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物联网LED智能照明产业的崛起

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-10-21  浏览次数:6622
简介:随着LED技术不断成熟,尤其是大功率白光LED技术的突破和发展, LED从显示,装饰照明开始进入通用照明领域。2011年,全球LED总产值

随着LED技术不断成熟,尤其是大功率白光LED技术的突破和发展, LED从显示,装饰照明开始进入通用照明领域。2011年,全球LED总产值达166亿美元,并处于继续增长势态,LED的市场空间潜力巨大。伴随十二五规划的不断落实和推进,与半导体技术并驾齐驱的智能控制技术快速发展。近年来,物联网、云计算等新兴技术也不断在各领域中推广应用,其在智能照明控制系统中的应用具有可靠性高、灵活度强、扩展方便以及节能率高等优点,已经逐步被使用者关注和接受,尤其在LED结合使用时,不仅可体现控制优势还能充分展示LED的特点。一款优秀的智能照明系统不仅要求对照度、色温、均匀度等硬指标进行控制调节,更要求从人体心理学和生理学需求出发,注意舒适度、光生物安全等软指标。本文试从智能照明角度探讨LED与先进物联网和云计算等技术结合的现代照明系统特点及注意事项,以期达到抛砖引玉的作用。

1 智能照明的内涵

智能技术是基于计算机、传感器、通讯、网络与自动控制等多项技术领域交叉而发展起来的综合技术,其发展水平取决于其支撑技术的发展程度。智能照明技术的发展可以使照明更加节能。最原始的照明控制手段是手动控制灯的开关,之后调光开关的应用为照明注入了最早的智能概念,再到声控、光控以及人体探测开关的问世使智能照明的程度进一步提高。所以智能照明的概念是不断丰富和拓展的,就目前的技术水平而言,智能照明主要是利用计算机、无线通讯数据传输、扩频电力载波通讯技术、计算机智能化信息处理及节能型电器控制等技术组成的分布式无线遥测、遥控、遥讯控制系统,来实现对照明设备的智能化控制。就智能照明功能而言,就是在特定的时间给特定的地点提供舒适、合理的照明光环境,以达到安全、节能、舒适、高效的特点,具体有灯光亮度的强弱调节、光色温改变调节,灯光软启动、定时控制、场景设置等功能。智能照明控制方式见图1所。

 

1 智能照明控制方式示意图

目前市场上的智能照明控制系统产品种类繁多,各供应商根据自己的技术特点,出于保护与竞争目的,制定了多种互不兼容的通讯协议,对用户而言并不十分方便,易导致市场垄断。如果人为地将智能照明控制方式分类,可以分为有线控制和无线控制两类。其中有线控制又包括利用控制线传输控制信号的总线型控制系统,以及利用电力线直接传输控制信号的电力线载波型控制系统。电力线载波型控制是根据电力线信号正负过零点处高频脉冲信号出现与否来传输信号,类似于发送“0”和“1”的代码组合来传递控制信息,但是由于反应速度,带宽,抗干扰等问题,加之我国电网质量不佳,实际应用推广较为困难。无线控制技术是目前发展最快,也是较为简便的一种控制方式,利用无线网络资源或无线通讯技术实现灯具的开关及调光功能。根据目前智能照明控制系统的实际市场情况,本文主要介绍DMX总线及DALI总线两种有线控制技术和GPRSZigBee两种无线控制技。

2 智能照明的实现方式

DMXDigital multiplex(数字多路复用)的英文缩写。DMX512协议最早由USITT(美国剧院技术协会)发展而来,其主要用于并基本上主导了室内外舞台类灯光控制以及户外景观控制。DMX512数字信号以帧为单位传输,每帧数据由同步头和512个字节组成,按串行方式进行数据发送和接收。对于调光系统,每1个字节数据表示调光亮度值,用两位十六进制数表示(从00HFFH),其中00H表示0%FFH表示100%。第1个字节表示第1路亮度值,第2个字节表示第2路亮度值,依次类推,第512个字节表示第512 路亮度值。基于DMX512的智能照明控制系统结构图见图2所示。


2 基于DMX512的智能照明控制系统结构图

D A L I 是数字可寻址照明接口( D i g i t a lAddressable Lighting Interface)的缩写,最初是专为荧光灯电子镇流器设计的,可置入到普通照明灯具中去。DALI控制总线采用主从结构,1个接口最多能接64个可寻址的控制装置/设备,最多能接16个可寻址组,通过网络技术可把多个接口互联来控制大量的接口和灯具。采用异步串行协议,前向帧为主控制设备向灯具发出的控制命令,是1个包括1个起动位、18位地址的字节、18位数据的字节和2个停止位的19位数据;后向帧是从属装置向主控制装置发出的状态信息,是1个包括1个起动位、18位数据的字节和2个停止位的11位数据,从而实现控制信息的下达以及灯具状态反馈的双向信息通讯。基于DALI总线的智能照明控制系统结构图见图3所示。


3 基于DALI总线的智能照明控制系统结构图

目前常见的其他总线技术还包括ibus总线,C-bus总线,HBS总线等,但除了DMX512DALI具体嵌入到灯具产品内部层面外,其他总线都是只到墙壁的连接器和插座等,没有深入考虑到具体灯具产品的层面。

GPRS是通用分组无线服务技术(General PacketRadio Service)的简称,它是GSMGlobalSystem ofMobile communication)移动电话用户可用的一种移动数据业务,是GSM的延续。GPRS与以往连续在频道传输的方式不同,是以封包(Packet)式来传输,因此使用者的费用是以其传输资料单位计算,并非使用其整个频道,理论上较为便宜。通过移动电话的现有网络,基于GPRS技术可实现对灯具的远程无线开关,调光及状态监控。其结构类似于给所需控制的灯具配置了一个手机号码,管理者通过短信的形式与灯具进行信息交换,从而实现双向的信息沟通和交流。基于GPRS无线控制技术的智能照明系统可以很好地实现大面积批量灯具的开关,例如路灯、场馆、工厂、景观,但要具体细致到对每一盏灯具进行控制,系统复杂程度及成本将大大提高。一种基于GPRS无线控制的照明系统结构示意图见图4


4 一种基于GPRS无线控制的照明系统结构示意图

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议,根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其名称来源于蜜蜂的八字舞,由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息,也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本,可以嵌入各种设备。ZigBee是一种高可靠的无线数传网络,类似于GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里,并且支持无限扩展。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象,例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控,还可以自动中转其他网络节点传来的数据资料。除此之外,每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内,和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接,是目前室内无线智能照明系统的生力军。一种基于ZigBee无线控制的照明系统结构示意图见图5


5 一种基于ZigBee无线控制的照明系统结构示意图


3 基于物联网技术的LED智能照明

物联网(Internet of Things)是互联网技术的革命性发展,其意义在于扩大了互联网的外延,将所有物品通过射频识别、红外传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备与互联网连接起来而形成的一个巨大网络,实现智能化识别和管理。如果说互联网是人与人的网络,那么物联网把触角延伸到了机器与物品,是机器与机器、人与机器、物品与物品之间的网络,被称之为继计算机、互联网之后,世界信息产业的第3次浪潮。据市场预测分析,2010年中国物联网市场规模达到2 000亿元,2015年将超过7 500亿元,年复合增长率超30%,到2020年,物物互联业务与现有人人互联业务之比有望达到30:1,物物互联将成为下一个万亿产业。

在商务、工业与室外照明中,存在着很多照明用户的预期,作为基于云的照明管理的一部分,用户希望能从一部智能手机、平板电脑或笔记本上监视与控制一个照明系统,如设定时间表、重新配置区域、设定照明场景,以及监控功率与硬件中的各种传感器。由于LED的开关及调光特性,使得LED能更好地实现即时任务分配,尤其在调光调色方面,LED具有其他光源无法比拟的优势,可以简便地营造出适合需要的照明场景,用灯光烘托气氛。结合远程控制及近距离监控的无线通讯技术,可以通过任何有线或无线的通讯设备,在全球任何地点、任何时间,对所需场所的照明进行精确控制和逐一监测。例如,当人们出差在美国纽约市时,可以通过物联网的智能控制系统关闭家中房间里的照明灯,实现真正意义上的基于物联网技术的LED智能照明系统。一种基于GPRSZigBeeLED智能照明系统示意图见图6所示。


6 一种基于GPRSZigBeeLED智能照明系统


4 LED智能照明的发展趋势

经历了2008年北京奥运会,2010年上海世博会,2011年广州亚运会和深圳大运会的考验,LED在建筑装饰,动态照明效果展示等场合的应用已经得到很好的实践和总结。进入通用照明,尤其是大功率白光LED的应用,在道路照明,隧道照明,商业照明,酒店照明等领域已经率先开始尝试。就照明视觉效果而言,对于通用照明基本的照度,均匀度等指标,LED均能很好地满足,针对LED的讨论应主要集中在色温、光谱对于眩光和显色性的影响。

一般而言,色温越高,光谱中含蓝光成分越多,根据人眼光视光效函数可知,人眼对于555nm的黄绿光最为敏感,对于440nm左右的蓝光并不十分敏感,故而导致LED眩光的主要原因仍然是视线方向的亮度过高或亮度对比度过高而产生的眩光。然而,对于相同功率,相同尺寸的LED灯具,光体验者大多仍然会觉得高色温LED不及低色温LED舒适,所以上文所提及的色温越高,眩光越明显的论调并非完全谬误,只是不够全面,因为此时产生的不舒适眩光可能是由于心理和生理的其他不适引起的,而并非完全是由视觉所决定的。复旦大学的一项研究表明,相同功率和尺寸的荧光灯,8 000K的较3 000K的具有更强烈的视亮度感受,物理亮度越大,差异效果越明显,这一结果的产生通过视觉理论无法完美解释。这可能与照明的非视觉效应有关,光源若具有较丰富的短波长光谱,则会有利于光生物效应的显现。最近一些对于蓝光和褪黑激素的研究表明,褪黑激素对于睡眠、防治癌症、衰老及痴呆甚至是老年人记忆力提升都具有积极的作用,而使用蓝光(短波长光谱)刺激人体,协调褪黑激素的分泌周期来治疗睡眠、抑郁及老年痴呆也在临床实验中积极开展。这就给智能照明在医院,疗养院和养老院提供了推广应用的机会,因为真正适用于人眼视觉是环境光谱,而非光源光谱本身。针对环境光谱而言,智能照明的控制手段能从简单的物理量调整向适合于人体光环境调整转变,而其控制策略及反馈信息都有一进步拓展的可能性。

当前针对照明科技发展中有全局性、战略性和前瞻性的重大理论和实际问题,特别是跨学科以解决当前照明产业发展中复杂性、前沿性和综合性的经济大幅度增长点的问题,应该引起我们充分的重视。而物联网LED智能照明正是属于这类问题中的一个。我国物联网、云计算和LED照明等高科技产业的发展正方兴未艾,对于有无限前景的智能照明系统,完全有能力应用程序本身,更广泛地适用、兼容基于现有的操作系统和技术手段,包括蓝牙,Wi-Fi Android系统和苹果公司的iOS系统等,让用户通过手机或平板电脑快捷简便地享受智能调光的乐趣和利益,从而为LED智能照明系统打开更广阔的市场空间,并为节能减排和绿色照明作出更大的贡献。在人们都意识到LED照明发展的价值之际,应避免将大家都正在走的LED短期性策略长期化,必须如国际上手机竞争出现苹果iPhone那样,占领LED照明产业的制高点。我们设想能否在我国将拥有物联网和云技术的企业与有实力的LED照明企业联姻,或更进一步通过全国半导体产业联盟机构,在LED龙头企业建立物联网LED智能照明研发中心,此中心研发建立由数字视频监控系统,报警管理系统,数据库系统,通用网络系统和智能图像分析系统等组成的一体化软件平台,实现物联网LED智能照明的效果。建议国家有关部门从经费和人力上给予大力支持,可考虑采用产学研的模式,使该中心能真正做到强强联合和优势互补,在我国宏观发展LED产业道路中,实现转型升级与创新发展,让我国物联网LED智能照明产业,无论从技术含量和经济效益上,都成为全球有影响的亮点。

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