LED照明系統轉型:智慧照明與物聯網

在過去二十年中,LED從傳統的獨立燈泡照明應用發展到整體照明系統設計,現在已經逐漸發展到數字LED系統,包括聯網或網絡照明、智慧照明和以人為本的照明(HCL)。由於LED是固態照明(SSL)來源,因此這種演變雖然令人難以置信,但一切皆有可能。
 
然而,面對激烈的競爭,LED和LED模組商品化,放緩了LED照明技術的進步。多年來,LED行業的重點是成本優於設計,但現在的行業巨頭們已經更加重視開發更先進的LED照明設計。那現有LED照明企業將討論如何加速這些以技術為重點的轉型,如何更深入地瞭解當前的市場問題,以充分發揮智慧照明和物聯網(IoT)的潛力呢?
 
最近很多照明公司都在推自己的照明解決方案。領先的LED照明廠商通過展示最好的解決方案,證明在某些領先的應用中具有顯著的價值,以鞏固自己領先的LED市場地位。然而,由於照明行業持續快速增長,對絕大多數連網應用來說,開放平台的互操作性標準化至關重要。此外,必須進一步降低從傳統照明到數位照明(digital lighting)的轉型成本。
 
照明控制的演變
 
數位照明的未來正在三個階段的轉型中成形(圖1)。轉變的形式為網絡照明、智慧照明或HCL(也稱為健康照明)。截至2015年,這些轉型的領域似乎非常明顯,但現在有很大的重疊。
 
(圖1)數位照明轉變的年表顯示出應用重疊
 
在過去十年中,主要的照明製造商和控制系統公司已經開發了幾種專有解決方案,通過集中控制,基於有線或無線連接技術來增加節能。第一代解決方案的主要目的是建立一個照明網絡,專注於連接照明產品。雖然這種簡單的方法將持續一段時間,但由於燈具製造商普遍不願意採用專有的解決方案來進行數位照明轉換,所以這個方法不會受到歡迎。這些解決方案不適用於大規模,而且隨著不斷發展的網絡技術,比如先進傳感器網絡、下一代電話網絡以及PAN(個人區域網絡)/ BAN(身體區域網絡)等,互操作性也未充分顯現。
 
基於開放平台,使用智慧技術實現節能,讓中小型照明製造商和控制系統公司能夠最大限度地實現智慧設備的互操作性,主要通過無線技術。第二代解決方案的目的在於規範通信協議,減少智慧手機作為主要智慧設備和用戶界面時調適和配對的痛苦。此外,傳感器和執行器網絡(SAN)的融合為增強擴展網絡創造了另一個有價值的方法。ZigBee和藍牙智慧技術就是推動新一代數位照明的關鍵解決方案。
 
數位照明的最終目標是為物聯網開發一個集線器,為PAN / BAN提供額外的網絡功能。在數位照明的初期(2005年左右),智慧設備的數量等於全球人口的數量。但現在,幾乎每個人都有幾個行動裝置,到2020年,平均用戶在工作地點和家庭將有幾個智慧設備。這種趨勢也導致智慧照明網絡基礎設施發生轉變。 第三代數位照明需要為每個節點提供IP(互聯網協議)地址,以及端到端的安全架構,可以通過硬件、固件和/或軟件來保護個人數據。
 
智慧手機控制對照明的影響
 
隨著時間的推移,智慧手機和相關電子設備技術的重要性將會愈發明顯。這些技術將成為大量訊息共享的中心,從而提高用戶意識並改善網絡通信。當我們控制照明時,我們通常會使用開關、傳感器和牆壁控制器。在早期階段,這些開關、傳感器和牆壁控制器就針對傳統照明或低級數位照明進行過優化。然而,人們越來越想監控遠程設備的狀態,並且遠程使用智慧手機進行控制。
 
第二個關鍵點是,藍牙技術已經發展到能適應智慧技術,比如低耗電藍牙(BLE)。藍牙與ZigBee技術截然不同,ZigBee不支持使用智慧手機進行直接控制。雖然BLE支持網格技術以及對IoT應用程序的直接控制,但ZigBee不會。這種控制對於諸如智慧家居的高密度端節點應用很重要,因此BLE將很快被標準化。
 
第三個關鍵點是,智慧手機可以通過3G、4G、LTE數據網絡或Wi-Fi成為雲端的接入點,可以實現近即時數據分析和大量使用遠程實時服務。在使用訊息服務的安全性和靈活性方面,智慧手機控制將根據需求更加廣泛地開發,使支付過程更容易和更安全。
 
同樣重要的是,我們需要分享空間和資產,包括建築物使用者所使用的照明。 在智慧家居中,家庭成員無論在哪裡,無論在直接範圍內還是需要遠程控制,都能很容易地控制家用電器和安全設備。為了實現這一點,藍牙連接配對需要更加方便。
 
智慧手機控制照明的分級
 
現在來看看智慧手機控制照明的層次結構。本文討論主要基於BLE技術,因為BLE技術具有巨大的潛力,以及在整個行業中接受度很高。
 
如果是聯網照明,住宅或商業樓中的燈通常由三端雙向可控矽或0-10V調光器控制,將控制信號提供給每個燈具中的LED模組驅動器。
 
智慧手機控制通常可以分為三個層次:C1,C2和C3,在大多數情況下,C0是目前在用的傳統控制方案(圖2)。可以選擇現有的驅動程序添加一個專用控制器,在C0頂部裝上BLE傳感器或開關,這樣可以直接控制,無需雲服務器。在C1模式下,多個智慧手機控制可以讓用戶與其他人一起分享照明控制。
 
(圖2)使用智慧手機進行三級照明控制
 
為了進一步控制燈光並與雲端同步,C2解決方案可以將所有控制數據和感測到的數據報告給雲端,並記錄雲端提供的所有分析數據。生成的數據可以通過訂閱輕鬆地獲得。
 
為了隨時隨地控制智慧設備,可以快速添加Wi-Fi/BLE橋,通過BLE網格範圍內的雲添加至控制照明上。在許多情況下,消費者外出時希望控制照明或電器以確認其狀態,或遠程觀察狀態,或在智慧空間中設置最理想的配置,這可以在C3控制模式下完成。
 
智慧照明時代繁榮的先決條件
 
將行業從傳統照明完全轉到數位照明面臨幾個重大挑戰。事實上,有人說大多數照明項目實現智慧照明的時機是從現在開始到2018年初。
 
考慮到LED的成本降低,LED普及率不斷提高,加速從傳統照明到網絡照明或智慧照明的開放平台過渡非常有意義。但是,作為專有解決方案的網絡照明由於成本高而未受到終端用戶的歡迎。
 
因此,有必要解決智慧照明時代實現高度繁榮的關鍵先決條件。行業需要一個基於行業標準化的開放平台。它需要一個可接受的成本,以及具有廣泛的用戶利益。
 
為了滿足這些必要條件,DALI(數字可尋址照明接口)、ZigBee和藍牙作為照明網絡、傳感器網絡和無線電話網絡的核心連接方法,其標準化工作已經在進行中。大多數即將推出的解決方案將基於標準化的硬件和固件,這樣數位照明行業的所有參與者都可以參與開發可行的端對端解決方案。從2017年下半年開始,大多數新型智慧照明產品將基於DALI 2.0,ZigBee 3.0和藍牙5.0。
 
智慧照明的範例
 
下面舉一些無縫智慧照明的例子,決策者看到後,會減少相應阻力,並加速智慧照明的廣泛採用,如圖3所示。在美國,LED照明廠商可以安裝可調光驅動器來改善LED照明或繼續使用傳統的調光器,比如三端雙向可控矽或0-10V。使用現有的LED照明系統,可以添加BLE調光器或BLE智慧調光器,以此替代三端雙向可控矽/ 0-10V調光器,這使得智慧手機在住宅空間中能更加靈活地使用遙控技術。
 
(圖3)針對C1控制方法的無縫選項
 
類似地,相同的技術可以應用於開關和傳感器上,將大多數現有組件轉換為智慧組件,同時保留其原有設計中的一些組件。使用向後兼容的智慧驅動程序,現有的控制器可以匹配新的CCT可調驅動程序。此外,LED模組、驅動器和控制器可以合併成單板(或稱為S引擎),以將成本降低到可接受的水平。
 
無縫連接的方法將基於支持BLE的解決方案或使用BLE/ZigBee組合的解決方案。 通過使用BLE / ZigBee組合單片解決方案(數字IC將於2017年下半年提供),可以輕鬆採用且經濟高效。
(圖4)啟用BLE的解決方案和BLE/ZigBee
 
 
組合解決方案將按順序進行
 
總體而言,照明廠商在選擇數位照明方面的優勢非常有吸引力。為了說明這一點,智慧數位照明的每個步驟的主要優點如圖5所示。將藍牙添加到現有的三端雙向可控矽開關/ 0-10V架構上需要增加成本,但是將現有調光器添加智慧功能,則更便宜。將BLE添加到交換機和傳感器上,並分析使用更智慧控制的條件,同時保持代碼合規性,我們可以節省更多的能源。
 
(圖5)逐步演進提供了明確的市場關聯性
 
此外,通過在任一家用電器上啟用多個電話控制,初始投資可以變得更加經濟高效,特別是當控制設備處於遠程控制模式時。
 
(編譯:LEDinside James。首圖來源:public domain CC0
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