多功能室內智慧照明技術發展與實踐探討*

徐 華， 王海量， 王 磊， 劉力紅， 楊 莉， 盧朝建

(清華大學建筑設計研究院有限公司，北京 100084)

0 引言

隨著科學技術的快速發展和人們生活水平的提高，人們對健康的要求越來越高。人的大部分時間是在室內度過的，室內光環境的好壞，不僅影響視覺健康，還會影響心理和生理健康。照明的非視覺效應(生理健康節律、心理情緒、注意力、警覺性等)對健康的影響也越來越被大家所認知，而隨著半導體照明技術的發展和物聯網技術的興起，照明行業正在經歷著深刻的變革，光源LED化、燈具驅動數字化、照明控制物聯化和智慧化，為自動構建舒適的照明環境提供了極大的可能，智慧照明的實施已經被提上議事日程。筆者結合科技部課題“新形態多功能室內智慧照明關鍵技術及系統集成”研究成果和項目示范，探討室內智慧照明技術發展和實踐，希望能起到拋磚引玉的作用。

1 健康照明

所謂健康照明，就是通過照明改善并提高人們工作、學習、生活的條件和質量，促進心理和生理健康。從目前被大家所共識的健康照明標準(表1)中可看出，在傳統的照明設計和照明標準中，關注的指標(如照度、均勻度、色差、炫光、頻閃)主要是基于視覺安全，2017年諾貝爾生理學與醫學獎頒給了三位美國科學家Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash、Michael W. Young，以表彰他們發現了調控晝夜節律的分子機制，開啟了健康照明研究和應用的快車道，所謂晝夜節律是指生命活動以24h左右為周期的變動，又稱近日節律。光的非視覺效應與晝夜節律緊密相關，隨著LED快速發展，健康照明得到深入地研究與應用。

健康照明及標準 表1

2 LED照明技術的發展

LED照明技術用于室內是1993年日本首先取得突破，并在1996年實現白光LED之后得到快速發展。由于LED具有長壽命、易控制、防震動、色彩豐富等特點，效率逐步提高到已經超過傳統光源，所以LED飛速進入室內照明領域。從照明應用上看，技術已經成熟，并有應用標準支撐，如GB/T 31831-2015《LED室內照明應用技術要求》、GB/T 31832-2015《LED城市道路照明應用技術要求》、GB/T 38539-2020《LED體育照明應用技術要求》等系列標準的出臺，特別是GB 50034-2013《建筑照明設計標準》已經修編報審，新版本預計2021年發布，對LED室內照明的應用會有更大的促進作用。

不同場景下的智慧和健康照明，有不同的人本訴求和操控方式，譬如：家居照明、臥室照明、辦公照明、教室照明、醫院照明、養老照明、會議照明、工廠照明等，都有各自不同的場景定義和檢測標準，這些都需要燈具配套完成，要滿足不同場景需求，就需要多功能燈具，如燈具本身可變顏色、變色溫，具有現場傳感感應器，能夠感應溫度、濕度、氣體、聲音、人員存在等。

3 室內照明控制

室內照明控制的發展經歷了傳統的面板開關控制、聲音控制、感應控制、總線回路控制、總線單燈控制、無線控制、網絡遙控等，除了簡單的面板控制、聲音控制、感應控制等現場分散控制外，總線回路控制、總線單燈控制、無線控制、網絡遙控等被統稱為智能照明控制，目前在室內照明控制領域應用最廣泛的為總線回路控制和總線單燈控制形式，總線回路控制原理圖見圖1，總線單燈控制原理圖見圖2。

圖1 總線回路控制原理圖

圖2 總線單燈控制原理圖

總線回路控制協議眾多，如歐洲安裝總線KNX協議、RS485協議等，采用控制總線控制每個燈具供電回路的閉合和斷開。

DALI協議是總線單燈控制典型系統，采用DALI控制總線控制每套燈具，此系統與回路控制的區別是回路控制時，控制總線只連接裝有控制模塊的照明配電箱，不連接燈具，DALI控制總線需要連接每套燈具。其平面圖區別見圖3～4。圖3中，控制總線不連接燈具，只連接控制面板、感應器等控制元件，控制總線和配電回路分別連接配電箱。圖4中，DALI控制總線除了與控制面板、感應器連接外，還與每套燈具連接，達到單燈控制要求。

圖3 總線回路控制平面圖

圖4 總線單燈控制平面圖

隨著物聯網技術的發展，智能照明向智慧照明邁進，以人的行為、視覺功效、視覺生理心理研究為基礎，開發更具有科學含量的、以人為本的高效、舒適、健康的智慧化照明。總的來說，當前國內智慧照明發展的主要趨勢有：(1)人性化，注重以人為本的理念，根據人的需求來設計控制，并能靈活地對系統進行改變調整，提高人們的生活；(2)可拓展性，照明控制系統能滿足日益增多的不同類型種類的設備接入現有系統，遵守可持續發展的策略；(3)標準化，為不同廠商設備統一制定標準，加速照明系統控制技術發展。智慧照明更能貼合人的需求，室內智慧照明系統大致可以分為三個技術層面：(1)基于云端的應用與服務；(2)室內燈具的無線控制網絡；(3)智慧照明產品內部的嵌入式控制軟件與驅動。

智慧照明除了基于總線技術之外，基于無線技術的室內照明控制更為方便，目前無線控制網絡在室內照明控制應用最多的有Wi-Fi、藍牙和ZigBee，他們之間的對比見表2。

三種室內無線技術對比分析 表2

此外，基于電力線通信PLC技術，也是智慧照明一個重要選項。無論是新建建筑還是改建建筑，電力線無所不在，用于智能控制時，無布線成本，不影響建筑已有的裝修,并且通信距離和穩定性也有優勢。

本課題組成員單位研發的PLC/微功無線雙模通信技術，以470～510MHZ為射頻信號載頻，在低成本、低功耗的前提下，利用高速微處理技術、無線自組網和自動中繼等方式實現遠距離、多數據傳輸，其信道不受現場電網環境影響，具有實時性好、速率較高和網絡穩定性等特點。融合電力載波通信技術和微功率無線通信技術的優點，雙模技術，在電力線載波信道穩定時，充分利用載波通信的穿墻和躲障礙物的能力，彌補微功率無線通信技術的不足；而在電力線載波信道不穩定時，微功率無線作為載波通信的輔助補充通信手段，暫時替代電力線，以保持通信實時性和穩定性。

雙模通信模塊集成了微功率無線通信和載波通信兩種調制解調模塊；由一個主控芯片根據應用現場的復雜環境來協調兩種通信信道之間的自動切換，實現異構網絡的融合和優勢互補，優化組網結構，擴大覆蓋范圍，消除通信盲點，提高通信成功率，克服單一信道通信成功率和收發數據可靠性等方面的不足。

在已建建筑物內的照明改造中，沒有照明控制總線，如果改造為總線形式，工程量大、施工周期長，在這種狀態下，采用集成了PLC/微功率無線模塊的智能照明系統，是一個合理的選擇。該系統基于電力線有線通信和無線通信協同融合的方式，消除通信盲點，解決建筑物內房間多、障礙物多等潛在的通信障礙，以保證通信的穩定性和照明控制的可靠性。

PLC/微功率無線雙模通信芯片是本項目產品研發所采用的核心芯片，實現數據在電力線通信信道上的調制、解調以及數據傳輸和轉發功能，物理層速率>10Mbps、應用層速率>2Mbps；支持從節點個數>1 000個，最大可支持15級中繼。

將PLC/微功率無線雙模通信模塊，應用于智慧照明控制系統中的PLC協調器、PLC面板及智能燈具中的單燈控制器等智能設備的集成設計，如圖5所示。在圖5中，智能網關由單個網關路由器和多個PLC協調器組成，以適應照明現場復雜的電力線布線環境，如多級配電柜現場。

圖5 PLC/微功率無線模塊用于智慧燈控系統示意圖

4 項目示范

本課題組研發的基于PLC/微功率無線模塊用于智慧燈控系統，在江蘇省南通市通州區二甲醫院和南通東晟醫療廢物處理有限公司進行了示范工程。南通市通州區二甲醫院為改造項目，把原有燈具換成本課題研發的多功能燈具，在原有配電箱上加裝PLC協調器，每個燈具可以調光、調色溫，就地具有藍牙控制、PLC面板控制，智能控制平臺實現總控，十分方便。

南通東晟醫療廢物處理有限公司為新建辦公樓，該建筑共4層，主要功能房間有：走廊、大廳、衛生間、庫房、設備機房、4人主管辦公室、12人辦公室等多人辦公室、大會議室、14人會議室、員工培訓室、經理或董事長辦公室、企業文化展廳、多人休息室、領導休息室、健身房等。照明控制方案見表3。一層典型配電系統圖見圖6，一層照明平面圖見圖7。

圖6 一層典型配電系統

圖7 一層照明平面圖

照明控制方案 表3

PLC網關是集成控制、管理、計算和通信等功能的基礎開放平臺。網關包含PLC-CCO模組、MCU模塊。特性：(1)PLC 網關在系統中通過PLC協調器進行協議轉換與STA通信；(2)具備應用地址配置和管理；(3)具備場景配置與控制；(4)具備控制程序邏輯配置與控制；(5)具備系統設備狀態監測功能；(6)具備通過網絡把系統的指令同步傳遞到云端。

場景可通過按鍵信號、時鐘信號、傳感器信號等進行觸發，場景控制邏輯通過PLC網關進行配置，場景配置信息保存在每個受控設備內，當進行場景控制時，被尋址選中的受控設備可以實現同步響應。本項目達到預期目的。

5 結束語