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智慧照明挾IoT技術進入日常的每一角
走向以人為本

【作者: 籃貫銘】   2018年02月12日 星期一

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LED(Light-Emitting Diode,發光二極體)問世後,人們對於照明的概念有了顛覆性的轉變,這項被稱為半導體照明的技術,不僅改變了照明的基本思考,更擴展了照明的應用形式,其發展一路從照亮環境演進至氣氛營造,目前更進入了個人照明的時代,而其演進的主軸,就是智慧化。


LED市場研究機構LED Inside日前發布了最新的全球照明市場分析,該機構指出,2018照明市場發展有三大主軸:智慧照明、利基照明與新興國家照明。


其中智慧照明已在2017年進入高速發展階段,市場規模接近46億美元,同比成長率高達95%。


LED Inside指出,隨著技術和產品,以及相關生態系的成熟,預計2020年智慧照明的整體規模可達134億美元。而工業及商業將會是智慧照明最大的應用場域。


然而智慧照明其實並不是新東西,它存在的歷史遠比一般人想像的還要久,其控制系統的發展時間已將近數十年,只是當時仍多使用冷陰極管和傳統白熾燈泡,在系統的電路設計上不容易有突破性進展。


智慧照明系統一開始是使用電磁式觸點控制進行關開燈光的控制,光源則是白熾燈。而隨著照明技術的演進,燈具也逐步從日光燈到節能燈,水銀燈到高壓鈉氣燈,最後到目前的LED燈。所搭配的調光控制技術則擴展至電阻器式、電感器式、變壓器式和繼電器式等。


而隨著網路技術的發展,以及物聯網與大數據時代的來臨,照明控制技術開始與無線技術緊密的結合,並進入更複雜與細緻的數位控制時代;另一方面,在全球節能趨勢與個人化需求的帶動下,照明智慧化的控制範圍開始縮小聚焦,不僅要自動化,更要滿足「人」的需要,包含安全、舒適和節能,甚至是健康照護都要能被實現。



圖1 : 數位照明的階段示意圖。
圖1 : 數位照明的階段示意圖。

ZigBee + BLT 智慧照明控制走入以人為本的時代


圖2 :  數位照明的最終型態,就是為不同的個人提供個人化的照明服務,也就是從集中控制進入「以人為本(Human-centric Lighting; HCL)」的時代。
圖2 : 數位照明的最終型態,就是為不同的個人提供個人化的照明服務,也就是從集中控制進入「以人為本(Human-centric Lighting; HCL)」的時代。

但就如同物聯網,要先「連上(connect)」才有接下來的種種事。智慧照明也是如此,想要具備「智慧」的能力,感測器與網路技術的採用絕對是不可或缺的一環,甚至說,它就是實現智慧照明的基礎。


而為了實現自動化的照明控制,在過去十多年裡,照明方案供應商和控制系統業者已開發出多種的解決方案,而依據其運用的技術類型,約略可分為三代,目前已邁入了第二代,並逐步推向第三代。


第一代解決方案以建立一個照明控制網絡為主,主要的目的是連接照明設備。這種解決方案的設備連結方式以有線的電路控制為多,連接的方式非常簡單,並以集中控制的方式來達成節能的目的,因此多以大型的工業與商業場域才會建置,商業規模有限。


到了第二代解決方案,照明的控制技術開始加入了低功耗短距無線技術與感測器的應用,並逐步規範設備彼此連結的通信協議,也進入了所謂的智慧照明時期。此時,所謂的感測器與執行器網路(Sensor-Actor Network)的整合應用則是主要發展趨勢,而ZigBee和低功耗藍牙技術(Bluetooth Low Energy;BLE)就是推動新一代智慧照明的關鍵技術。


其次,為了能夠整合更多的裝置和系統,開放平台的使用也是此時期重要發展,它讓所謂的智慧技術能夠更全面性的導入,讓中小型照明製造商和控制系統業者能夠實現智慧設備的互通與互連。


值得注意的是,在此時期,智慧手機也開始成為用戶的控制設備之一,用以操作控制系統和照明設備。


數位照明的第三代,也可以說是它的最終型態,就是實踐並成為物聯網的其中一環,與場域中的所有設備進行互聯和通訊,為不同的個人提供個人化的照明服務,也就是從集中控制進入「以人為本(Human-centric Lighting; HCL)」的時代。


此時除了照明網路和感測器網路的應用外,再加入了個人化的區域網路,也就是PAN(Personal Area Network)和BAN(Body Area Network),提供更細部與更個人導向的照明控制。第三代數位照明需要為每個設備提供IP位址,採用端到端(End-to-End)的安全架構,並整合硬體、韌體和軟體來提供全方位的照明服務並保障資訊安全。


DALI照明規範與開放系統成為發展主流

先進的無線網路和感測器的導入固然是智慧照明的發展關鍵,但將之進行整合與應用的通訊規範和控制系統也是關鍵所在,而DALI則是目前最具指標性的照明介面規範。


DALI(Digital Addressable Lighting Interface)中文為「數位可定址照明介面」,它是從1-10V類比照明控制器系統發展而來,是一種專為燈光控制而生的國際通用標準。



圖3 :  具有DALI介面的控制器設備。
圖3 : 具有DALI介面的控制器設備。

DALI協定最早是由歐洲主要的照明製造商,如:OSRAM、Philips和Tridonic等共同制定,於1990年發表草案,後來在2002年由國際電工委員會(IEC)正式訂定公布:IEC60929。此標準是針對可調式螢光燈安定器的介面進行定義,確保不同製造商的安定器間可彼此互換。目前IEC 60929已由IEC 62386取代,指定DALI做為所有光源和照明控制器的唯一介面,其包含變壓器、繼電器模組、感測器以及緊急配件等相關零組件都需符合DALI標準。


DALI規範是採用雙線介面,採匯流排或星狀拓撲配置,讓獨立網路中多達 64 個裝置彼此通訊。若需連結更多裝置,DALI 閘道能透過子系統的連接讓更多裝置定址。數位訊號的標稱位準為0 V和16 V,採用1200 bit/s的非同步、半雙工序列協定進行數據傳輸。


此外,DALI採用差動訊號結合曼徹斯特編碼,即使在嚴重的電氣雜訊下,也能確保可靠操作,因此能沿著主電纜,甚至在承載主電源的多芯纜線中進行佈線。再者,DALI是在低電壓下運作,故無需額外的安定器安全隔離,此外,介面電路中含有二極體橋,因此不會產生任何連接極性問題


由於DALI是開放且數位化標準,因此使用DALI建置的系統就能夠相容於不同製造商的產品,同時也輕易整合至其他的數位系統上,或與其他的控制設備如:觸控、電腦、平板電腦和智慧手機等,非常符合講求開放的物聯網和大數據時代的需求。


也受惠於其多年的發展歷史和背後豐富的大廠支援,DALI系統通常內建了多種照明功能,如調光、漸變和閃爍等組合,其調光演繹方式就高達255階(1%~100%) ,較傳統調光方式(1~10V)更符合人眼視覺。


另外,DALI具備雙向通訊能力,因此能針對系統內的裝置進行偵測,不僅可以記錄各光源的能源消耗狀況,可偵測安定器及光源狀態,便於管理和維修,幾乎是目前主流建築物自動化設備管理系統(Building Management System;BMS)必備的規範。


照明感測走向整合型發展

現今的智慧照明系統不外乎是提供無線控制、調光和調色功能,但隨著照明走向個人化和自動化後,這些控制功能都將會交由電腦系統依據環境數據和使用者命令來進行調整,從被動控制變主動控制,而其決斷的基礎則全依賴感測器來達成。


過往的照明應用感測器,如亮度感測器、色溫感測器和紅外線感測器等,都是依據個別的需求另行安裝,但隨著物聯網技術的興起,照明的感測控制也就順勢整合了網路功能,尤其是ZigBee和BLE的使用。


另一方面,由於LED製程技術的進步,讓照明系統能達到更細緻和複雜的控制,因此也促成了感測器的設計從單一走向多元整合。


奧地利微電子(ams AG)是目前照明感測器技術的佼佼者,其以提供具備IoT網路功能的整合型感測器元件著稱。該公司旗下的感知照明(Cognitive Lighting)系列產品不僅內建了網路功能,還整合了嵌入式、數位環境光感測器 (ALS)等功能。


奧地利微電子指出,所謂的感知照明系列,就是要能讓燈光具有「感知」能力,能因應環境自主管理照明,以滿足美觀、品質和能源效率的需求。



圖4 : 奧地利微電子的感知照明系列,就是要能讓燈光具有「感知」能力,能因應環境自主管理照明。
圖4 : 奧地利微電子的感知照明系列,就是要能讓燈光具有「感知」能力,能因應環境自主管理照明。

此系列的控制與管理元件可自動調整日光燈、LED 燈和泛光燈的亮度,維持恆定的勒克斯以因應日光亮度。能透過ALS 的明視覺響應結合嵌入式紅外線 (IR) 遮光濾波器,能達到高度準確的勒克斯讀數,即使在高IR光源下也能維持準度。


此外,此系列產品整合了嵌入式、數位、三倍刺激、真實色彩、奈米光學感測器,提供直接CIE1931 XYZ和CIE 1976 u'v'座標對應的閉迴路、自主式調整可變的CCT和光譜可調式LED燈具和泛光燈,能提供更精準的照明控制。


而從照明系統商的觀點來看,這類的整合型控制器與管理元件,的確也有其必要之處,由於複雜的IoT網路和感測應用的興起,整合型元件不僅可以加速其產品的上市時程,更能縮小照明裝置的體積,同時也降低整體的開發成本,間接促成智慧照明系統的普及。


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