讓能源成本降低80%！揭秘智能照明背后的關(guān)鍵技術(shù)

現代建筑中最大的能源消耗主要來(lái)自照明系統。根據國際能源署的預測，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(cháng)50%。因此，智能照明系統迅速走到前臺，成為現代建筑中能效戰略的重要組成部分，其目標是通過(guò)使用先進(jìn)的照明設備和自動(dòng)控制技術(shù)顯著(zhù)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(guò)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）啟用的智能建筑照明系統可以為建筑業(yè)主、居住者和訪(fǎng)客提供許多好處，比如用戶(hù)可通過(guò)使用移動(dòng)應用程序、語(yǔ)音命令和傳感器來(lái)控制他們的照明設備以達到優(yōu)質(zhì)體驗。如果將物聯(lián)網(wǎng)智能照明系統與暖通空調和安全設施等其他建筑系統進(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）的報告顯示，對于企業(yè)而言，能源成本將占到總預算的三分之一。而能源生產(chǎn)又是每年溫室氣體排放量的主要來(lái)源，占比達到20%。通過(guò)利用傳感器、計時(shí)器和其他先進(jìn)技術(shù)，智能照明系統可大幅減少能源浪費，從而實(shí)現更高效的能源利用。如今，智能建筑照明正在迅速成為建筑節能的重要因素之一。通過(guò)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(guò)面板或智能手機即可設置個(gè)人照明偏好并對周?chē)h(huán)境進(jìn)行控制。從運營(yíng)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控和調節整個(gè)設施的照明消耗，從而優(yōu)化能源使用并極大限度地減少支出。比如他們可以設置自動(dòng)時(shí)間表，在不需要時(shí)關(guān)閉燈光，或者根據空間中的自然光的強度改變燈光的亮度。

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據，使管理者能夠做出準確的設施管理和維護計劃。當物聯(lián)網(wǎng)供電的設備用于收集數據時(shí)，智能照明系統就開(kāi)始了其自動(dòng)化方面的工作。當這些數據輸入到智能建筑平臺時(shí)，借助人工智能和機器學(xué)習技術(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。先進(jìn)的照明系統可以為不同的活動(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。這項研究甚至說(shuō)，缺乏足夠的照明會(huì )顯著(zhù)降低工作效率并對健康產(chǎn)生負面影響。 

綜合來(lái)看，通過(guò)使用先進(jìn)的照明系統并與其他智能建筑系統集成，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(lái)，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)

在智能照明系統中，有幾個(gè)關(guān)鍵組件，它們連接一起并根據系統和應用的復雜性以多種方式進(jìn)行配置，用戶(hù)即可通過(guò)智能手機或家庭自動(dòng)化平臺控制工作場(chǎng)所的照明。了解這些組件的工作和通信方式對于成功構建高效的智能照明系統非常重要。常見(jiàn)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(kāi)始逐步滲透到智能照明領(lǐng)域，而LED燈正在成為供應商和消費者的首選。

Lumileds公司的LUXEON XR-5050 SQR是安裝在剛性導熱基板上的高效LED陣列并針對照明應用而優(yōu)化的LED模塊，該模塊構建塊在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，與標準第三方的光學(xué)和散熱器件結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。

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、調度和遠程控制的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(hù)從方便的位置控制他們的燈具。

這些智能燈泡可以通過(guò)集成的Wi-Fi、藍牙、ZigBee等技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)相連，可以對單個(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(hù)還可以利用邊緣計算為智能燈泡配備內置的攝像頭和傳感器，不僅能夠遠程打開(kāi)和關(guān)閉這些智能燈泡，調整燈的顏色，還能將收集的環(huán)境數據上傳至控制平臺。

OSRAM OPTOTRONIC BLE器件是通過(guò)智能手機應用程序進(jìn)行無(wú)線(xiàn)照明控制的基礎。它們提供更簡(jiǎn)單、更直觀(guān)、更強大的照明控制，只需連接LED模塊并將其與智能手機或平板電腦配對即可，無(wú)需額外布線(xiàn)或網(wǎng)關(guān)，為翻新項目開(kāi)辟了廣泛的可能性，非常適用于智能建筑中的娛樂(lè )、餐廳和零售區等區域的照明配置。整個(gè)器件由LED燈帶、驅動(dòng)器和其他附件組成，其中，24 V 藍牙恒壓LED驅動(dòng)器OTI BLE 80/220-240/24 1-4 CH和12-24 V藍牙調光器OT BLE DIM這兩個(gè)組件構成了LED燈帶系統，用于靈活和個(gè)性化的照明解決方案。

圖3：12-24 V藍牙調光器OT BLE DIM（圖源：OSRAM）

智能照明網(wǎng)關(guān)可以預處理來(lái)自多個(gè)設備的通信，在將數據發(fā)送到基于云的平臺之前整合數據。為了使網(wǎng)關(guān)能夠處理設備之間的通信，它必須識別從傳感器網(wǎng)絡(luò )到傳統通信網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議會(huì )話(huà)。

智能照明系統使用的有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議包括藍牙、Wi-Fi、ZigBee、DALI、EnOcean和Sigfox等。Zigbee之所以適用于智能照明系統，主要是因為它能以超低功耗實(shí)現可靠的通信。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的短距離射頻技術(shù)如BLE、Zigbee等更靈敏、性能更穩定，成本更低，在街道照明系統中采用基于LoRaWAN的設計方案比較多。BLE（藍牙低能耗）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)設備之間可相互通信，在不需要額外基礎設施的情況下有效擴展了網(wǎng)絡(luò )范圍，因此，BLE可以說(shuō)是物聯(lián)網(wǎng)智能照明應用的優(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備連接到網(wǎng)絡(luò )的環(huán)境中，Wi-Fi具有相對較長(cháng)的范圍和較高的帶寬是它的加分項，但功耗相對較高可能限制了其應用范圍。

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

Silicon Labs公司的無(wú)線(xiàn)SoC有多個(gè)產(chǎn)品系列，具有高達+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應用場(chǎng)景，而Z-Wave在智能家居、安防、智能照明等場(chǎng)景的應用十分廣泛的。ZG28還可以支持包括Wi-SUN、Amazon Sidewalk和無(wú)線(xiàn)M-BUS在內的協(xié)議。

圖4：EFR32ZG28 SoC內部系統框圖（圖源：Silicon Labs）

3.本文小結

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

智能照明控制系統旨在實(shí)現建筑照明的自動(dòng)化操作，通過(guò)利用智能建筑照明背后的技術(shù)，企業(yè)可以節省資金，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。智能照明系統正在迅速成為能源效率的重要元素之一，對于任何尋求盡可能提高其效率的建筑來(lái)說(shuō)都是必不可少的。

文章來(lái)源：貿澤電子