生。該系統(tǒng)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠通過(guò)分析當(dāng)前環(huán)境與個(gè)性要求，利用無(wú)線控制等現(xiàn)代化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的集中化、遠(yuǎn)程化與自動(dòng)化管理，從而達(dá)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(shì)

傳統(tǒng)照明系統(tǒng)通常需要進(jìn)行手動(dòng)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(wèn)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(diǎn)。

(1)全自動(dòng)調(diào)光照明:系統(tǒng)有若干個(gè)基本狀態(tài)，這些狀態(tài)會(huì)按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間相互自動(dòng)切換，并將照度自動(dòng)調(diào)整到最適宜的水平，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)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(lái)調(diào)節(jié)控制天然光，并與燈光系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。當(dāng)天氣發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)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(duì)新建的建筑物進(jìn)行照明設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到燈具效率和房間墻面反射率會(huì)隨著時(shí)間的推移有不同程度的衰減，因此設(shè)計(jì)師對(duì)初始照度均會(huì)設(shè)置得較高。這種設(shè)計(jì)不僅造成建筑物在不同使用期的照度不一致，還會(huì)因開(kāi)始階段照度偏高造成不必要的能源浪費(fèi)。采用智能照明控制后，由于可以智能調(diào)光，系統(tǒng)將會(huì)按照預(yù)先設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)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(chǎng)景模塊，需要時(shí)只要在相應(yīng)的控制面板上進(jìn)行操作調(diào)入所需的場(chǎng)景即可，也可以通過(guò)可編程控制面板對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同要求。

(5)節(jié)約能源:運(yùn)行時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)大多數(shù)燈具進(jìn)行智能調(diào)光，在需要的地方、需要的時(shí)間給以合適的照明，并充分利用自然光，以達(dá)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(zhǎng)光源壽命:智能照明控制系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)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(zhǎng)2～4倍，對(duì)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(shí)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(lái)說(shuō)，系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、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(duì)各部分進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

圖1 智能照明系統(tǒng)的構(gòu)成

1.2.1 PC計(jì)算機(jī)

作為智能照明控制的核心，PC機(jī)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(duì)不同時(shí)間制定相對(duì)應(yīng)的照明計(jì)劃，并設(shè)定相關(guān)的操作規(guī)范。

(2)統(tǒng)計(jì)功能:使用統(tǒng)計(jì)軟件依據(jù)照度需求和功率大小對(duì)工作區(qū)域及照明線路進(jìn)行劃分，并對(duì)照明燈具的照度水平、運(yùn)行時(shí)間、工作狀態(tài)、使用壽命等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

(3)控制功能:依據(jù)當(dāng)前環(huán)境和人們的需求，對(duì)劃分好的各部分區(qū)域進(jìn)行光源的開(kāi)關(guān)控制和自動(dòng)化調(diào)節(jié)；也可在機(jī)器終端進(jìn)行手動(dòng)控制來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)光源的開(kāi)關(guān)及調(diào)光控制，同時(shí)利用其記憶功能防止因停電故障導(dǎo)致的對(duì)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(dòng)功能對(duì)燈具的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，該方式能夠避免電壓突變?cè)斐傻囊曈X(jué)影響，提高人眼舒適度。

依照輸入電源進(jìn)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(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)照明中智能開(kāi)關(guān)的管理，起到對(duì)整個(gè)智能照明控制系統(tǒng)的保護(hù)作用。

具體來(lái)說(shuō)，即通過(guò)對(duì)繼電器模塊的控制，令智能開(kāi)關(guān)采用按序啟動(dòng)的模式，進(jìn)而防止因集中啟動(dòng)產(chǎn)生的浪涌電流；同時(shí)利用模塊中的檢測(cè)能力，根據(jù)回路中電壓、電流等參數(shù)來(lái)判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，并在故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。此外，該模塊還具有發(fā)出跳閘信號(hào)、自動(dòng)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(jìn)而加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化控制。

(1)智能時(shí)鐘:通過(guò)自動(dòng)或手動(dòng)的方式對(duì)多種控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如對(duì)日、周、月等時(shí)間段內(nèi)的照明任務(wù)進(jìn)行可靠的時(shí)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(lái)反映某燈具或某位置的照明效果，還可以對(duì)空間內(nèi)物體的進(jìn)出情況進(jìn)行檢測(cè)。

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(wú)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(guò)強(qiáng)、編程困難的問(wèn)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(wú)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(shì)，因而使用較普遍，但其往往是利用遙控器實(shí)現(xiàn)燈具的開(kāi)關(guān)與調(diào)光控制，無(wú)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(jiǎn)單快捷優(yōu)勢(shì)，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(guò)多時(shí)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(shì)而廣泛應(yīng)用到目前的智能家居之中。缺點(diǎn)是方案成本較高，過(guò)分依賴主機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制，一旦主機(jī)不工作整個(gè)系統(tǒng)將陷入癱瘓。其中Philips Hue、TCL的無(wú)線智能照明便使用的該協(xié)議。

(4)藍(lán)牙技術(shù):目前藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)發(fā)展至藍(lán)牙5.0/藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)，相對(duì)于WiFi技術(shù)，藍(lán)牙具有更低的功耗、更遠(yuǎn)的傳輸距離、可容納更多的傳輸設(shè)備等優(yōu)勢(shì)，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(jī)中。在智能家居領(lǐng)域藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起對(duì)其他技術(shù)會(huì)是一個(gè)巨大的沖擊。Opple、Ledvance、臺(tái)達(dá)等公司均在其智能照明設(shè)備中使用到藍(lán)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(shì)，在我國(guó)已占領(lǐng)了較大的市場(chǎng)。近年來(lái)藍(lán)光LED的發(fā)明填補(bǔ)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(jìn)行有機(jī)融合，使一體化成為未來(lái)LED發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。

(2)OLED:OLED即有機(jī)發(fā)光二極管，利用有機(jī)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(diǎn)；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(shì)。

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(mèng)幻般的產(chǎn)品。基于其未來(lái)前景，美國(guó)GE、德國(guó)歐司朗、荷蘭飛利浦、日本松下電、中國(guó)翌光等都公司均已經(jīng)開(kāi)展OLED照明器件的研究開(kāi)發(fā)。

2.3 語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)

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

語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的工作通常分為兩個(gè)階段:第一為學(xué)習(xí)階段，根據(jù)用戶需求建立常用的語(yǔ)音輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，在系統(tǒng)前端進(jìn)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(duì)輸入語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行學(xué)習(xí)，建立模板庫(kù)；第二為測(cè)試信號(hào)的在線識(shí)別階段，將具體語(yǔ)音指令輸入到系統(tǒng)中，通過(guò)MFCC參數(shù)提取、HMM匹配，最終把響應(yīng)信號(hào)輸出給接受節(jié)點(diǎn)，從而完成照明系統(tǒng)的語(yǔ)音控制[2]。其具體過(guò)程如圖2所示。

圖2 語(yǔ)音信號(hào)識(shí)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(guò)放置光電傳感器來(lái)檢測(cè)相應(yīng)位置的照度從而進(jìn)行調(diào)節(jié)。然而在實(shí)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(cè)得某點(diǎn)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(lái)測(cè)量實(shí)際自然光的照度，這顯然不切實(shí)際。

針對(duì)以上情況，可以通過(guò)建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并采用多種算法對(duì)目標(biāo)區(qū)域的照度期望值進(jìn)行計(jì)算進(jìn)而得到所需輸出的控制量。

(1) 反演算法:最早由 Kanellakopoulos、Kokotovic等學(xué)者提出。其本質(zhì)是一種遞推設(shè)計(jì)方法，通過(guò)將一個(gè)非線性系統(tǒng)分解成多個(gè)子系統(tǒng)，并為每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)Lyapunov函數(shù)和中間虛擬控制量，直到“后退”到整個(gè)控制系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)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(dá)爾文的進(jìn)化論演化出的一種計(jì)算模型。通過(guò)模擬生物進(jìn)化的步驟，引入雜交、繁殖、變異、選擇和競(jìng)爭(zhēng)等概念，利用簡(jiǎn)單的編碼來(lái)表示復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并最終找到最優(yōu)解法。其優(yōu)點(diǎn)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(duì)神經(jīng)元及神經(jīng)沖動(dòng)的研究，通過(guò)模擬生物神經(jīng)元之間信息處理與傳遞，將所需解決的問(wèn)題集合化。其解空間越大，適應(yīng)能力就越強(qiáng)。因此該算法具有優(yōu)秀的自適應(yīng)能力，并可以實(shí)現(xiàn)線性的控制變化。

(4)粒子群算法:于上世紀(jì)末由James·Kennedy和Russell·Eberhart共同提出，通過(guò)模擬飛鳥(niǎo)捕食的行為，通過(guò)本身的演化便可達(dá)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(diǎn)，并同時(shí)適用于多目標(biāo)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(lái)發(fā)展方向。據(jù)OFweek數(shù)據(jù)顯示，過(guò)去五年，全球智能照明市場(chǎng)規(guī)模逐年增加，由2013年的25億元增長(zhǎng)至2017年市場(chǎng)規(guī)模為260億元，短短的五年之間翻了十倍。據(jù)預(yù)測(cè)，2022年全球智能照明行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模有望超過(guò)750億元，其趨勢(shì)如圖3所示；預(yù)計(jì)我國(guó)在2020年也有望突破220億元。

圖3 全球智能照明市場(chǎng)規(guī)模

在2018年，智能照明行業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展階段，各大企業(yè)均大力投資推進(jìn)智能照明技術(shù)的研究和開(kāi)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(tái)等龐大的產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌?chǎng)空間，在各行各業(yè)將掀起一場(chǎng)巨大的技術(shù)風(fēng)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(duì)植物種植照明的解決方案，通過(guò)使用不同顏色、不同角度的光束，不僅能讓植物加快成長(zhǎng)，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(jìn)的紫光LED芯片技術(shù)與TRI-R熒光粉技術(shù)，通過(guò)利用紫光燈珠激發(fā)，從原理上減少了對(duì)人眼有害的過(guò)量藍(lán)光的產(chǎn)生，同時(shí)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(xué)生。

我國(guó)的新興產(chǎn)品也同樣不容小覷，無(wú)論是臺(tái)達(dá)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(guó)星光電的LED面板燈，均在國(guó)際舞臺(tái)上大放光彩，引人矚目。

3.2 智能照明的前景

隨著信息化時(shí)代的到來(lái)與科技水平的提高，智能照明以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)勢(shì)必在未來(lái)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(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性；同時(shí)順應(yīng)新時(shí)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(qiáng)大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

未來(lái)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?yàn)閮r(jià)格或是因?yàn)榱?xí)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(shì)必會(huì)以其顯著的優(yōu)勢(shì)而受到廣泛使用。同時(shí)各種新技術(shù)也可能因此變得實(shí)用化:室內(nèi)植物智能照明、汽車智能互聯(lián)照明、人屏互動(dòng)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(guó)計(jì)劃2020年培育1 000個(gè)左右的特色小鎮(zhèn)，而夜景也必然會(huì)成為一大看點(diǎn)，地方政府在夜景照明中的投入也會(huì)有較大增加。此外，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，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(wú)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(gè)值得發(fā)掘的市場(chǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，人們對(duì)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(shì)，能夠契合人們?nèi)遮厪?fù)雜的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在未來(lái)應(yīng)該可以得到較大的發(fā)展。