照明物聯(lián)網(wǎng)：傳感器如何為智能照明系統(tǒng)創(chuàng)造需求?

作者/Kevin Jensen 艾邁斯半導(dǎo)體傳感器和照明專家

　　如今的一切事物都變“聰明”了，特別是與物聯(lián)網(wǎng)(IoT)相關(guān)的市場(chǎng)被認(rèn)為具有巨大的增長(zhǎng)潛力。萬(wàn)物互聯(lián)的全新可能及由此而來(lái)的龐大數(shù)據(jù)，為無(wú)數(shù)產(chǎn)品提供了發(fā)展愿景。例如，早餐時(shí)，廚房設(shè)備會(huì)準(zhǔn)備新鮮的咖啡和熱面包;洗衣機(jī)會(huì)在紅色襪子將所有白色衣服染成粉紅色之前自動(dòng)停止洗衣;此外，無(wú)論是在家里、購(gòu)物中心還是在街上，照明系統(tǒng)都能夠自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境從而帶來(lái)適宜的照明。

　　1監(jiān)測(cè)、聯(lián)網(wǎng)及控制

　　隨著發(fā)光二極管(LED)的引入，照明設(shè)備的開(kāi)發(fā)理念和設(shè)計(jì)過(guò)程有了翻天覆地的變化。為了能夠使用更有效的控制系統(tǒng)，我們必須學(xué)習(xí)新的電子學(xué)知識(shí)，并為產(chǎn)品設(shè)計(jì)添加新的功能。而在如何更智能地利用光照方面，還有許多值得挖掘的地方。

　　燈具是理想的傳感器節(jié)點(diǎn)。每個(gè)房間都有燈，而這些燈具通常都位于房間的中央位置。通過(guò)添加傳感器可以輕松實(shí)現(xiàn)更高的智能性，例如：光線品質(zhì)、溫度、濕度、空氣品質(zhì)或空間占用監(jiān)測(cè)等。這些數(shù)據(jù)可統(tǒng)一收集后傳送至室內(nèi)的其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。但是，只有在收集到正確的數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)做出相應(yīng)的反應(yīng)。

　　如何在實(shí)體世界和數(shù)字空間之間建立橋梁?將傳感器應(yīng)用在燈具中又有哪些具體要求?正確的組合方式非常重要。

　　2數(shù)據(jù)采集及“智能”用途

　　目前大部分建筑物都具備一些基本的元素，包括墻壁、門、窗戶、家具或聚會(huì)區(qū)域、空調(diào)或通風(fēng)系統(tǒng)以及照明設(shè)備等，鑒于電氣網(wǎng)絡(luò)分布在建筑物的各個(gè)位置，而每個(gè)房間都安裝有燈具，燈具顯然是作為傳感器“熱點(diǎn)”的絕佳選擇，因?yàn)樗怂斜仨毜脑兀弘娏?、房間的中央位置以及人。

　　人們到底希望監(jiān)測(cè)什么，這是制造商需要思考的問(wèn)題，同時(shí)也幫助他們運(yùn)用專有知識(shí)制訂針對(duì)性的銷售策略，而這些策略不能很快地被復(fù)制。

　　添加空氣質(zhì)量和濕度監(jiān)測(cè)功能可以使建筑自動(dòng)化更智能，并且節(jié)省能源和增進(jìn)系統(tǒng)效率。此外，主動(dòng)照明控制還能確保員工在整個(gè)工作日都感到舒適、充滿活力, 從而始終保持斗志?？紤]到能源之星及其他國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求，智能傳感器及控制的概念正變得越來(lái)越重要。

　　圖1 燈具中的傳感器技術(shù)做為物聯(lián)網(wǎng)連接的中樞元件

　　當(dāng)然，傳感器技術(shù)的采用勢(shì)必會(huì)增加燈具的物料成本(BOM)。但我們也需要思考：“傳感器技術(shù)創(chuàng)造了哪些附加價(jià)值?”“哪些特性將幫助開(kāi)拓新市場(chǎng)?”檢測(cè)空氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC,Volatile Organic Compound)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)的預(yù)警系統(tǒng)，或是以人為中心照明(HCL,Human-centric lighting)的完整光譜?手持設(shè)備用戶通常很少抱怨硬件部分，卻往往會(huì)因?yàn)樵撛O(shè)備不具備特定傳感器，導(dǎo)致其app應(yīng)用沒(méi)有某些新功能而感到失望。

　　3監(jiān)測(cè)：收集數(shù)據(jù)

　　為了使設(shè)備變得更智能，使用正確的傳感器是重要因素。行動(dòng)引發(fā)反應(yīng)-收集的數(shù)據(jù)將讓使用者能以特定的方式做出反應(yīng)。艾邁斯半導(dǎo)體(AMS)提供直覺(jué)式的解決方案：智能照明管理器。通過(guò)該傳感器解決方案，不僅能監(jiān)測(cè)光線，而且能單獨(dú)地對(duì)色溫和亮度差異直接做出反應(yīng)。同時(shí)，該系統(tǒng)還能用作傳感器橋接界面，進(jìn)而連接更多的傳感器。

　　諸如上述提到的溫度測(cè)量、空間占用探測(cè)、濕度測(cè)量、空氣品質(zhì)測(cè)量(VOC)或氣壓測(cè)量。獲得的數(shù)據(jù)可被用于控制光線品質(zhì)或改善房間本身。例如基于傳感器測(cè)量數(shù)值的主動(dòng)亮度控制能在窗口有足夠陽(yáng)光透進(jìn)來(lái)時(shí)將燈調(diào)暗，或者主動(dòng)測(cè)量色溫并加以控制從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式的日光控制。其它傳感器數(shù)據(jù)則被傳送到連接的設(shè)備上，并被用于實(shí)現(xiàn)建筑物自動(dòng)化。例如空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)可以傳送至通風(fēng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

　　為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化的連接并擴(kuò)展系統(tǒng)，需要添加諸如I2C或UART等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口。此外，UART還能采用RS-485網(wǎng)絡(luò)插頭做為數(shù)據(jù)通信接口，實(shí)現(xiàn)快速使用。這就提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的基于有線或無(wú)線的方式與收集和處理數(shù)據(jù)的控制中心相連接的解決方案。

　　圖2 智能照明管理器 AS7211：用于光源監(jiān)測(cè)控制和調(diào)整的集成傳感器

　　圖3 AS7225自帶微控制器和I2C輸出接口

　　4主動(dòng)式控制：利用數(shù)據(jù)

　　傳統(tǒng)照明產(chǎn)業(yè)青睞標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，因?yàn)檫@樣的產(chǎn)品開(kāi)箱即用，能夠直接組裝成設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品。技術(shù)知識(shí)和專業(yè)能力體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、光線輸出和性能領(lǐng)域。然而，隨著現(xiàn)有設(shè)備引入物聯(lián)網(wǎng)功能的需求不斷增長(zhǎng)，工程師們?cè)絹?lái)越多地問(wèn)自己這些問(wèn)題：在不太了解色度測(cè)量、控制技術(shù)甚至光學(xué)技術(shù)的情況下，有哪些元件可以輕松實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需求?需要多少專業(yè)知識(shí)才能促成物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目落地，產(chǎn)品又需要蘊(yùn)含多少專業(yè)知識(shí)?

　　智能和集成傳感器解決方案在這一點(diǎn)上可協(xié)助您自動(dòng)解決部分問(wèn)題，例如相關(guān)色溫(Correlated Color Temperature, CCT)控制、色彩控制、亮度管理等。舉例來(lái)說(shuō)，可以在幾個(gè)燈具之間建立動(dòng)態(tài)日光控制系統(tǒng)，或者是根據(jù)來(lái)自窗口的入射光來(lái)調(diào)整亮度 (Lux)。而以人為中心的照明 (HCL) 或節(jié)能照明項(xiàng)目能實(shí)現(xiàn)快速實(shí)施。此外，這些解決方案具備靈活性，可以讓具有創(chuàng)造性思維的開(kāi)發(fā)人員隨心使用自己的知識(shí)，發(fā)揮自己的調(diào)光專長(zhǎng)并利用實(shí)際的傳感器數(shù)據(jù)。

　　通過(guò)智能照明管理器集成的PWM(脈寬調(diào)變)所具備的0-10V輸出可以直接調(diào)節(jié)輸出值。通過(guò)校準(zhǔn)的反饋回路來(lái)自動(dòng)執(zhí)行調(diào)光或調(diào)整可以使照明更智能。房間里的所有燈具都要運(yùn)行在5000K?沒(méi)有問(wèn)題，集成的傳感器能檢測(cè)當(dāng)前值并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。無(wú)論是否使用不同供應(yīng)商的LED，還是發(fā)生LED顏色輸出隨時(shí)間老化的現(xiàn)象，只要暖白色和冷白色組成的LED仍然可以達(dá)到這個(gè)色溫，傳感器就能將CCT調(diào)整到所要求的值。

　　但是，如果我已采用了自己的微控制器，并且想自己運(yùn)用這些知識(shí)，那又該怎么做?如果是這樣，那么智能照明控制器(Smart Light Director)就是絕佳選擇。該解決方案能利用I2C接口將相對(duì)應(yīng)的色度值直接傳送到單獨(dú)的控制器，而制造商也可通過(guò)采用Dali等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制。

　　圖4 快速并簡(jiǎn)單地結(jié)合傳感器和燈具

　　5網(wǎng)絡(luò)：數(shù)據(jù)的智能處理，互聯(lián)及增值

　　硝煙彌漫的照明市場(chǎng)有一個(gè)眾所周知的問(wèn)題：價(jià)格壓力。越來(lái)越多的低成本供應(yīng)商不斷為市場(chǎng)帶來(lái)新的解決方案，但他們卻對(duì)品質(zhì)要求缺乏關(guān)注。智能聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)不僅能創(chuàng)造獨(dú)特的功能，還可以通過(guò)針對(duì)性的專業(yè)知識(shí)和合作伙伴來(lái)開(kāi)啟新市場(chǎng)，并且推動(dòng)持續(xù)發(fā)展。

　　采用現(xiàn)有的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將“本地端”的監(jiān)測(cè)和控制直接傳送至云端，因此可以直接解決燈具聯(lián)網(wǎng)的問(wèn)題。圖5顯示通過(guò)集成的UART接口和BLE、WIFI或Zigbee，就可以快速連接至一般的輸入裝置。簡(jiǎn)單的AT指令有利于裝置之間的通訊，并確保使用標(biāo)準(zhǔn)化代碼就能在很短的時(shí)間內(nèi)建立連接，其中包括藍(lán)牙(BLE / Smart)、Wi-Fi和Zigbee等標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線元件及有線乙太網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜堆疊和協(xié)定。

　　參考代碼可用于簡(jiǎn)化照明和網(wǎng)絡(luò)之間的復(fù)雜通信。通過(guò)UART接口，還可以使用DALI(digital addressable lighting interface, 數(shù)字可尋址照明接口)或經(jīng)典的RS-485。參考設(shè)計(jì)還顯示使用Android系統(tǒng)手機(jī)或iPhone，就可以快速解決Set_Lux_Target、Read_Lux_Level或Set_Luminaire_Output_Level等標(biāo)準(zhǔn)指令。 即使是GUI(圖形使用者界面)的實(shí)現(xiàn)也是非?？焖俸腿菀椎?。

　　因此，在很短的時(shí)間內(nèi)就能建立物理空間及數(shù)字空間的橋梁，也就是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)照明解決方案。使用智能照明集成套件(SLIK)在24小時(shí)內(nèi)就可以建立原型。

　　圖5 傳感器技術(shù)成為物理空間與數(shù)字世界 (云端)之間的橋梁

　　6結(jié)論

　　只有突破傳統(tǒng)，新想法才能受到矚目，未來(lái)的照明設(shè)計(jì)師才能夠在價(jià)格、性能和功能之間進(jìn)行選擇。然而，問(wèn)題在于如何能在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，具有數(shù)字化附加值的云端解決方案可以解決這個(gè)問(wèn)題。因?yàn)槭褂谜咦约壕湍芸吹竭@些新獲得的數(shù)據(jù)如何被積極使用。消費(fèi)習(xí)慣會(huì)逐漸改變，新的“app”會(huì)出現(xiàn)、客戶需求也會(huì)不斷變化，只有那些能夠積極應(yīng)對(duì)這些改變的人，才能牢牢掌握客戶的心。