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智慧照明挟IoT技术进入日常的每一角
走向以人为本

【作者: 籃貫銘】2018年02月12日 星期一

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LED(Light-Emitting Diode,发光二极体)问世后,人们对于照明的概念有了颠覆性的转变,这项被称为半导体照明的技术,不仅改变了照明的基本思考,更扩展了照明的应用形式,其发展一路从照亮环境演进至气氛营造,目前更进入了个人照明的时代,而其演进的主轴,就是智慧化。


LED市场研究机构LED Inside日前发布了最新的全球照明市场分析,该机构指出,2018照明市场发展有三大主轴:智慧照明、利基照明与新兴国家照明。


其中智慧照明已在2017年进入高速发展阶段,市场规模接近46亿美元,同比成长率高达95%。


LED Inside指出,随着技术和产品,以及相关生态系的成熟,预计2020年智慧照明的整体规模可达134亿美元。而工业及商业将会是智慧照明最大的应用场域。


然而智慧照明其实并不是新东西,它存在的历史远比一般人想像的还要久,其控制系统的发展时间已将近数十年,只是当时仍多使用冷阴极管和传统白炽灯泡,在系统的电路设计上不容易有突破性进展。


智慧照明系统一开始是使用电磁式触点控制进行关开灯光的控制,光源则是白炽灯。而随着照明技术的演进,灯具也逐步从日光灯到节能灯,水银灯到高压钠气灯,最后到目前的LED灯。所搭配的调光控制技术则扩展至电阻器式、电感器式、变压器式和继电器式等。


而随着网路技术的发展,以及物联网与大数据时代的来临,照明控制技术开始与无线技术紧密的结合,并进入更复杂与细致的数位控制时代;另一方面,在全球节能趋势与个人化需求的带动下,照明智慧化的控制范围开始缩小聚焦,不仅要自动化,更要满足「人」的需要,包含安全、舒适和节能,甚至是健康照护都要能被实现。



图1 : 数位照明的阶段示意图。
图1 : 数位照明的阶段示意图。

ZigBee + BLT 智慧照明控制走入以人为本的时代


图2 :  数位照明的最终型态,就是为不同的个人提供个人化的照明服务,也就是从集中控制进入「以人为本(Human-centric Lighting; HCL)」的时代。
图2 : 数位照明的最终型态,就是为不同的个人提供个人化的照明服务,也就是从集中控制进入「以人为本(Human-centric Lighting; HCL)」的时代。

但就如同物联网,要先「连上(connect)」才有接下来的种种事。智慧照明也是如此,想要具备「智慧」的能力,感测器与网路技术的采用绝对是不可或缺的一环,甚至说,它就是实现智慧照明的基础。


而为了实现自动化的照明控制,在过去十多年里,照明方案供应商和控制系统业者已开发出多种的解决方案,而依据其运用的技术类型,约略可分为三代,目前已迈入了第二代,并逐步推向第三代。


第一代解决方案以建立一个照明控制网络为主,主要的目的是连接照明设备。这种解决方案的设备连结方式以有线的电路控制为多,连接的方式非常简单,并以集中控制的方式来达成节能的目的,因此多以大型的工业与商业场域才会建置,商业规模有限。


到了第二代解决方案,照明的控制技术开始加入了低功耗短距无线技术与感测器的应用,并逐步规范设备彼此连结的通信协议,也进入了所谓的智慧照明时期。此时,所谓的感测器与执行器网路(Sensor-Actor Network)的整合应用则是主要发展趋势,而ZigBee和低功耗蓝牙技术(Bluetooth Low Energy;BLE)就是推动新一代智慧照明的关键技术。


其次,为了能够整合更多的装置和系统,开放平台的使用也是此时期重要发展,它让所谓的智慧技术能够更全面性的导入,让中小型照明制造商和控制系统业者能够实现智慧设备的互通与互连。


值得注意的是,在此时期,智慧手机也开始成为用户的控制设备之一,用以操作控制系统和照明设备。


数位照明的第三代,也可以说是它的最终型态,就是实践并成为物联网的其中一环,与场域中的所有设备进行互联和通讯,为不同的个人提供个人化的照明服务,也就是从集中控制进入「以人为本(Human-centric Lighting; HCL)」的时代。


此时除了照明网路和感测器网路的应用外,再加入了个人化的区域网路,也就是PAN(Personal Area Network)和BAN(Body Area Network),提供更细部与更个人导向的照明控制。第三代数位照明需要为每个设备提供IP位址,采用端到端(End-to-End)的安全架构,并整合硬体、韧体和软体来提供全方位的照明服务并保障资讯安全。


DALI照明规范与开放系统成为发展主流

先进的无线网路和感测器的导入固然是智慧照明的发展关键,但将之进行整合与应用的通讯规范和控制系统也是关键所在,而DALI则是目前最具指标性的照明介面规范。


DALI(Digital Addressable Lighting Interface)中文为「数位可定址照明介面」,它是从1-10V类比照明控制器系统发展而来,是一种专为灯光控制而生的国际通用标准。



图3 :  具有DALI介面的控制器设备。
图3 : 具有DALI介面的控制器设备。

DALI协定最早是由欧洲主要的照明制造商,如:OSRAM、Philips和Tridonic等共同制定,于1990年发表草案,后来在2002年由国际电工委员会(IEC)正式订定公布:IEC60929。此标准是针对可调式萤光灯安定器的介面进行定义,确保不同制造商的安定器间可彼此互换。目前IEC 60929已由IEC 62386取代,指定DALI做为所有光源和照明控制器的唯一介面,其包含变压器、继电器模组、感测器以及紧急配件等相关零组件都需符合DALI标准。


DALI规范是采用双线介面,采汇流排或星状拓扑配置,让独立网路中多达 64 个装置彼此通讯。若需连结更多装置,DALI 闸道能透过子系统的连接让更多装置定址。数位讯号的标称位准为0 V和16 V,采用1200 bit/s的非同步、半双工序列协定进行数据传输。


此外,DALI采用差动讯号结合曼彻斯特编码,即使在严重的电气杂讯下,也能确保可靠操作,因此能沿着主电缆,甚至在承载主电源的多芯缆线中进行布线。再者,DALI是在低电压下运作,故无需额外的安定器安全隔离,此外,介面电路中含有二极体桥,因此不会产生任何连接极性问题


由于DALI是开放且数位化标准,因此使用DALI建置的系统就能够相容于不同制造商的产品,同时也轻易整合至其他的数位系统上,或与其他的控制设备如:触控、电脑、平板电脑和智慧手机等,非常符合讲求开放的物联网和大数据时代的需求。


也受惠于其多年的发展历史和背后丰富的大厂支援,DALI系统通常内建了多种照明功能,如调光、渐变和闪烁等组合,其调光演绎方式就高达255阶(1%~100%) ,较传统调光方式(1~10V)更符合人眼视觉。


另外,DALI具备双向通讯能力,因此能针对系统内的装置进行侦测,不仅可以记录各光源的能源消耗状况,可侦测安定器及光源状态,便于管理和维修,几乎是目前主流建筑物自动化设备管理系统(Building Management System;BMS)必备的规范。


照明感测走向整合型发展

现今的智慧照明系统不外乎是提供无线控制、调光和调色功能,但随着照明走向个人化和自动化后,这些控制功能都将会交由电脑系统依据环境数据和使用者命令来进行调整,从被动控制变主动控制,而其决断的基础则全依赖感测器来达成。


过往的照明应用感测器,如亮度感测器、色温感测器和红外线感测器等,都是依据个别的需求另行安装,但随着物联网技术的兴起,照明的感测控制也就顺势整合了网路功能,尤其是ZigBee和BLE的使用。


另一方面,由于LED制程技术的进步,让照明系统能达到更细致和复杂的控制,因此也促成了感测器的设计从单一走向多元整合。


奥地利微电子(ams AG)是目前照明感测器技术的佼佼者,其以提供具备IoT网路功能的整合型感测器元件著称。该公司旗下的感知照明(Cognitive Lighting)系列产品不仅内建了网路功能,还整合了嵌入式、数位环境光感测器 (ALS)等功能。


奥地利微电子指出,所谓的感知照明系列,就是要能让灯光具有「感知」能力,能因应环境自主管理照明,以满足美观、品质和能源效率的需求。



图4 : 奥地利微电子的感知照明系列,就是要能让灯光具有「感知」能力,能因应环境自主管理照明。
图4 : 奥地利微电子的感知照明系列,就是要能让灯光具有「感知」能力,能因应环境自主管理照明。

此系列的控制与管理元件可自动调整日光灯、LED 灯和泛光灯的亮度,维持恒定的勒克斯以因应日光亮度。能透过ALS 的明视觉响应结合嵌入式红外线 (IR) 遮光滤波器,能达到高度准确的勒克斯读数,即使在高IR光源下也能维持准度。


此外,此系列产品整合了嵌入式、数位、三倍刺激、真实色彩、奈米光学感测器,提供直接CIE1931 XYZ和CIE 1976 u'v'座标对应的闭回路、自主式调整可变的CCT和光谱可调式LED灯具和泛光灯,能提供更精准的照明控制。


而从照明系统商的观点来看,这类的整合型控制器与管理元件,的确也有其必要之处,由于复杂的IoT网路和感测应用的兴起,整合型元件不仅可以加速其产品的上市时程,更能缩小照明装置的体积,同时也降低整体的开发成本,间接促成智慧照明系统的普及。


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