讓能源成本降低80%！揭秘智能照明背后的關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)代建筑中最大的能源消耗主要來自照明系統(tǒng)。根據(jù)國際能源署的預(yù)測(cè)，除非采取具體行動(dòng)提高效率，否則到2050年，建筑環(huán)境中的能源需求將增長(zhǎng)50%。因此，智能照明系統(tǒng)迅速走到前臺(tái)，成為現(xiàn)代建筑中能效戰(zhàn)略的重要組成部分，其目標(biāo)是通過使用先進(jìn)的照明設(shè)備和自動(dòng)控制技術(shù)顯著降低能耗，同時(shí)為使用者提供更大的舒適性和安全性。

通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）啟用的智能建筑照明系統(tǒng)可以為建筑業(yè)主、居住者和訪客提供許多好處，比如用戶可通過使用移動(dòng)應(yīng)用程序、語音命令和傳感器來控制他們的照明設(shè)備以達(dá)到優(yōu)質(zhì)體驗(yàn)。如果將物聯(lián)網(wǎng)智能照明系統(tǒng)與暖通空調(diào)和安全設(shè)施等其他建筑系統(tǒng)進(jìn)行集成，還可大幅提高建筑中的整體能源效率。

1.智能照明在樓宇自動(dòng)化中的重要作用

能源之星（Energy STAR）的報(bào)告顯示，對(duì)于企業(yè)而言，能源成本將占到總預(yù)算的三分之一。而能源生產(chǎn)又是每年溫室氣體排放量的主要來源，占比達(dá)到20%。通過利用傳感器、計(jì)時(shí)器和其他先進(jìn)技術(shù)，智能照明系統(tǒng)可大幅減少能源浪費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)更高效的能源利用。如今，智能建筑照明正在迅速成為建筑節(jié)能的重要因素之一。通過采用正確的智能照明控制技術(shù)、智能燈泡以及傳感器等，可將企業(yè)的能源成本降低約80%。

為何智能照明在智能建筑中有如此重要的作用？

首先，智能照明是建筑自動(dòng)化系統(tǒng)的基本需求。從使用角度看，有了智能照明，建筑管理者可用很少的成本提供高質(zhì)量的能源使用效率，同時(shí)建筑中的居住者和使用者還能獲得更多的便利以及更高的適度。例如，只需通過面板或智能手機(jī)即可設(shè)置個(gè)人照明偏好并對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行控制。從運(yùn)營成本角度看，智能照明可大幅提高能源效率。管理人員可以使用智能照明監(jiān)控和調(diào)節(jié)整個(gè)設(shè)施的照明消耗，從而優(yōu)化能源使用并極大限度地減少支出。比如他們可以設(shè)置自動(dòng)時(shí)間表，在不需要時(shí)關(guān)閉燈光，或者根據(jù)空間中的自然光的強(qiáng)度改變燈光的亮度。

其次，智能照明解決方案可以提供基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)于能源使用、照明模式和占用水平的重要數(shù)據(jù)，使管理者能夠做出準(zhǔn)確的設(shè)施管理和維護(hù)計(jì)劃。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)供電的設(shè)備用于收集數(shù)據(jù)時(shí)，智能照明系統(tǒng)就開始了其自動(dòng)化方面的工作。當(dāng)這些數(shù)據(jù)輸入到智能建筑平臺(tái)時(shí)，借助人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，在建筑智能化方面將發(fā)揮重要作用。

再有，物聯(lián)網(wǎng)照明策略還可用于改善居住者的照明體驗(yàn)。先進(jìn)的照明系統(tǒng)可以為不同的活動(dòng)創(chuàng)建不同的照明場(chǎng)景，從而大幅提高工作的舒適度以及生產(chǎn)力。伯明翰大學(xué)的一項(xiàng)研究表明，照明是工作場(chǎng)所舒適度的主要影響因素之一。這項(xiàng)研究甚至說，缺乏足夠的照明會(huì)顯著降低工作效率并對(duì)健康產(chǎn)生負(fù)面影響。 

綜合來看，通過使用先進(jìn)的照明系統(tǒng)并與其他智能建筑系統(tǒng)集成，建筑物可以創(chuàng)造一個(gè)更互聯(lián)、更高效的環(huán)境。接下來，智能照明將成為樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域一個(gè)特別值得行業(yè)期待的市場(chǎng)。

2.智能建筑照明背后的關(guān)鍵技術(shù)

在智能照明系統(tǒng)中，有幾個(gè)關(guān)鍵組件，它們連接一起并根據(jù)系統(tǒng)和應(yīng)用的復(fù)雜性以多種方式進(jìn)行配置，用戶即可通過智能手機(jī)或家庭自動(dòng)化平臺(tái)控制工作場(chǎng)所的照明。了解這些組件的工作和通信方式對(duì)于成功構(gòu)建高效的智能照明系統(tǒng)非常重要。常見的組件包括智能照明燈具、智能照明控制器、智能照明網(wǎng)關(guān)等。

LED燈的效率很高，與普通的白熾燈相比，它們能耗幾乎減少了70%。因此，LED技術(shù)開始逐步滲透到智能照明領(lǐng)域，而LED燈正在成為供應(yīng)商和消費(fèi)者的首選。

Lumileds公司的LUXEON XR-5050 SQR是安裝在剛性導(dǎo)熱基板上的高效LED陣列并針對(duì)照明應(yīng)用而優(yōu)化的LED模塊，該模塊構(gòu)建塊在MCPCB基板上，具有8、12或16個(gè)LUXEON 5050方形LED并集成了電氣連接器，與標(biāo)準(zhǔn)第三方的光學(xué)和散熱器件結(jié)合使用即可組成一個(gè)完整的照明解決方案。這種模塊化方案非常有利于在一個(gè)全新的或翻建的建筑中快速搭建一個(gè)高效的智能照明系統(tǒng)。

圖2：LUXEON 5050方形LED（圖源：Lumileds）

智能燈泡是一種連接到互聯(lián)網(wǎng)、可以進(jìn)行定制、調(diào)度和遠(yuǎn)程控制的LED燈泡，是新興的家庭自動(dòng)化和智能照明領(lǐng)域中非常受歡迎的產(chǎn)品之一。能直接聯(lián)網(wǎng)的智能燈泡允許用戶從方便的位置控制他們的燈具。

這些智能燈泡可以通過集成的Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)相連，可以對(duì)單個(gè)或多個(gè)燈泡進(jìn)行編程，并以指定的方式更改輸出。由于燈泡是聯(lián)網(wǎng)的，用戶還可以利用邊緣計(jì)算為智能燈泡配備內(nèi)置的攝像頭和傳感器，不僅能夠遠(yuǎn)程打開和關(guān)閉這些智能燈泡，調(diào)整燈的顏色，還能將收集的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至控制平臺(tái)。

OSRAM OPTOTRONIC BLE器件是通過智能手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行無線照明控制的基礎(chǔ)。它們提供更簡(jiǎn)單、更直觀、更強(qiáng)大的照明控制，只需連接LED模塊并將其與智能手機(jī)或平板電腦配對(duì)即可，無需額外布線或網(wǎng)關(guān)，為翻新項(xiàng)目開辟了廣泛的可能性，非常適用于智能建筑中的娛樂、餐廳和零售區(qū)等區(qū)域的照明配置。整個(gè)器件由LED燈帶、驅(qū)動(dòng)器和其他附件組成，其中，24 V 藍(lán)牙恒壓LED驅(qū)動(dòng)器OTI BLE 80/220-240/24 1-4 CH和12-24 V藍(lán)牙調(diào)光器OT BLE DIM這兩個(gè)組件構(gòu)成了LED燈帶系統(tǒng)，用于靈活和個(gè)性化的照明解決方案。

圖3：12-24 V藍(lán)牙調(diào)光器OT BLE DIM（圖源：OSRAM）

智能照明網(wǎng)關(guān)可以預(yù)處理來自多個(gè)設(shè)備的通信，在將數(shù)據(jù)發(fā)送到基于云的平臺(tái)之前整合數(shù)據(jù)。為了使網(wǎng)關(guān)能夠處理設(shè)備之間的通信，它必須識(shí)別從傳感器網(wǎng)絡(luò)到傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議會(huì)話。

智能照明系統(tǒng)使用的有線和無線通信協(xié)議包括藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee、DALI、EnOcean和Sigfox等。Zigbee之所以適用于智能照明系統(tǒng)，主要是因?yàn)樗芤猿凸膶?shí)現(xiàn)可靠的通信。每個(gè)照明控制器均可配備一個(gè)Zigbee模塊，形成與Zigbee網(wǎng)關(guān)通信的網(wǎng)絡(luò)。Z-Wave在許多方面與Zigbee相似，但傳輸范圍更短，功耗也更低，易于設(shè)置，通常用于住宅環(huán)境。

使用LoRaWAN技術(shù)的智能物聯(lián)網(wǎng)照明比使用其他傳統(tǒng)的短距離射頻技術(shù)如BLE、Zigbee等更靈敏、性能更穩(wěn)定，成本更低，在街道照明系統(tǒng)中采用基于LoRaWAN的設(shè)計(jì)方案比較多。BLE（藍(lán)牙低能耗）具有功耗低、尺寸小以及良好的兼容性等特點(diǎn)。

此外，BLE還支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)設(shè)備之間可相互通信，在不需要額外基礎(chǔ)設(shè)施的情況下有效擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)范圍，因此，BLE可以說是物聯(lián)網(wǎng)智能照明應(yīng)用的優(yōu)選方案。

事實(shí)上，Wi-Fi也可用于物聯(lián)網(wǎng)智能照明，特別是在需要將大量設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中，Wi-Fi具有相對(duì)較長(zhǎng)的范圍和較高的帶寬是它的加分項(xiàng)，但功耗相對(duì)較高可能限制了其應(yīng)用范圍。

近年來，智能照明技術(shù)的使用越來越受歡迎。然而，智能照明設(shè)備必須能夠成功連接其他智能設(shè)備，比如智能手機(jī)、語音助手和其他設(shè)備，才能充分享受這些優(yōu)勢(shì)。此時(shí)，無線多協(xié)議SOC的優(yōu)勢(shì)就會(huì)十分明顯，這種單芯片、多核解決方案無論在安全性、低功耗、快速喚醒以及集成度上都有著出色的表現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明提供了更高等級(jí)的安全連接。

Silicon Labs公司的無線SoC有多個(gè)產(chǎn)品系列，具有高達(dá)+20dBm的傳輸功率，支持Sub-GHz的ZG28和SG28系列，可很大限度地提高覆蓋范圍和墻壁穿透率。其中，EFR32ZG28 SoC就是一款適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的雙頻Sub-GHz + 2.4GHz BLE SoC解決方案。

與前一代的ZG23系列相比，這款產(chǎn)品非常適合需要更多閃存、RAM和GPIO的Z-Wave應(yīng)用場(chǎng)景，而Z-Wave在智能家居、安防、智能照明等場(chǎng)景的應(yīng)用十分廣泛的。ZG28還可以支持包括Wi-SUN、Amazon Sidewalk和無線M-BUS在內(nèi)的協(xié)議。

圖4：EFR32ZG28 SoC內(nèi)部系統(tǒng)框圖（圖源：Silicon Labs）

3.本文小結(jié)

智能技術(shù)正在重塑人類與建筑的互動(dòng)方式。在我們的個(gè)人生活中，智能照明設(shè)備會(huì)自動(dòng)開燈或關(guān)燈，并管理我們的暖通空調(diào)系統(tǒng)。在我們的工作場(chǎng)所，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)在商業(yè)照明定制、暖通空調(diào)優(yōu)化等方面均取得了巨大進(jìn)步。除了這些基本功能，智能照明系統(tǒng)開始融入人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）等先進(jìn)技術(shù)。有了這些技術(shù)的加持，用戶可以根據(jù)自己的偏好和活動(dòng)場(chǎng)景自定義照明體驗(yàn)。

智能照明控制系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)建筑照明的自動(dòng)化操作，通過利用智能建筑照明背后的技術(shù)，企業(yè)可以節(jié)省資金，減少碳足跡，并為居住者創(chuàng)造一個(gè)更舒適、高效的環(huán)境。智能照明系統(tǒng)正在迅速成為能源效率的重要元素之一，對(duì)于任何尋求盡可能提高其效率的建筑來說都是必不可少的。

文章來源：貿(mào)澤電子