摘要：本文對智能照明系統(tǒng)的產(chǎn)生背景進行了簡要闡述，介紹了智能照明的應(yīng)用優(yōu)勢及其主要組成部分，并對智能照明系統(tǒng)的幾種核心技術(shù)進行了探討與分析。對該系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景進行了分析與展望。
關(guān)鍵詞：智能照明;LED;通訊;控制算法;語音識別
0 引言
照明系統(tǒng)作為與人民生產(chǎn)生活關(guān)系為密切的系統(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(dāng)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(dāng)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(dāng)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。
1.2.2 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。
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。基于其未來前景，美國 GE、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: 一為學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)，建立模板庫; 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，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。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)致要放置許多傳感器，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，就需要必須關(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(xué)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: 由 Kanellakopoulos、Kokotovic 等學(xué)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*的控制結(jié)果。
(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)，并找到解法。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。因此該算法具有自適應(yīng)能力，并可以實現(xiàn)線性的控制變化。
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，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 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(fēng)暴。
在 2018 法蘭克福照明展上，展商便已經(jīng)向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(xué)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LED高天井燈，還是國星光電的 LED 面板燈，均在舞臺上大放光彩，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*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，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(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1000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 安科瑞智能照明控制系統(tǒng)
Acrel-BUS智能照明控制系統(tǒng)，是基于KNX總線技術(shù)設(shè)計的控制系統(tǒng)。KNX總線技術(shù)起源于歐洲，是在EIB，Batibus和EHS這三種住宅和樓宇的總線控制技術(shù)上發(fā)展起來的，其中EIB（European Installation Bus,歐洲安裝總線）是該總線技術(shù)的主體。
Acrel-BUS智能照明控制系統(tǒng)采用標準的2*2*0.8EIB BUS總線（即KNX總線）作為總線線纜，將所有的智能照明控制模塊連接到一起并組成一套完整的控制系統(tǒng)，既可實現(xiàn)照明燈具的遠程集中控制，又可實現(xiàn)就近控制功能。該系統(tǒng)理論連接控制模塊數(shù)量達580000多個。
安科瑞智能照明控制產(chǎn)品種類齊全，方案完善。用戶可通過控制面板、人體感應(yīng)、照度感應(yīng)、微波感應(yīng)、上位機系統(tǒng)、觸摸屏、手機、平板端等多種控制終端實現(xiàn)靈活多樣的智能化控制，特別適合于各類智能小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校、酒店，以及體育場所、機場、隧道、車站等大型公建項目的照明系統(tǒng)。
產(chǎn)品選型方案
安科瑞智能照明產(chǎn)品種類齊全，方案完善。用戶可通過控制面板、人體感應(yīng)、照度感應(yīng)、微波感應(yīng)、上位機系統(tǒng)、觸摸屏、手機、平板端等多種控制終端實現(xiàn)靈活多樣的智能控制，特別適合于各類智能小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校、酒店，以及體育場所、機場、隧道、車站等大型公建項目的照明系統(tǒng)。
4.1系統(tǒng)工作原理示意圖
4.2開關(guān)驅(qū)動器
用于對設(shè)備進行開關(guān)控制的驅(qū)動器，具有延時、預(yù)設(shè)、邏輯控制、場景、閾值開關(guān)等功能，電氣參數(shù)如下：
設(shè)備供電電壓 | 21～30V DC 12mA(max) |
功率 <360mW | |
操作指示 | 紅色和綠色 LED 以及按鍵 |
輸出參數(shù) | 110—250V AC 50/60Hz |
輸出電流 16A | |
每路功率損耗 1.5W | |
防護等級 | IP 20 EN 60529 |
溫度范圍 | 正常運行 -5--45℃ |
儲存溫度 -25--55℃ | |
運輸溫度 -25--75℃ | |
安裝方式 | 標準 35mm 軌道安裝 |
設(shè)備供電電壓 | 21～30V DC 12mA(max) |
功率 <360mW | |
操作指示 | 紅色和綠色 LED 以及按鍵 |
輸出參數(shù) | 110—250V AC 50/60Hz |
輸出電流 16A | |
0---10V DC 調(diào)光信號 | |
防護等級 | IP 20 EN 60529 |
溫度范圍 | 正常運行 -5--45℃ |
儲存溫度 -25--55℃ | |
運輸溫度 -25--75℃ | |
安裝方式 | 標準 35mm 軌道安裝 |
傳感器是一種能感受外界信號、物理條件（如光、移動）的設(shè)備裝置，并將感應(yīng)的信息傳遞給其它設(shè)備裝置（如調(diào)光器、開關(guān)驅(qū)動器），電氣參數(shù)如下：
設(shè)電電壓 | 21～30V DC 12mA(max) |
功率 <360mW | |
操作指示 | 紅色和綠色 LED 以及按鍵 |
防護等級 | IP 20 EN 60529 |
溫度范圍 | 正常運行 -5--45℃ |
儲存溫度 -25--55℃ | |
運輸溫度 -25--75℃ | |
安裝方式 | 嵌入式安裝 |
4.5總線電源
KNX/EIB 系統(tǒng)標準供電電源，為總線提供電壓640mA 輸出電流，多可以為 64 個設(shè)備供電，帶總線復(fù)位、 過流指示和短路保護。標準導(dǎo)軌安裝，電氣參數(shù)如下：
輸入 | 85～260V AC 50/60Hz |
輸出 | 標稱電壓 21—30V DC |
輔助電壓 30V DC | |
ASL100-P640/30 640mA | |
功率 <360mW | |
操作指示 | 紅色和綠色 LED 以及按鍵 |
防護等級 | IP 20 EN 60529 |
溫度范圍 | 正常運行 -5--45℃ |
儲存溫度 -25--55℃ | |
運輸溫度 -25--75℃ | |
安裝方式 | 標準 35mm 軌道安裝 |
用于接受按鍵觸動信號，可通過區(qū)分短按與長按并結(jié)合不同參數(shù)配置實現(xiàn)開關(guān)、調(diào)光、場景、窗簾控制、調(diào)溫、報警等功能，電氣參數(shù)如下：
設(shè)備供電電壓 | 21～30V DC 12mA(max) |
功率 <360mW | |
操作指示 | 紅色和綠色 LED 以及按鍵 |
輸入?yún)?shù) | 外接輸入 20V DC |
防護等級 | IP 20 EN 60529 |
溫度范圍 | 正常運行 -5--45℃ |
儲存溫度 -25--55℃ | |
運輸溫度 -25--75℃ | |
安裝方式 | 標準 86 盒安裝 |
用于接受外部干接點信號輸入，可通過不同參數(shù)配置實現(xiàn)開關(guān)、調(diào)光、場景、窗簾控制、調(diào)溫、報警等功能，電氣參數(shù)如下：
設(shè)備供電電壓 | 21～30V DC 12mA(max) |
功率 <360mW | |
操作指示 | 紅色和綠色 LED 以及按鍵 |
輸入?yún)?shù) | 外接輸入 20V DC |
防護等級 | IP 20 EN 60529 |
溫度范圍 | 正常運行 -5--45℃ |
儲存溫度 -25--55℃ | |
運輸溫度 -25--75℃ | |
安裝方式 | 標準 35mm 軌道安裝 |
4.8系統(tǒng)功能
1）光照度監(jiān)測，對利用自然光照明區(qū)域，根據(jù)自然光照度變化，進行照明控制和調(diào)節(jié)，滿足照明和節(jié)能要求；
2）公共區(qū)域、走廊、通道、門廳、電梯廳等的照明，應(yīng)設(shè)置紅外或微波類人體感應(yīng)器，并結(jié)合智能控制面板，實現(xiàn)各種場景照明控制，盡可能較少燈具點亮?xí)r間；
3）樓梯間照明采用人體感應(yīng)探測控制；
4）設(shè)備房、設(shè)備房走道采用分組就地控制；
5）室外路燈、景觀等照明采用光照度控制結(jié)合時控的集中控制方式；
6）監(jiān)控系統(tǒng)界面友好，畫面美觀,實時顯示各區(qū)照明工作狀態(tài)；
7）應(yīng)具有完善的用戶權(quán)限管理功能，避免越權(quán)操作；
5 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。
參考文獻
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