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LED智能控制技术的发展与趋势[2]

2014-8-5  来源:中国之光网  作者:曹小兵  有19937人阅读

本文阐述了 LED智能控制技术研究方向、技术原理与特点;分别从其应用类别、技术优势和存在问题等方面介绍了 LED 智能控制技术的应用现状;进而分析预测 LED 智能控制照明技术未来研究方向与市场经济的发展趋势。

  2.2 技术创新实例

  随着照明系统应用场合的不断变化,应用情况也逐步复杂和丰富多彩,仅靠简单的开关控制已不能满足现代照明所需要的控制,所以要求照明控制也应随之发展而变化,利用智能化控制照明可以根据环境变化、客观要求、用户预定需求等条件而自动采集各种信息,并对所采集的信息进行相应的逻辑分析、推理及判断,分析结果按要求的形式存储、显示及传输,并进行相应的工作状态信息反馈控制,以达到预期的控制效果。尤其是计算机技术、计算机网络技术、各种新型总线技术和自动化技术的发展,使得智能控制照明技术有了很大的改观。如 Lumen Smart LED、飞利浦 hue 及 Lifi 等。

  (1)Lumen Smart LED

  Lumen Smart LED 的设置非常简单,你只需要把灯装入灯具、在手机上下载应用程序就可以开始配对,省去了 WiFi 灯泡接入路由器的步骤,一旦连接成功,就可以使用应用程序来进行控制,支持 iOS 及 Android系统设备。应用程序非常直观,主屏幕的选色区域可以让你自由调节灯颜色、开启/关闭或 RGB 模式。除此之外,Lumen Smart LED 还拥有丰富的模式及预设功能,Lumen Smart LED 拥有 400 流明的亮度,亮度相当于 40W 白炽灯泡。当然,Lumen Smart LED 的价格要更低一些,所以性能也可以接受。Lumen Smart LED 的优势在于更广泛的颜色范围和更准确的色调,可以实现更生动的照明,尤其是在类似“派对模式”这种需要丰富颜色效果的场景。

  (2)Philips hue

  在 2014 年拿下 iF 大奖的 Philips hue,是第一个可连结网路与智慧型手机 APP 的 LED 灯,改变了灯泡只有照明功能的传统概念。透过 40 种以上的 APP,可显示天气状态、球赛结果、电子邮件,甚至于社群网站上如果有重要讯息,也可以透过不同的灯色来辨识。当然 Philips hue 最基本的功能就是自由变换灯色,家中的灯光也能轻松变换居家灯光色调,使家居照明环境可以变得更精采,甚至可以表现我们的心情和生活态度。

  这可以说是 LED 照明技术和无线控制技术的结合,未来应用性更广,不只能透过时间来自动提醒,另外在地理定位、远端遥控、场景控制、照片取色…等灯光管理运用,都是相当有创意的功能。

  (3)Lifi

  复旦大学计算机科学技术学院研究人员将网络信号接入一个 1W 的 LED 灯,灯光下的 4 台电脑即可上网,最高速率可达 3.25G,平均上网速率达到 150M,堪称世界最快的“灯光上网”。研究人员迟楠教授指出,光和无线电波一样,都属于电磁波的一种,传播网络信号的基本原理是一致的。给普通的 LED 灯装上微芯片,可以控制它每秒数百万次闪烁,亮了表示 1,灭了代表 0。由于频率太快,人眼根本觉察不到,光敏传感器却可以接收到这些变化,二进制的数据就被快速编码成灯光信号并进行了有效的传输。灯光下的电脑通过一套特制的接收装置读懂灯光里的“莫尔斯密码”。

  “有灯光的地方,就有网络信号。关掉灯,网络全无。”与现有 WiFi 相比,未来的可见光通讯安全又经济,WiFi 依赖看不见的无线电波传输,设备功率越来越大,局部电磁辐射势必增强,无线信号穿墙而过,网络信息不安全。这些安全隐患在可见光通讯中“一扫而光”。而且,光谱比无线电频谱大 10000 倍,意味着更大的带宽和更高的速度,网络设置又不需要任何新的基础设施。

  2.3 技术优势

  2.3.1 转换场景多样化

  智能控制照明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即可调入所需的场景。用户还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。另外,用户还可以通过接口用便携式编程器进行不同场景的变换设置。

  系统最大的特点是场景控制,在同一室内可有多路照明回路,对每一回路亮度调整后达到某种灯光气氛称为场景。可预先设置不同的场景,切换场景时的淡入淡出时间,使灯光柔和变化。时钟控制,利用时钟控制器,使灯光呈现有时间规律的变化,以及利用各种传感器及遥控器达到对灯光的控制。

  现代建筑照明不单纯地为满足人们视觉上的明暗效果,更应具备多种控制方案,使建筑物的照明艺术性更强,让人们欣赏到美仑美奂的视觉效果。如果在建筑物内的展厅、报告厅、大堂、中庭以及外部的轮廓配备智能控制照明系统,按不同时间、不同用途、不同的效果及采用相应的预设置场景进行控制,利用场景变化增加环境艺术效果,产生立体感和层次感,营造出舒适的环境,达到丰富的照明效果。

  2.3.2 照度均匀性更好

  一般照明设计师对新建筑物进行照明设计时,会考虑到随着时间的推移,灯具光通量和墙面反射率衰减,因此,其初始照度设置较高。这种设计不仅造成建筑物在不同使用期(或再次装饰的间隔期)的照度不一致,而且还会由于初期照度偏高而造成不必要的能源浪费。当采用智能照明控制后,虽然照度还是偏高设计,但由于可以智能调光,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。

  在学校的教室,要求靠窗与靠墙光强度其本相同,于是在靠窗与靠墙处分别加装传感器,当室外光线强时系统会自动将靠窗的灯光减弱或关闭,以及根据靠墙传感器调整靠墙处的灯光亮度。当室外光线变弱时,传感器会根据感应信号调整灯的亮度到预先设置的光照度值。当灯具的使用时间越长时光通量会降低,墙面的反射率也会随之衰减造成教室的照度不均匀时,可通过智能系统的控制可调节照度达到相应的需求值。

  2.3.3 提升节能效果

  智能控制照明系统借助各种不同的“智能设置”控制方式和控制单元,对不同时间不同环境的光照度进行精确设置及管理,实现二次节能。按照时段或需求进行调光控制,并可实现单灯与多灯控制。经过对数据统计和分析表明,使用智能控制照明系统可节约 30%以上电力。

  当人进入采用传感器感应区域后渐升光亮,当人走出感应区域后灯光渐渐减低或熄灭,使一些走廊、楼道的“长明灯”得到控制。系统给需要的地方在需要的时段以充分的照明及关闭不需要的灯,使系统节能效果更佳。

  2.3.4 延长灯具寿命

  灯具损坏的主要原因之一是电网电压波动大,智能控制照明系统可以有效地抑制电网电压的波动,通过系统对电压的限定和轭流滤波等功能,有效避免了过电压和欠电压对灯具的损害。采用软启动的方式避免电网冲击电压和浪涌电压使灯具免受冲击。另外,智能控制照明系统同时还具备了软启动和软关断技术,避免了冲击电流对灯具的损害。从而使灯具寿命延长,大大减少更换灯具的维修工作量,降低了照明系统的故障率和运行维护费用。

  2.3.5 提高经济回报

  智能控制照明系统以模块式的自动控制为主,手动控制为辅,照明预置场景的参数以数字式存储在EPROM 中,这些信息的设置和更新十分方便,加上灯具寿命的大大延长,使照明管理和设备维护变得更加简单。

  据专家测算,照明项目仅从节电和控制灯具应用数量,用三至五年的时间,业主就可基本收回智能控制照明系统所增加的全部费用。而智能控制照明系统可改善照明环境,提高员工工作效率以及减少维修和管理费用等,也为业主节省下一笔可观的费用。

  综上所述,智能化与照明技术的结合,构筑了充分的技术平台,将节能、低能耗、长寿命、运行节约、以人为本等绿色和持续节能的理念充分演绎。

  2.4 存在的问题

  智能照明应用推广的主要障碍有三点,一是需要复杂的系统支持,施工难度大;二是成本高,大部分用户比较难于接受;三是需要专业技术人员进行调试及维护。

  3 智能控制 LED 照明的发展趋势

  《国家新型城镇化规划(2014-2020 年)》在“推进智慧城市建设”一节中指出,智慧城市建设要“统筹城市发展的物质资源、信息资源和智力资源利用,推动物联网、云计算、大数据等新一代信息技术创新应用,实现与城市经济社会发展深度融合。

  对于智能控制 LED 照明的未来展望,LED 并不应仅仅局限于照明的功能,LED 本身具有非常方便调制和控制的特性,基于这一特性可以做一个智慧中枢,将各种控制信息集中在一起,LED 将有望集合更多的应用及实现更多的功能。LED 照明如同一辆保时捷,在乡间泥泞小路上它的行进速度可能与拖拉机相差不大,但如果修一条公路和保时捷一起卖给用户,就会让用户明显感受到更多的便利和享受。LED 与智能控制结合在一起才能最大限度突显 LED 照明的特性和优势,从而取代传统照明,打造一个符合智能控制基本需求的低功耗、高效率的 LED 照明系统。

  3.1 技术发展方向

  3.1.1 Bus 系统

  Bus 系统由信号输入、控制单元及系统主机三部分组成,信号输入是将外界控制信号转换为系统信号,包括各类控制面板、触摸屏、智能传感器和遥控器等。控制单元执行系统命令实现照明控制,包括各类控制模块或调光模块等。系统主机包括监控软件及通信接口等。

  采用全分布式结构(集散控制系统结构),每台控制模块、控制面板和网桥均自带 CPU,可实现现场控制及中控电脑集中控制,控制系统的可靠性、扩展性和兼容性都很高。

  3.1.2 DALI 系统

  DALI 是数字照明控制协议,不归属任何一家公司。DALI 定义协议时,旨在建立一个结构清晰的简单系统,用于智能控制照明的高性能管理。DALI 提供了一种简单的数字通讯方式,控制简单灵活,并可混搭不同厂家符合 DALI 标准的照明设备,一个系统中可以有多个控制器并可以单独存储数据。

  3.1.3 节能设计及数字控制

  随着楼宇自控技术和照明控制技术的迅速发展,照明控制系统采用先进的节能设计和数字控制将是必然的趋势。DALI 系统有很多优势,可以点对点的控制,但造价太高。目前 bus 系统,能满足基本集中控制和分散控制,但不便于与楼宇自控系统组网。

  从技术发展趋势来看,封闭协议与自控技术发展的潮流不一致,企业研究及开发智能控制系统时,原则上应遵循某种开放协议,保证系统具有很强的可扩展性,可将不同厂家产品按某种协议组网,以满足不同用户的需求。

  DALI 协议是技术发展的一种趋势,Bus 系统中的分组控制理念比较适合中国国情,将来的智能控制系统应趋向于将两者先进的理念结合,演变成具有较强的扩展性、良好的兼容性及良好的经济适用性。

  目前,工业信息化部在很多城市试点三网融合技术,这也为很多弱电系统发展指明了方向,必须适应数字化发展趋势且进行系统融合。城市建立统一的网络后,建筑物内也需要考虑各系统的融合问题。

  智能控制系统的通讯协议不应仅局限于照明系统,还需要考虑融入楼宇自控系统,这样做有很多好处,如系统联动差错率会大大降低、能减少一个系统平台,可降低工程投资。

  照明控制系统、楼宇自控系统可考虑采用非常成熟的 TCP/IP 协议,TCP/IP 通信接口很成熟且低廉,系统可以直接依托建筑内部网络实现数据交换,不再单独敷设总线,能减少工程复杂程度及避免重复投资。

  3.2 技术应用前景

  3.2.1 家居领域——提供舒适的生活空间

  据了解,随着互联网、物联网和大数据的不断发展,预计智能家居市场需求将迎来快速增长期。根据《2013 年度中国智能家居行业研究报告》中显示,未来 3 年,国内智能家居市场增速将不断提升,到 2016年预计可达到 29.17%,到 2017 年,国内智能家居行业市场规模将达 80 亿元。

  智能家居市场的迅速发展,吸引了众多企业加入。智能家居已成为 LED 照明企业的主要技术开发方向之一。尤其在无线网络业务的普及下,大多数家庭都具备了部署智能化家居系统的基础条件,为智能家居照明做了很好的铺垫。而近年来智能手机的迅猛发展,也使得人们对智能照明应用的接受度大大提高。

  智能控制 LED 照明不是简单的替换传统照明产品,而是基于 LED 产品的可控性,结合先进的通讯、传感和云计算等现代化科技手段,使照明更为智能化,更能够营造一个舒适的空间环境。在实际运用中,真正的智能控制照明往往还要复杂得多。

  IGOO 发布了一款智能灯,号称颠覆传统家庭灯光产品,将高端科技带入家用照明领域,其独特的“光曲播放器”中更拥有起居、睡眠、就餐、教育、聚会、爱情、音乐、光疗等八大类光曲。据说光疗功能还可以有效改善失眠的症状,帮助调节商务人士经常出现的时差状况等。Philips 推出过一款概念 LED 灯,不仅通过以太网供电,还能感知区域内人员动作和环境温度等信息。近期 LG 也发布了首款名为 Smart Lamp的智能灯泡,该灯泡据称要比传统的灯泡节能 80%,然而该灯泡最大的亮点是,用户可以通过手机上的 app来开启、关闭或调整灯泡亮度。

  智能照明无疑带给了人们全新的家居生活体验,而目前智能照明的推广障碍,主要集中在产品价格和使用习惯。在产品价格方面,由于 LED 照明市场已日趋成熟,整个产业链的整合已经将 LED 灯的成本拉到了用户可接受范围内。在使用习惯方面,随着互联网高速发展以及各个照明巨头如 Philips、Osram 等纷纷进入这一领域,未来的家居必然会走向智能化。

  总体而言,未来的智能照明,人们将可以通过智能手机或平板电脑上的应用程序来实现光的智能调节。人们通过智能家居控制系统,可以在不同的家居空间和氛围中自由控制和设置单个 LED 灯和整体照明场景,以配合人们生活最需要的舒适照明。而且,通过生物有效光的调节,还能对人们的生活健康起到积极作用。此外,当人们外出时,也可以通过智能系统调节家中的照明设备。

  Osram 首席技术官 PeterLaier 博士认为,光的“连接”是未来照明走向数字化的关键步骤。现今 LED的特性还未完全发挥,透过半导体照明技术的发展,未来将能够开发更多 LED 智能照明产品,并让照明应用更为智慧化。

  3.2.2 办公领域——在节能中提高效率

  办公场所代表了一个公司的形象,而智能化及便捷的工作环境能让办公室的员工更加舒适。在快节奏的今天,办公人员每日忙于处理繁忙的事务,简便、灵活及舒适的办公环境能让他们心情愉悦和工作效率的提高。智能照明为办公室带来了舒适和人性化的光环境,比如,在会议室采用的智能自动调光系统有多种预先场景设置,简单的一个按钮就可以切换出不同的照明模式,为办公人员提供所需的舒适灯光,使员工处于最佳的工作状态。

  同时,良好的节能意识也能在智能照明系统内完美体现,智能化系统的自动感应控制装置可以有效地利用自然光使照明环境保持在恒照度,可自动关闭无人区域的照明设备,将不必要的能耗降到最低,使节能达到 75%以上。

  总之,舒适先进的灯光犹如美妙的音乐,于潜移默化之中影响人们的工作状态。随着日常商务事务的日渐繁忙,人们在办公室呆的时间也越来越长,对工作环境的关注也愈加重视,高品质的智能化办公照明进驻办公室将提升人们的工作效率。

  3.2.3 公共设施领域——绿色环保

  智能控制技术在公共设施中的应用也非常重要。随着科技的发展,可以在隧道内用智能路灯代替传统路灯,这种“精明”的路灯不仅可以全天候亮灯,而且还能随着太阳光线的强弱而自动调节灯光的强弱,既避免内外光差对驾驶人员的影响又节能且环保。

  同样,很多桥洞最普遍的问题就是桥下光线太暗极易发生事故。随着智能控制 LED 照明系统的应用,这种状况也得到了改变,例如应用了目前国际上普遍推广的 LED 智能无级控制灯系统后,可使灯的发光强度随着早晨太阳的升起而渐渐增强,又会随着太阳的偏西而渐渐减弱进入夜间照明模式。

  3.3 打造利润新增长点

  未来几年,中国 LED 照明的市场规模将突破 1000 亿美元,而目前国内的智能控制 LED 照明市场渗透率还不足 2%,产品应用主要体现在可调光调色的居家照明和可调亮度的 LED 道路照明。未来智能家居照明和智能道路照明等市场将大大扩大,即使以 20%的渗透率计算,也有数百亿美元(合计千亿元人民币)的市场空间待发掘。

  据调研发现,搭配了智能控制的 LED 灯具出厂价比普通灯具高出了 20%至 30%。仅此一项智能化配置就可以为灯具至少增加 20%的毛利润,而一些高端的可调光调色类产品甚至可以达到 30%以上的毛利润。

  在智能控制 LED 照明广阔的市场打造利润新增长点,其发展趋势主要有以下几方面:

  (1)品牌集成各方赢利

  品牌集成将是智能控制照明的发展趋势,将不同品牌的产品集中到一个平台上,最大好处是可以将各品牌的最好产品集中到一个项目中完善家居的智能化。事实上,市场上照明产品种类繁多,如果要求所有的设备都是同一厂家的产品,或一个系统只能用同一个厂家的所有产品配套是不现实的。而且,客户在性能和价格上也缺乏自主权——要么全盘接受,要么只能全部放弃。统一的控制平台则能很好地兼顾各方利益,客户可以选择任意产品,只要它在性能上也符合要求,这样,客户在预算上也会有很大的主动性。

  (2)走向以人为本的科学化照明

  智能控制照明将从纯粹的智能功能的发展转向更注重人的行为的智能照明。以人的行为、视觉功效、视觉生理及心理研究为基础,开发更具有技术含量的以人为本的高效、舒适及健康的智能化照明。

  (3)满足个性和层次化的照明

  智能控制技术与照明的结合使照明更进一步地满足不同个体和不同层次群体的照明需求,使照明从满足一般需求到满足个体和个性化需求的必不可少的技术手段。这也应该是智能控制照明的发展方向。

  (4)智能照明与新光源结合,创造崭新照明文化

  智能控制、LED 光源和照明技术的结合,将构筑崭新的照明技术平台,其应用领域从智能家居照明到智能化的城市照明,有无限广阔的应用前景,并且正在创造一种崭新的高技术和高科学思想含量的照明文化。智能化照明的出现又给灯具市场迎来热议和更多的期待。

 

编辑:Cedar

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