家居智能照明現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢探析

曹小兵

(深圳市斯派克光電科技有限公司，深圳 518034)

照明研究

家居智能照明現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢探析

曹小兵

(深圳市斯派克光電科技有限公司，深圳 518034)

智能照明不只是單一改變光環(huán)境的控制，而是集傳感、組網(wǎng)、通信、云計算和物聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)與平臺于一體的多元化系統(tǒng)。通過對智能照明市場空間與實施推廣應(yīng)用進(jìn)行闡述，進(jìn)而從技術(shù)原理、模塊構(gòu)建、軟件設(shè)計與系統(tǒng)方案等方面探析家居智能照明現(xiàn)狀，并展望其未來發(fā)展趨勢。

家居照明；智能控制；系統(tǒng)；方案

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟的快速增長與人們生活質(zhì)量的不斷提高，智能控制技術(shù)也快速應(yīng)用于居家生活，傳統(tǒng)照明被智能照明替代已成為照明業(yè)的發(fā)展趨勢。通過智能控制技術(shù)的應(yīng)用可滿足人們對照明環(huán)境及氛圍日益豐富的需求，可根據(jù)不同的環(huán)境和時間需要而設(shè)定匹配的照明環(huán)境，營造舒適的氛圍，起到美化家居生活環(huán)境的作用。智能照明歸屬智能家居大架構(gòu)下的子系統(tǒng)，隨著智能控制技術(shù)的成熟應(yīng)用，智能系統(tǒng)管理將取代傳統(tǒng)點對點的控制模式，并為人們高質(zhì)量的生活提供更豐富的智能化功能，在家居生活中得到更廣泛的應(yīng)用。

1 家居智能照明概況

1.1 市場空間

家居智能照明正處在推廣階段，可謂是百花齊放、百家爭鳴，未來幾年我國照明市場規(guī)模預(yù)計可突破1 000億美元，而家居智能照明市場的滲透率不足2 %。通過智能控制技術(shù)與高效節(jié)能LED的融合及推廣應(yīng)用，現(xiàn)代家居照明將進(jìn)入“智能”時代，智能照明也是市場需求的必然趨勢，其細(xì)化市場前景不可估量。

智能照明系統(tǒng)具備集中智能管理模式，能為人們的家居生活調(diào)配出更加優(yōu)質(zhì)的光環(huán)境。系統(tǒng)的應(yīng)用將整個家居的智能化管理水平大幅度提升，加之人們

對照明的需求從單一追求光效已提升到注重光質(zhì)量及舒適度等更高要求，智能照明系統(tǒng)可根據(jù)相應(yīng)要求調(diào)整光環(huán)境及設(shè)置典型模式，更加符合現(xiàn)代生活的需求。智能照明系統(tǒng)的本質(zhì)是電子化和網(wǎng)絡(luò)化的結(jié)合，不僅可以實現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能控制、自動調(diào)節(jié)和情景照明的功能，同時也是融入互聯(lián)網(wǎng)的一個窗口，從而衍生更多高附加值的服務(wù)。

1.2 應(yīng)用與推廣

1.2.1 應(yīng)用效果

LED的可控性能給予設(shè)計者無限的想象空間，通過智能控制技術(shù)能最大限度地滿足人們各種照明環(huán)境的需求。相對于傳統(tǒng)家居照明的手動、組動或聲控等單一控制，智能控制系統(tǒng)具有多元化的管理模式，并利用傳感器對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，管理中心對家居照明燈具實行無線連接、組網(wǎng)管理、亮度調(diào)節(jié)、光色變化、軟啟動及多場景設(shè)置等功能，營造舒適、高效節(jié)能和安全的氛圍，滿足人們的生活需求。系統(tǒng)還可按分布形態(tài)對整個家庭照明實施智能管理，通過手機或iPad等移動設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線管理，以提高智能系統(tǒng)的管理水平及遠(yuǎn)程控制應(yīng)用體驗，并對每個終端燈的能源消耗及運行狀況進(jìn)行實時監(jiān)控，減少維護(hù)費用，達(dá)到更為節(jié)能的運行效果，營造簡單及溫馨舒適的家居生活氛圍。

1.2.2 推廣阻礙

家居智能照明雖有市場需求的積極引導(dǎo)，但相應(yīng)技術(shù)仍需完善。行業(yè)技術(shù)規(guī)范不清晰，無系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作為基準(zhǔn)，造成當(dāng)前應(yīng)用混亂的局面，成為家居智能照明難以在市場迅速全面推廣的最大阻礙。無論是權(quán)威機構(gòu)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟及企業(yè)均未對家居智能照明進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)范，其原因有3方面。

1)采用的無線協(xié)議不統(tǒng)一。智能照明系統(tǒng)采用的無線局域網(wǎng)協(xié)議主要分為北美IEEE和歐洲HiperLAN兩大陣營，較為常用的有IEEE 802.11系列、HiperLAN、IrDA、HomeRF、Wi-Fi、Bluetooth及ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，各自形成自有生態(tài)圈，不能相互兼容。制造商在研發(fā)、生產(chǎn)及推廣應(yīng)用過程中無法達(dá)成一致，消費者對其認(rèn)識也很片面，難以獲得大眾的認(rèn)同。

2)現(xiàn)有家居照明采用多接口實現(xiàn)照明燈的調(diào)光調(diào)色，多以墻壁開關(guān)為主，其控制點分散，讓老年人和特殊群體使用不方便，不能簡單而便捷地進(jìn)行集中控制操作。

3)市場定位過于“高、大、上”，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通消費者的消費預(yù)期，很難被市場接受。一套Philips Hue高達(dá)1 000多元，小米推出的Yeelight燈泡每只也要100多元，這樣的價格定位，唯有少數(shù)體驗者可接受，普通消費者只能望而卻步。

2 家居智能照明設(shè)計與研究

2.1 智能控制功能

家居智能照明系統(tǒng)是以計算機網(wǎng)絡(luò)控制平臺為核心，采用數(shù)字化、模塊化及分布式的總線架構(gòu)，實現(xiàn)對照明燈的控制及管理。系統(tǒng)的中央處理器(central processing unit，CPU)與各控制模塊間通過網(wǎng)絡(luò)總線搭建實時的信息通信網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)外圍環(huán)境的變化調(diào)控指令進(jìn)行遠(yuǎn)程及自動化管理。最大限度地實現(xiàn)人性化管理模式，配備一定的可補充及擴展功能，在不重新增添設(shè)備或者鋪設(shè)電纜電路的情況下，利用計算機編程技術(shù)增加或升級系統(tǒng)功能。

2.2 智能控制方案

家居智能照明系統(tǒng)由智能控制器(room control unit，RCU)、信息采集處理器、終端燈和信息顯示4大模塊構(gòu)成，并利用組網(wǎng)、通訊、控制及綜合管理技術(shù)對終端燈進(jìn)行控制及管理。系統(tǒng)的外接傳感器把相應(yīng)信號傳輸?shù)絉CU，實時反饋居家環(huán)境信息，RCU通過以太網(wǎng)和網(wǎng)關(guān)通信與控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network，CAN)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將RCU的指令傳達(dá)到終端燈，同時在控制面板上顯示相關(guān)信息，讓操控者清楚地了解各種數(shù)據(jù)，方便操控。其工作架構(gòu)參見圖1。

圖1 家居智能照明系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.3 模塊構(gòu)建系統(tǒng)

家居智能照明系統(tǒng)的硬件由調(diào)光模塊、輸入模塊、啟閉模塊、人機界面、傳感器、PC接口和時間模塊等構(gòu)建而成，并承擔(dān)相應(yīng)的系統(tǒng)任務(wù)。

1)調(diào)光模塊以CPU為核心，利用控制可控硅開啟角調(diào)節(jié)輸出的電壓平均幅值對終端燈進(jìn)行調(diào)控。

2)輸入模塊接收無源節(jié)點的信息，通過總線把信息傳輸給CPU。

3)啟閉模塊由繼電器構(gòu)成，控制電源的開關(guān)對終端燈的啟閉進(jìn)行控制。

4)人機界面提供直觀的操作界面，顯示照明場景狀態(tài)、編程及完成各種控制指令的操作，同時將指示傳達(dá)到CPU，運算處理后對終端燈發(fā)出各種指令。

5)傳感器作為家居照明的“感知中樞”，主要采用紅外線傳感、光敏傳感、聲敏傳感、超聲波傳感、霍爾傳感和環(huán)境光傳感等各類傳感器，對終端燈所處環(huán)境及外部信息進(jìn)行收集及監(jiān)測。

6)時間管理模塊同控制系統(tǒng)總線上的設(shè)備是相互協(xié)調(diào)與配合的，完成各種自動化任務(wù)與時間的控制任務(wù)。

2.4 軟件系統(tǒng)方案

智能照明系統(tǒng)的設(shè)計方案通常是將整個系統(tǒng)的程序劃分為若干部分，通過雙音多頻(DTMF)信號發(fā)送、接收、顯示及控制指令生成等功能，編制對應(yīng)部分的軟件流程圖，應(yīng)用51C語言編寫相應(yīng)程序。在整個編程中采用模塊化及功能系統(tǒng)化的設(shè)計原則，具備清晰的結(jié)構(gòu)，便于程序的編制，具有升級與功能擴展等特點，并依據(jù)主機與從機的使用特點將系統(tǒng)軟件劃分為主從程序。

2.4.1 主機程序流程

在智能照明系統(tǒng)中主機相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心，也是組網(wǎng)實現(xiàn)智能控制的基礎(chǔ)。主機負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的總體協(xié)調(diào)工作，把子系統(tǒng)組合起來形成一個體系，讓組網(wǎng)、通信、指令及執(zhí)行程序按預(yù)訂方案進(jìn)行，不會產(chǎn)生混亂而影響系統(tǒng)工作，其流程如圖2所示。

圖2 主機程序流程圖

2.4.2 子系統(tǒng)程序流程

智能照明系統(tǒng)中的子系統(tǒng)主要是執(zhí)行主機的控制命令，管理系統(tǒng)內(nèi)每盞或每組燈工作狀況，進(jìn)行信息反饋，其程序流程如圖3所示。

圖3 從機程序流程圖

2.5 系統(tǒng)功能

智能照明系統(tǒng)需充分體現(xiàn)照明舒適性和高效節(jié)能的特點，應(yīng)用范圍涵蓋客廳、臥室、書房、走廊、廚房、衛(wèi)生間及車庫等所有家居場所，因此家居智能照明系統(tǒng)應(yīng)具備以下典型功能。

1)定時控制。對家居照明進(jìn)行任意時間和某盞或某組燈的控制，當(dāng)長時間沒有人居住時，則可設(shè)置某盞或某組燈在預(yù)定時間自動開啟，起到安全警示的作用。

2)感應(yīng)控制。對衛(wèi)生間、走廊及通道等公共區(qū)域的燈設(shè)置為感應(yīng)控制狀態(tài)，實現(xiàn)人到燈亮與人走燈滅的節(jié)能模式。

3)場景調(diào)控。將具有智能控制功能的燈組網(wǎng)在一起，根據(jù)不同時間、不同場景及應(yīng)用者喜好輕松實現(xiàn)各種照明模式，并對同一區(qū)域的多組燈光進(jìn)行控制，既方便操作，又能賦予同一空間不同的燈光效果，營造出舒適氛圍滿足家居照明需求。

4)遠(yuǎn)程控制。應(yīng)用者通過手機或iPad等移動設(shè)備，與智能控制系統(tǒng)通過無線連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，掌控家居照明的運行狀況。

3 家居智能照明的發(fā)展趨勢

隨著人們生活水平的不斷提高，對家居照明的個性化要求越來越高。智能控制技術(shù)的不斷升級和完善使智能化程度和水平越來越高，因此，其應(yīng)用程序逐步變得操作簡單且功能豐富多彩。創(chuàng)新是推動技術(shù)進(jìn)步的動力，創(chuàng)新對于各行各業(yè)都有著深遠(yuǎn)影響，智能照明的創(chuàng)新趨勢主要有以下幾方面。

3.1 個性化需求

隨著智能照明系統(tǒng)功能越來越豐富和多樣化，未來的家居照明將不再單單是對燈開關(guān)明暗的調(diào)節(jié)控制。應(yīng)用者在注重外在時尚感與個性化設(shè)計的同時，會追求更多功能；在重視光環(huán)境的品質(zhì)與健康安全的同時，會融入更多情感與喜好的個性化改造(do it yourself，DIY)。DIY則可直接準(zhǔn)確地表達(dá)及實現(xiàn)應(yīng)用者最真實的照明效果需求，因此，對智能照明進(jìn)行系統(tǒng)性DIY將成為發(fā)燒友們的生活樂趣。

3.2 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

智能照明系統(tǒng)不僅可根據(jù)環(huán)境變化和應(yīng)用者預(yù)定模式進(jìn)行設(shè)置，還可系統(tǒng)地采集各種信息，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對收集信息進(jìn)行相對應(yīng)的邏輯分析和運算判斷，按需求對信息實施存儲、顯示及傳送，進(jìn)而做出符合需求的工作狀態(tài)信息反饋及調(diào)控設(shè)置，以達(dá)成預(yù)期目的。

3.3 聯(lián)動與智能

智能照明系統(tǒng)在家居中應(yīng)用分布廣泛，且涉及的控制節(jié)點數(shù)量多，并不是簡單地把照明設(shè)備加入智能程序就可以實現(xiàn)智能照明，而是必須擁有完善的控制系統(tǒng)，兼顧創(chuàng)新技術(shù)與實用產(chǎn)品的結(jié)合。系統(tǒng)將會從單一的照明智能化，發(fā)展到與其他家用電器通過組網(wǎng)無縫連接的聯(lián)動控制，實現(xiàn)家居智能系統(tǒng)的全面組網(wǎng)。

3.4 無線遠(yuǎn)程控制

智能手機和iPad等攜帶方便的終端設(shè)備已得到全面普及，應(yīng)用者無需任何專業(yè)培訓(xùn)就能靈活地在終端設(shè)備上進(jìn)行各種程序的操控，終端設(shè)備是家居智能照明最方便實用的控制端，也為家居智能照明的推廣積累了大量的潛在用戶。未來家居智能照明的競爭將會集中在“軟件、服務(wù)、云”3個方面，需要依靠軟件來實現(xiàn)增值服務(wù)。同時，人與照明之間將會有更多的互動與創(chuàng)新，把家居智能照明的人性化與個性化進(jìn)行完美的體現(xiàn)。

3.5 市場推廣

隨著智能控制技術(shù)的成熟應(yīng)用，原來以經(jīng)營有線產(chǎn)品為主的集成商和代理商，會隨著市場需求的變化而推廣無線智能照明產(chǎn)品。同樣，高端智能照明集成商也將增加兼容性較強的無線類產(chǎn)品，拓寬業(yè)務(wù)范圍及增加市場銷售的靈活性。

4 小 結(jié)

家居智能照明的核心價值是以科技創(chuàng)新為基礎(chǔ)，滿足基于人與光節(jié)律要求的多元化選擇，并得到應(yīng)用者的全新體驗及認(rèn)可。同時，也需制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范家居智能照明的方案設(shè)計、生產(chǎn)及安裝，讓普通消費者接受更具親民價格的產(chǎn)品，順應(yīng)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)與智慧城市建設(shè)的國家發(fā)展規(guī)劃，推廣高效節(jié)能的智能照明產(chǎn)品。

[1] 張華.網(wǎng)絡(luò)化智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].大連：大連理工大學(xué),2014.

[2] 楊振龍.一種智能家居照明系統(tǒng)的控制方法及裝置研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué),2014.

[3] 曹小兵. LED智能照明技術(shù)的發(fā)展與趨勢[J]. 中國照明電器,2014(11):6-10.

[4] CAO Xiaobing,ZHENG Daishun. Intelligent LED Lighting System and Sensor Technology[C/OL]∥ The 11thChina International Forum on Solid State Lighting, IEEE xplore. IEEE,2014:129-132.

[5] 李軍,陳建勝,梁靄明.基于DALI協(xié)議的家居LED智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代建筑電氣,2014(8):11-15.

[6] 梁人杰.智能照明控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望[J].照明工程學(xué)報,2014(2):15-26，31.

Analysis of current situation and development trend of smart home lighting

Cao Xiaobing

(Shenzhen SPARK Optoelectronics S&T Co., Ltd., Shenzhen 518034, P.R.China)

Intelligent lighting is not just a single change of light environment control, but also the sensing, networking, communications, cloud computing and networking and other technologies and platforms to fuse together in a variety of systems. Through the application of the smart lighting market space and the implementation of the application, and then from the technical principle, module construction, software design and system design, and other aspects of the smart home lighting, and the future development trend of the future.

home lighting; intelligent control; system; scheme

2016- 01-18

曾小兵，男，主要從事智能照明研究。