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浅谈智能照明控制系统及发展现状
  • 发布日期:2020-08-25      浏览次数:43
    • 蒋超萍

      江苏安科瑞电器制造有限公司江苏江阴 214405

      摘要本文对智能照明系统的产生背景进行了简要阐述介绍了智能照明的应用优势及其主要组成部分并对智能照明系统的几种核心技术进行了探讨与分析对该系统的发展现状及前景进行了分析与展望

      关键词智能照明;LED;通讯;控制算法;语音识别

      0 引言

      照明系统作为与人民生产生活关系为密切的系统之一无论是应用在大型的场馆还是普通的民用建筑都顺应人们的要求日趋于复杂化个性而传统的照明方式大多需要进行手动控制且以单一的光源利用形式为主难以满足人们日趋复杂的照明系统设计要求如何结合现代网络计算机等技术实现照明系统的节能控制同时满足人们日趋复杂的照明系统需求无疑是一个值得探索的主题

      而智能照明系统就在这种需求下应运而生该系统结合计算机技术能够通过分析当前环境与个性要求利用无线控制等现代化技术实现对光源的集中化远程化与自动化管理从而达到照明的节能性和环保性

       

      1 智能照明系统介绍

      1.1 智能照明系统的优势

      传统照明系统通常需要进行手动控制在较为复杂的环境尤其是黑夜中往往存在较多问题而即便是利用声控或者光控等形式也很难稳定地控制光源相比较而言智能照明系统具有以下优点

      (1) 全自动调光照明: 系统有若干个基本状态这些状态会按预先设定的时间相互自动切换并将 照度自动调整到适宜的水平从而实现全自动工 作模式

      (2) 自然光源充分利用: 利用有控光功能的建筑设备( 如百叶窗帘) 来调节控制天然光并与灯光系统联动当天气发生变化时系统能够自动调保证室内的照度维持在预先设定的水平

      (3) 照度的一致性: 对新建的建筑物进行照明设计时考虑到灯具效率和房间墙面反射率会随着时间的推移有不同程度的衰减因此设计师对初始照度均会设置得较高这种设计不仅造成建筑物在不同使用期的照度不一致还会因开始阶段照度偏高造成不必要的能源浪费采用智能照明控制由于可以智能调光系统将会按照预先设置的标准亮度使照明区域保持恒定的照度而不受灯具效率降低和墙面反射率衰减的影响 

      (4) 光环境场景智能转化: 智能照明控制系统可预先设置不同的场景模块,需要时只要在相应的控制面板上进行操作调入所需的场景即可,也可以通过可编程控制面板对场景进行实时调节以适应不同要求。

      (5) 节约能源: 运行时控制系统对大多数灯具进行智能调光在需要的地方需要的时间给以合 适的照明并充分利用自然光以达到节能的目的智能照明控制一般可以节约 20%  40%的电能

      (6) 延长光源寿命: 智能照明控制系统采用软启动的方式能控制电网冲击电压和浪涌电流使灯丝免受热冲击从而使光源寿命延长 2 4 于大量使用光源和安装困难的区域具有重大意义

      1.2 智能照明系统的组成

      根据实际工程的不同需求智能照明系统使用的控制技术和模块也各不相同一般来说系统主要由计算机传感器执行器网络通讯单元和辅助单元组成其一般结构如图 1 所示下面对各部分进行简单介绍

      1 智能照明系统的构成

      1.2.1 PC 计算机

      作为智能照明控制的核心PC 机通常具有以下几种功能

      (1) 设定和管理功能: 利用管理软件针对不同时间制定相对应的照明计划并设定相关的操作规范

      (2) 统计功能: 使用统计软件依据照度需求和功率大小对工作区域及照明线路进行划分并对照明灯具的照度水平运行时间工作状态使用寿命等参数进行统计

      (3) 控制功能: 依据当前环境和人们的需求对划分好的各部分区域进行光源的开关控制和自动化调; 也可在机器终端进行手动控制来实现上述功能

      1.2.2 调光模块

      调光模块的作用是实现光源的开关及调光控同时利用其记忆功能防止因停电故障导致的对已设置系统的破坏一些调光模块还可利用内含的软启动功能对灯具的亮度进行调节该方式能够避免电压突变造成的视觉影响提高人眼舒适度

      依照输入电源进行划分调光模块可分为单三相等依照输出又可分为 2A5A10A 过制定不同的输入输出类别可为用户提供丰富的光源设置方案

      1.2.3 继电器模块

      继电器模块主要实现对照明中智能开关的管起到对整个智能照明控制系统的保护作用具体来说即通过对继电器模块的控制令智能开关采用按序启动的模式进而防止因集中启动产生的浪涌电流同时利用模块中的检测能力据回路中电压电流等参数来判断系统的状态在故障发生时进行自动报警此外该模块还具有发出跳闸信号自动切断故障回路等功能

      1.2.4 其他模块

      除上述结构外智能照明系统通常还包括其他模块进而加强对系统的自动化和智能化控制

      (1) 智能时钟: 通过自动或手动的方式对多种控制参数进行设置如对日月等时间段内的照明任务进行可靠的时间数据配置与记录

      (2) 智能传感器: 利用红外线光敏超声波等技术来反映某灯具或某位置的照明效果还可以对空间内物体的进出情况进行检测

       

      2 智能照明系统核心技术

      2.1 通讯技术

      照明系统的通信方式可分为有线和无线两类其中有线方式包括总线式电力线载波式等但因 其在系统安装设置上存在专业性过强编程困难 的问题难以普及到家用领域

      因此在家用领域的照明控制中通常使用无线技术主流通讯技术可分为以下几种

      • 2. 4G 技术: 具有低成本小体积的优势因而使用较普遍但其往往是利用遥控器实现灯具的开关与调光控制无法称之为智能控制技术
      • WiFi 技术: 得益于可以直接连接网络的简单快捷优势,WiFi 技术在智能照明技术应用之中占比较大。但路由器的限制使得连接设备过多时系统的控制效果将大幅下降。
      •  ZigBee 技术: 因其自组网的显著优势而广泛应用到目前的智能家居之中。缺点是方案成本较高,过分依赖主机来实现整个系统的控制,一旦主机不工作整个系统将陷入瘫痪。其中 Philips Hue、TCL 的无线智能照明便使用的该协议。
      • 蓝牙技术: 目前蓝牙技术已经发展至蓝牙5. 0/蓝牙 Mesh 网络,相对于WiFi 技术,蓝牙具有更低的功耗、更远的传输距离、可容纳更多的传输设 备等优势,并具有自组网功能,不需要任何网关,且 可直接连接到手机中。在智能家居领域蓝牙 Mesh 网络技术的兴起对其他技术会是一个巨大的冲击。Opple、Ledvance、台达等公司均在其智能照明设备中使用到蓝牙 Mesh 技术。

      2.2 LED OLED

      (1) LED: 与其他种类的灯具相比较LED 具有能耗低颜色丰富低碳环保的巨大优势在我国已 占领了较大的市场近年来蓝光 LED 的发明填补LED 在颜色上的空缺得以凑齐足够亮的白光并结合氧化铟锡石墨烯等新兴材料大大提高了 照明效率此外与传感器集成设备等进行有机 融合使一体化成为未来 LED 发展的一个重要发展方向

      (2) OLED: OLED 即有机发光二极管利用有机物自体发光的特征打造同样具有低能耗绿色环保的优点; 在显色指数散热性体积等方面相比于LED 具有更大的优势

      在照明领域中,OLED 不仅可以作为室内外通用明背光源和装饰照明等也可以制备富有艺术性的发光墙纸单色或彩色发光的窗户可穿戴的发光警示牌等梦幻般的产品基于其未来前景美国 GE国欧司朗荷兰飞利浦日本松下电中国翌光等都公司均已经开展OLED 照明器件的研究开发

      2.3 语音识别技术

      现代生活中人们对产品控制的智能化与人性化要求逐渐提高使得语音识别技术在生活服务中发挥越来越大的作用

      语音识别系统的工作通常分为两个阶段: 为学习阶段根据用户需求建立常用的语音输入数据库在系统前端进行多种预处理后提取梅尔频率倒谱系数(MFCC)参数并建立隐马尔科夫模型(HMM)对输入语音信号进行学习建立模板库; 二为测试信号的在线识别阶段将具体语音指令输入到系统中通过 MFCC 参数提取HMM 匹配把响应信号输出给接受节点从而完成照明系统的语音控制其具体过程如图 2 所示

      2 语音信号识别系统结构图

      2.4 控制算法

      在照明应用中可通过放置光电传感器来检测相应位置的照度从而进行调节然而在实际应用 中需要保持或调节照度的区域很多这就导致放置许多传感器使得成本大大增加且控制复杂此外为了测得某点的自然光照水平以便确定所需 提供的人工照明就必须关闭所有灯具来测量实际 自然光的照度这显然不切实际

      针对以上情况可以通过建立对应的数学模并采用多种算法对目标区域的照度期望值进行计算进而得到所需输出的控制量

      (1)反演算法: KanellakopoulosKokotovic 等学者提出其本质是一种递推设计方通过将一个非线性系统分解成多个子系统为每个子系统设计 Lyapunov 函数和中间虚拟控制直到后退到整个控制系统其优点在于对非 线性系统具有优越的控制结果

      (2)遗传算法: 由达尔文的进化论演化出的一种计算模型通过模拟生物进化的步骤引入杂繁殖变异选择和竞争等概念利用简单的编码来表示复杂的结构并找到解法其优点是具有鲁棒性和全局寻优能力

      (3)BP 神经网络算法: 该算法源自人们对神经元及神经冲动的研究通过模拟生物神经元之间信息处理与传递将所需解决的问题集合化其解空间越大适应能力就越强因此该算法具有自适应能力并可以实现线性的控制变化

       

      3 智能照明的现状与前景

      3.1 智能照明的现状

      智能照明作为智能产业重要的组成部分也是照明的未来发展方向OFweek 数据显示过去五年全球智能照明市场规模逐年增加2013 25 亿元增长至 2017 年市场规模为 260 亿元短的五年之间翻了十倍据预测2022 年全球智能照明行业市场规模有望超过 750 亿元其趋势如图3所示; 预计我国在 2020 年也有望突破 220 亿元

       

      3 全球智能照明市场规模

      2018 智能照明行业迎来快速发展阶段各大企业均大力投资推进智能照明技术的研究和 开发推出智能家居智能楼宇智慧城市等应用解决方案其中智能照明方案涉及到芯片传感器、LED通信模块连接协议云平台等庞大的产业链市场空间在各行各业将掀起一场巨大的技术风暴

      2018 法兰克福照明展上展商便已经向全球的人们展示了许多前所未闻的黑科技”,OSAM 公司的Horticulture Growlight一款基于 LED的针对植物种植照明的解决方案通过使用不同颜不同角度的光束不仅能让植物加快成长甚至能使同样的生菜口味变得更脆更甜; 又如 Yeelight 联手首尔半导体采用 Sunlike 技术并结合先进的紫光 LED 芯片技术与 TI- 荧光粉技术通过利用紫光灯珠激发从原理上减少了对人眼有害的过量蓝光的产生同时生成光谱非常接近自然光的光线这种媲美大自然的灯光尤其适用于功课繁多的中小学生

      我国的新兴产品也同样不容小觑无论是台达公司生产的短距离超广角泛光灯极轻量LED天井灯还是国星光电的 LED 面板灯均在国际舞台上大放光彩引人瞩目

       

      3. 2 智能照明的前景

      随着信息化时代的到来与科技水平的提高能照明以其独特的优势势必在未来得到更广泛的应用此外智能照明将更具人性化并具有更强的灵活性和适应性; 同时顺应新时代的潮流并融入人工智能的理念化智能照明为智慧照明体现其强大的应用优势

      未来照明技术的发展方向主要可分为两类种是家居照明另一种是公共照明

      (1) 家居照明: 如今智能家居方兴未艾或是因为价格或是因为习惯并不被大多数人接纳然而随着技术的完善成本的降低政策的改变以及人们思想理念的转变智能照明势必会以其显著的优势而受到广泛使用同时各种新技术也可能因此变得实用化: 室内植物智能照明汽车智能互联照人屏互动显示等智能照明必将在家居照明中得到更广泛的应用

      (2) 公共照明: 我国计划2020年培育1000个左右的特色小镇而夜景也必然会成为一大看点地方政府在夜景照明中的投入也会有较大增加此外着我国城市化进程的推进以智慧路灯为代表的基础设施建设同样值得关注因此结合传感器视频监控显示屏无线通信基站充电桩等设备的多功能路灯系统同样是一个值得发掘的市场

       

      4 安科瑞智能照明控制系统

      Acrel-BUS智能照明控制系统,是基于KNX总线技术设计的控制系统。KNX总线技术起源于欧洲,是在EIB,Batibus和EHS这三种住宅和楼宇的总线控制技术上发展起来的,其中EIB(European Installation Bus,欧洲安装总线)是该总线技术的主体。

      Acrel-BUS智能照明控制系统采用标准的2*2*0.8EIB BUS总线(即KNX总线)作为总线线缆,将所有的智能照明控制模块连接到一起并组成一套完整的控制系统,既可实现照明灯具的远程集中控制,又可实现就近控制功能。该系统理论最大连接控制模块数量达580000多个。

      安科瑞智能照明控制产品种类齐全,方案完善。用户可通过控制面板、人体感应、照度感应、微波感应、上位机系统、触摸屏、手机、平板端等多种控制终端实现灵活多样的智能化控制,特别适合于各类智能小区、医院、学校、酒店,以及体育场所、机场、隧道、车站等大型公建项目的照明系统。

      产品选型方案

      安科瑞智能照明产品种类齐全,方案完善。用户可通过控制面板、人体感应、照度感应、微波感应、上位机系统、触摸屏、手机、平板端等多种控制终端实现灵活多样的智能控制,特别适合于各类智能小区、医院、学校、酒店,以及体育场所、机场、隧道、车站等大型公建项目的照明系统。

      4.1系统工作原理示意图

      4.2开关驱动器

      用于对设备进行开关控制的驱动器,具有延时、预设、逻辑控制、场景、阈值开关等功能,电气参数如下:

      设备供电电压

      21~30V   DC 12mA(max)

      功率  <360mW

              操作指示

      红色和绿色 LED 以及按键

      输出参数

      110—250V   AC 50/60Hz

      输出电流 16A

      每路功率损耗 1.5W

      防护等级

      IP  20 EN  60529

      温度范围

      正常运行 -5--45℃

      储存温度 -25--55℃

      运输温度 -25--75℃

      安装方式

      标准 35mm 轨道安装

      4.3调光驱动器

      2路0-10V调光器,可对每路进行回路开关控制并输出 0-10V 调光信号对具有 0-10V 调光接口的灯具进行调光,具有开关、场景、状态反馈等功能,电气参数如下:

       

      设备供电电压

      21~30V   DC 12mA(max)

      功率  <360mW

      操作指示

      红色和绿色 LED 以及按键

       

       

      输出参数

      110—250V   AC 50/60Hz

      输出电流 16A

      0---10V DC 调光信号

      防护等级

      IP  20 EN  60529

      温度范围

      正常运行 -5--45℃

      储存温度 -25--55℃

      运输温度 -25--75℃

      安装方式

      标准 35mm 轨道安装

      4.4传感器

      传感器是一种能感受外界信号、物理条件(如光、移动)的设备装置,并将感应的信息传递给其它设备装置(如调光器、开关驱动器),电气参数如下:

      设电电压

      21~30V   DC   12mA(max)

      功率  <360mW

      操作指示

      红色和绿色 LED 以及按键

      防护等级

      IP  20 EN  60529

      温度范围

      正常运行 -5--45℃

      储存温度 -25--55℃

      运输温度 -25--75℃

      安装方式

      嵌入式安装

       

      4.5总线电源

      KNX/EIB 系统标准供电电源,为总线提供电压640mA 输出电流,最多可以为 64 个设备供电,带总线复位、 过流指示和短路保护。标准导轨安装,电气参数如下:

      输入

      85~260V   AC 50/60Hz

      输出

      标称电压 21—30V   DC

      辅助电压 30V   DC

      ASL100-P640/30 640mA

      功率  <360mW

      操作指示

      红色和绿色 LED 以及按键

      防护等级

      IP  20 EN  60529

      温度范围

      正常运行 -5--45℃

      储存温度 -25--55℃

      运输温度 -25--75℃

      安装方式

                     标准 35mm 轨道安装

      4.6智能面板

      用于接受按键触动信号,可通过区分短按与长按并结合不同参数配置实现开关、调光、场景、窗帘控制、调温、报警等功能,电气参数如下:

      设备电电压

      2130V  DC  12mA(max)

      功率  <360mW

      作指示

      色和绿色 LED 按键

      入参数

      外接输入 20V  DC

      护等级

      IP  20 EN  60529

       

       

      度范围

      运行 -5--45

      储存温度 -25--55

      运输温度 -25--75

      装方式

      86 

      4.7干接点输入模块

      用于接受外部干接点信号输入,可通过不同参数配置实现开关、调光、场景、窗帘控制、调温、报警等功能,电气参数如下:

       

      设备电电压

      2130V  DC  12mA(max)

      功率  <360mW

      作指示

      色和绿色 LED 按键

      入参数

      外接输入 20V  DC

      护等级

      IP  20 EN  60529

       

       

       

       

      度范围

      运行 -5--45

      储存温度 -25--55

      运输温度 -25--75

      装方式

      标准 35mm 轨道安装

       

      4.8系统功能

      1)光照度监测,对利用自然光照明区域,根据自然光照度变化,进行照明控制和调节,满足照明和节能要求;

      2)公共区域、走廊、通道、门厅、电梯厅等的照明,应设置红外或微波类人体感应器,并结合智能控制面板,实现各种场景照明控制,尽可能较少灯具点亮时间;

      3)楼梯间照明采用人体感应探测控制;

      4)设备房、设备房走道采用分组就地控制;

      5)室外路灯、景观等照明采用光照度控制结合时控的集中控制方式;

      6)监控系统界面友好,画面美观,实时显示各区照明工作状态;

      7)应具有完善的用户权限管理功能,避免越权操作;

       

      5  结束语

      随着社会的高速发展人们对于照明系统提出了更高更具体的要求智能照明系统相较于传统的照明系统具有优势能够契合人们日趋复杂的照明系统设计要求在未来应该可以得到较大的发展

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