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，除非采取具體行動提高效率，否則到2050年，建筑環(huán)境中的能源需求將增長50%。因此，智能照明系統(tǒng)迅速走到前臺，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)備和自動控制技術(shù)顯著降低能耗，同時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。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(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、計時器和其他先進(jìn)技術(shù)，智能照明系統(tǒng)可大幅減少能源浪費，從而實現(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)置個人照明偏好并對周圍環(huán)境進(jìn)行控制。從運營成本角度看，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)置自動時間表，在不需要時關(guān)閉燈光，或者根據(jù)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(shù)據(jù)，使管理者能夠做出準(zhǔn)確的設(shè)施管理和維護(hù)計劃。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)供電的設(shè)備用于收集數(shù)據(jù)時，智能照明系統(tǒng)就開始了其自動化方面的工作。當(dāng)這些數(shù)據(jù)輸入到智能建筑平臺時，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。先進(jìn)的照明系統(tǒng)可以為不同的活動創(chuàng)建不同的照明場景，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，照明是工作場所舒適度的主要影響因素之一。這項研究甚至說，缺乏足夠的照明會顯著降低工作效率并對健康產(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化領(lǐng)域一個特別值得行業(yè)期待的市場。

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)或家庭自動化平臺控制工作場所的照明。了解這些組件的工作和通信方式對于成功構(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完整的照明解決方案。這種模塊化方案非常有利于在一個全新的或翻建的建筑中快速搭建一個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，可以對單個或多個燈泡進(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。

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)。它們提供更簡單、更直觀、更強大的照明控制，只需連接LED模塊并將其與智能手機(jī)或平板電腦配對即可，無需額外布線或網(wǎng)關(guān)，為翻新項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。整個器件由LED燈帶、驅(qū)動器和其他附件組成，其中，24 V 藍(lán)牙恒壓LED驅(qū)動器OTI BLE 80/220-240/24 1-4 CH和12-24 V藍(lán)牙調(diào)光器OT BLE DIM這兩個組件構(gòu)成了LED燈帶系統(tǒng)，用于靈活和個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)處理來自多個設(shè)備的通信，在將數(shù)據(jù)發(fā)送到基于云的平臺之前整合數(shù)據(jù)。為了使網(wǎng)關(guān)能夠處理設(shè)備之間的通信，它必須識別從傳感器網(wǎng)絡(luò)到傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議會話。

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)，主要是因為它能以超低功耗實現(xiàn)可靠的通信。每個照明控制器均可配備一個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。

此外，BLE還支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，多個設(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具有相對較長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(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。此時，無線多協(xié)議SOC的優(yōu)勢就會十分明顯，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)，為實現(xiàn)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公司的無線SoC有多個產(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)用場景，而Z-Wave在智能家居、安防、智能照明等場景的應(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方式。在我們的個人生活中，智能照明設(shè)備會自動開燈或關(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)自己的偏好和活動場景自定義照明體驗。

智能照明控制系統(tǒng)旨在實現(xiàn)建筑照明的自動化操作，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