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

作者/Kevin Jensen 艾邁斯半導體傳感器和照明專(zhuān)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)被認為具有巨大的增長(cháng)潛力。萬(wàn)物互聯(lián)的全新可能及由此而來(lái)的龐大數據，為無(wú)數產(chǎn)品提供了發(fā)展愿景。例如，早餐時(shí)，廚房設備會(huì )準備新鮮的咖啡和熱面包;洗衣機會(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、購物中心還是在街上，照明系統都能夠自動(dòng)適應環(huán)境從而帶來(lái)適宜的照明。

　　1監測、聯(lián)網(wǎng)及控制

　　隨著(zhù)發(fā)光二極管(LED)的引入，照明設備的開(kāi)發(fā)理念和設計過(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，我們必須學(xué)習新的電子學(xué)知識，并為產(chǎn)品設計添加新的功能。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)現更高的智能性，例如：光線(xiàn)品質(zhì)、溫度、濕度、空氣品質(zhì)或空間占用監測等。這些數據可統一收集后傳送至室內的其他聯(lián)網(wǎng)設備。但是，只有在收集到正確的數據時(shí)，系統才會(huì )做出相應的反應。

　　如何在實(shí)體世界和數字空間之間建立橋梁?將傳感器應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數據采集及“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(mén)、窗戶(hù)、家具或聚會(huì )區域、空調或通風(fēng)系統以及照明設備等，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，因為它包含了所有必須的元素：電力、房間的中央位置以及人。

　　人們到底希望監測什么，這是制造商需要思考的問(wèn)題，同時(shí)也幫助他們運用專(zhuān)有知識制訂針對性的銷(xiāo)售策略，而這些策略不能很快地被復制。

　　添加空氣質(zhì)量和濕度監測功能可以使建筑自動(dòng)化更智能，并且節省能源和增進(jìn)系統效率。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(mǎn)活力, 從而始終保持斗志?？紤]到能源之星及其他國際標準的要求，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

　　當然，傳感器技術(shù)的采用勢必會(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)?”檢測空氣中的揮發(fā)性有機化合物(VOC,Volatile Organic Compound)、火災監測的預警系統，或是以人為中心照明(HCL,Human-centric lighting)的完整光譜?手持設備用戶(hù)通常很少抱怨硬件部分，卻往往會(huì )因為該設備不具備特定傳感器，導致其app應用沒(méi)有某些新功能而感到失望。

　　3監測：收集數據

　　為了使設備變得更智能，使用正確的傳感器是重要因素。行動(dòng)引發(fā)反應-收集的數據將讓使用者能以特定的方式做出反應。艾邁斯半導體(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，不僅能監測光線(xiàn)，而且能單獨地對色溫和亮度差異直接做出反應。同時(shí)，該系統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量、空間占用探測、濕度測量、空氣品質(zhì)測量(VOC)或氣壓測量。獲得的數據可被用于控制光線(xiàn)品質(zhì)或改善房間本身。例如基于傳感器測量數值的主動(dòng)亮度控制能在窗口有足夠陽(yáng)光透進(jìn)來(lái)時(shí)將燈調暗，或者主動(dòng)測量色溫并加以控制從而實(shí)現主動(dòng)式的日光控制。其它傳感器數據則被傳送到連接的設備上，并被用于實(shí)現建筑物自動(dòng)化。例如空氣質(zhì)量數據可以傳送至通風(fēng)系統，以實(shí)現自動(dòng)控制。

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

　　圖2 智能照明管理器 AS7211：用于光源監測控制和調整的集成傳感器

　　圖3 AS7225自帶微控制器和I2C輸出接口

　　4主動(dòng)式控制：利用數據

　　傳統照明產(chǎn)業(yè)青睞標準產(chǎn)品，因為這樣的產(chǎn)品開(kāi)箱即用，能夠直接組裝成設計好的產(chǎn)品。技術(shù)知識和專(zhuān)業(yè)能力體現在設計、光線(xiàn)輸出和性能領(lǐng)域。然而，隨著(zhù)現有設備引入物聯(lián)網(wǎng)功能的需求不斷增長(cháng)，工程師們越來(lái)越多地問(wèn)自己這些問(wèn)題：在不太了解色度測量、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)現應用需求?需要多少專(zhuān)業(yè)知識才能促成物聯(lián)網(wǎng)項目落地，產(chǎn)品又需要蘊含多少專(zhuān)業(yè)知識?

　　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，或者是根據來(lái)自窗口的入射光來(lái)調整亮度 (Lux)。而以人為中心的照明 (HCL) 或節能照明項目能實(shí)現快速實(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，發(fā)揮自己的調光專(zhuān)長(cháng)并利用實(shí)際的傳感器數據。

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

　　但是，如果我已采用了自己的微控制器，并且想自己運用這些知識，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接口將相對應的色度值直接傳送到單獨的控制器，而制造商也可通過(guò)采用Dali等系統實(shí)現動(dòng)態(tài)控制。

　　圖4 快速并簡(jiǎn)單地結合傳感器和燈具

　　5網(wǎng)絡(luò )：數據的智能處理，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)越多的低成本供應商不斷為市場(chǎng)帶來(lái)新的解決方案，但他們卻對品質(zhì)要求缺乏關(guān)注。智能聯(lián)網(wǎng)系統不僅能創(chuàng )造獨特的功能，還可以通過(guò)針對性的專(zhuān)業(yè)知識和合作伙伴來(lái)開(kāi)啟新市場(chǎng)，并且推動(dòng)持續發(fā)展。

　　采用現有的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將“本地端”的監測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，并確保使用標準化代碼就能在很短的時(shí)間內建立連接，其中包括藍牙(BLE / Smart)、Wi-Fi和Zigbee等標準無(wú)線(xiàn)元件及有線(xiàn)乙太網(wǎng)絡(luò )的復雜堆疊和協(xié)定。

　　參考代碼可用于簡(jiǎn)化照明和網(wǎng)絡(luò )之間的復雜通信。通過(guò)UART接口，還可以使用DALI(digital addressable lighting interface, 數字可尋址照明接口)或經(jīng)典的RS-485。參考設計還顯示使用Android系統手機或iPhone，就可以快速解決Set_Lux_Target、Read_Lux_Level或Set_Luminaire_Output_Level等標準指令。 即使是GUI(圖形使用者界面)的實(shí)現也是非?？焖俸腿菀椎?。

　　因此，在很短的時(shí)間內就能建立物理空間及數字空間的橋梁，也就是實(shí)現物聯(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)內就可以建立原型。

　　圖5 傳感器技術(shù)成為物理空間與數字世界 (云端)之間的橋梁

　　6結論

　　只有突破傳統，新想法才能受到矚目，未來(lái)的照明設計師才能夠在價(jià)格、性能和功能之間進(jìn)行選擇。然而，問(wèn)題在于如何能在競爭中脫穎而出，具有數字化附加值的云端解決方案可以解決這個(gè)問(wèn)題。因為使用者自己就能看到這些新獲得的數據如何被積極使用。消費習慣會(huì )逐漸改變，新的“app”會(huì )出現、客戶(hù)需求也會(huì )不斷變化，只有那些能夠積極應對這些改變的人，才能牢牢掌握客戶(hù)的心。