照明物聯網：傳感器如何為智能照明系統創造需求?

作者/Kevin Jensen 艾邁斯半導體傳感器和照明專家

　　如今的一切事物都變“聰明”了，特別是與物聯網(IoT)相關的市場被認為具有巨大的增長潛力。萬物互聯的全新可能及由此而來的龐大數據，為無數產品提供了發展愿景。例如，早餐時，廚房設備會準備新鮮的咖啡和熱面包;洗衣機會在紅色襪子將所有白色衣服染成粉紅色之前自動停止洗衣;此外，無論是在家里、購物中心還是在街上，照明系統都能夠自動適應環境從而帶來適宜的照明。

　　1監測、聯網及控制

　　隨著發光二極管(LED)的引入，照明設備的開發理念和設計過程有了翻天覆地的變化。為了能夠使用更有效的控制系統，我們必須學習新的電子學知識，并為產品設計添加新的功能。而在如何更智能地利用光照方面，還有許多值得挖掘的地方。

　　燈具是理想的傳感器節點。每個房間都有燈，而這些燈具通常都位于房間的中央位置。通過添加傳感器可以輕松實現更高的智能性，例如：光線品質、溫度、濕度、空氣品質或空間占用監測等。這些數據可統一收集后傳送至室內的其他聯網設備。但是，只有在收集到正確的數據時，系統才會做出相應的反應。

　　如何在實體世界和數字空間之間建立橋梁?將傳感器應用在燈具中又有哪些具體要求?正確的組合方式非常重要。

　　2數據采集及“智能”用途

　　目前大部分建筑物都具備一些基本的元素，包括墻壁、門、窗戶、家具或聚會區域、空調或通風系統以及照明設備等，鑒于電氣網絡分布在建筑物的各個位置，而每個房間都安裝有燈具，燈具顯然是作為傳感器“熱點”的絕佳選擇，因為它包含了所有必須的元素：電力、房間的中央位置以及人。

　　人們到底希望監測什么，這是制造商需要思考的問題，同時也幫助他們運用專有知識制訂針對性的銷售策略，而這些策略不能很快地被復制。

　　添加空氣質量和濕度監測功能可以使建筑自動化更智能，并且節省能源和增進系統效率。此外，主動照明控制還能確保員工在整個工作日都感到舒適、充滿活力, 從而始終保持斗志。考慮到能源之星及其他國際標準的要求，智能傳感器及控制的概念正變得越來越重要。

　　圖1 燈具中的傳感器技術做為物聯網連接的中樞元件

　　當然，傳感器技術的采用勢必會增加燈具的物料成本(BOM)。但我們也需要思考：“傳感器技術創造了哪些附加價值?”“哪些特性將幫助開拓新市場?”檢測空氣中的揮發性有機化合物(VOC,Volatile Organic Compound)、火災監測的預警系統，或是以人為中心照明(HCL,Human-centric lighting)的完整光譜?手持設備用戶通常很少抱怨硬件部分，卻往往會因為該設備不具備特定傳感器，導致其app應用沒有某些新功能而感到失望。

　　3監測：收集數據

　　為了使設備變得更智能，使用正確的傳感器是重要因素。行動引發反應-收集的數據將讓使用者能以特定的方式做出反應。艾邁斯半導體(AMS)提供直覺式的解決方案：智能照明管理器。通過該傳感器解決方案，不僅能監測光線，而且能單獨地對色溫和亮度差異直接做出反應。同時，該系統還能用作傳感器橋接界面，進而連接更多的傳感器。

　　諸如上述提到的溫度測量、空間占用探測、濕度測量、空氣品質測量(VOC)或氣壓測量。獲得的數據可被用于控制光線品質或改善房間本身。例如基于傳感器測量數值的主動亮度控制能在窗口有足夠陽光透進來時將燈調暗，或者主動測量色溫并加以控制從而實現主動式的日光控制。其它傳感器數據則被傳送到連接的設備上，并被用于實現建筑物自動化。例如空氣質量數據可以傳送至通風系統，以實現自動控制。

　　為了實現簡化的連接并擴展系統，需要添加諸如I2C或UART等工業標準接口。此外，UART還能采用RS-485網絡插頭做為數據通信接口，實現快速使用。這就提供了一個簡單的基于有線或無線的方式與收集和處理數據的控制中心相連接的解決方案。

　　圖2 智能照明管理器 AS7211：用于光源監測控制和調整的集成傳感器

　　圖3 AS7225自帶微控制器和I2C輸出接口

　　4主動式控制：利用數據

　　傳統照明產業青睞標準產品，因為這樣的產品開箱即用，能夠直接組裝成設計好的產品。技術知識和專業能力體現在設計、光線輸出和性能領域。然而，隨著現有設備引入物聯網功能的需求不斷增長，工程師們越來越多地問自己這些問題：在不太了解色度測量、控制技術甚至光學技術的情況下，有哪些元件可以輕松實現應用需求?需要多少專業知識才能促成物聯網項目落地，產品又需要蘊含多少專業知識?

　　智能和集成傳感器解決方案在這一點上可協助您自動解決部分問題，例如相關色溫(Correlated Color Temperature, CCT)控制、色彩控制、亮度管理等。舉例來說，可以在幾個燈具之間建立動態日光控制系統，或者是根據來自窗口的入射光來調整亮度 (Lux)。而以人為中心的照明 (HCL) 或節能照明項目能實現快速實施。此外，這些解決方案具備靈活性，可以讓具有創造性思維的開發人員隨心使用自己的知識，發揮自己的調光專長并利用實際的傳感器數據。

　　通過智能照明管理器集成的PWM(脈寬調變)所具備的0-10V輸出可以直接調節輸出值。通過校準的反饋回路來自動執行調光或調整可以使照明更智能。房間里的所有燈具都要運行在5000K?沒有問題，集成的傳感器能檢測當前值并進行動態調整。無論是否使用不同供應商的LED，還是發生LED顏色輸出隨時間老化的現象，只要暖白色和冷白色組成的LED仍然可以達到這個色溫，傳感器就能將CCT調整到所要求的值。

　　但是，如果我已采用了自己的微控制器，并且想自己運用這些知識，那又該怎么做?如果是這樣，那么智能照明控制器(Smart Light Director)就是絕佳選擇。該解決方案能利用I2C接口將相對應的色度值直接傳送到單獨的控制器，而制造商也可通過采用Dali等系統實現動態控制。

　　圖4 快速并簡單地結合傳感器和燈具

　　5網絡：數據的智能處理，互聯及增值

　　硝煙彌漫的照明市場有一個眾所周知的問題：價格壓力。越來越多的低成本供應商不斷為市場帶來新的解決方案，但他們卻對品質要求缺乏關注。智能聯網系統不僅能創造獨特的功能，還可以通過針對性的專業知識和合作伙伴來開啟新市場，并且推動持續發展。

　　采用現有的聯網技術可以將“本地端”的監測和控制直接傳送至云端，因此可以直接解決燈具聯網的問題。圖5顯示通過集成的UART接口和BLE、WIFI或Zigbee，就可以快速連接至一般的輸入裝置。簡單的AT指令有利于裝置之間的通訊，并確保使用標準化代碼就能在很短的時間內建立連接，其中包括藍牙(BLE / Smart)、Wi-Fi和Zigbee等標準無線元件及有線乙太網絡的復雜堆疊和協定。

　　參考代碼可用于簡化照明和網絡之間的復雜通信。通過UART接口，還可以使用DALI(digital addressable lighting interface, 數字可尋址照明接口)或經典的RS-485。參考設計還顯示使用Android系統手機或iPhone，就可以快速解決Set_Lux_Target、Read_Lux_Level或Set_Luminaire_Output_Level等標準指令。 即使是GUI(圖形使用者界面)的實現也是非常快速和容易的。

　　因此，在很短的時間內就能建立物理空間及數字空間的橋梁，也就是實現物聯網照明解決方案。使用智能照明集成套件(SLIK)在24小時內就可以建立原型。

　　圖5 傳感器技術成為物理空間與數字世界 (云端)之間的橋梁

　　6結論

　　只有突破傳統，新想法才能受到矚目，未來的照明設計師才能夠在價格、性能和功能之間進行選擇。然而，問題在于如何能在競爭中脫穎而出，具有數字化附加值的云端解決方案可以解決這個問題。因為使用者自己就能看到這些新獲得的數據如何被積極使用。消費習慣會逐漸改變，新的“app”會出現、客戶需求也會不斷變化，只有那些能夠積極應對這些改變的人，才能牢牢掌握客戶的心。