LED照明系统转型:智能照明&物联网

在过去二十年中,LED从传统的独立灯泡照明应用发展到整体照明系统设计,现在已经逐渐发展到数字LED系统,包括联网或网络照明、智能照明和以人为本的照明(HCL)。由于LED是固态照明(SSL)来源,因此这种演变虽然令人难以置信,但一切皆有可能。

然而,面对激烈的竞争,LED和LED模块商品化,放缓了LED照明技术的进步。多年来,LED行业的重点是成本优于设计,但现在的行业巨头们已经更加重视开发更先进的LED照明设计。那现有LED照明企业将讨论如何加速这些以技术为重点的转型,如何更深入地了解当前的市场问题,以充分发挥智能照明和物联网(IoT)的潜力呢?

最近很多照明公司都在推自己的照明解决方案。领先的LED照明厂商通过展示最好的解决方案,证明在某些领先的应用中具有显著的价值,以巩固自己领先的LED市场地位。然而,由于照明行业持续快速增长,对绝大多数连网应用来说,开放平台的互操作性标准化至关重要。此外,必须进一步降低从传统照明到数字照明的转型成本。

照明控制的演变

数字照明的未来正在三个阶段的转型中成形(图1)。转变的形式为网络照明、智能照明或HCL(也称为健康照明)。截至2015年,这些转型的领域似乎非常明显,但现在有很大的重叠。

图1 数字照明转变的年表显示出应用重叠

在过去十年中,主要的照明制造商和控制系统公司已经开发了几种专有解决方案,通过集中控制,基于有线或无线连接技术来增加节能。第一代解决方案的主要目的是建立一个照明网络,专注于连接照明产品。虽然这种简单的方法将持续一段时间,但由于灯具制造商普遍不愿意采用专有的解决方案来进行数字照明转换,所以这个方法不会受到欢迎。这些解决方案不适用于大规模,而且随着不断发展的网络技术,比如先进传感器网络、下一代电话网络以及PAN(个人区域网络)/ BAN(身体区域网络)等,互操作性也未充分显现。

基于开放平台,使用智能技术实现节能,让中小型照明制造商和控制系统公司能够最大限度地实现智能设备的互操作性,主要通过无线技术。第二代解决方案的目的在于规范通信协议,减少智能手机作为主要智能设备和用户界面时调试和配对的痛苦。此外,传感器和执行器网络(SAN)的融合为增强扩展网络创造了另一个有价值的方法。ZigBee和蓝牙智能技术就是推动新一代数字照明的关键解决方案。

数字照明的最终目标是为物联网开发一个集线器,为PAN / BAN提供额外的网络功能。在数字照明的初期(2005年左右),智能设备的数量等于全球人口的数量。但现在,几乎每个人都有几个移动设备,到2020年,平均用户在工作地点和家庭将有几个智能设备。这种趋势也导致智能照明网络基础设施发生转变。 第三代数字照明需要为每个节点提供IP(互联网协议)地址,以及端到端的安全架构,可以通过硬件、固件和/或软件来保护个人数据。

智能手机控制对照明的影响

随着时间的推移,智能手机和相关电子设备技术的重要性将会愈发明显。这些技术将成为大量信息共享的中心,从而提高用户意识并改善网络通信。当我们控制照明时,我们通常会使用开关、传感器和墙壁控制器。在早期阶段,这些开关、传感器和墙壁控制器就针对传统照明或低级数字照明进行过优化。然而,人们越来越想监控远程设备的状态,并且远程使用智能手机进行控制。

第二个关键点是蓝牙技术已经发展到能适应智能技术,比如低耗电蓝牙(BLE)。蓝牙与ZigBee技术截然不同,ZigBee不支持使用智能手机进行直接控制。虽然BLE支持网格技术以及对IoT应用程序的直接控制,但ZigBee不会。这种控制对于诸如智能家居的高密度端节点应用很重要,因此BLE将很快被标准化。

第三个关键点是,智能手机可以通过3G、4G、LTE数据网络或Wi-Fi成为云端的接入点,可以实现近即时数据分析和大量使用远程实时服务。在使用信息服务的安全性和灵活性方面,智能手机控制将根据需求更加广泛地开发,使支付过程更容易和更安全。

同样重要的是,我们需要分享空间和资产,包括建筑物使用者所使用的照明。 在智能家居中,家庭成员无论在哪里,无论在直接范围内还是需要远程控制,都能很容易地控制家用电器和安全设备。为了实现这一点,蓝牙连接配对需要更加方便。

智能手机控制照明的分级

现在来看看智能手机控制照明的层次结构。本文讨论主要基于BLE技术,因为BLE技术具有巨大的潜力,以及在整个行业中接受度很高。

如果是联网照明,住宅或商业楼中的灯通常由三端双向可控硅或0-10V调光器控制,将控制信号提供给每个灯具中的LED模块驱动器。

智能手机控制通常可以分为三个层次:C1,C2和C3,在大多数情况下,C0是目前在用的传统控制方案(图2)。可以选择现有的驱动程序添加一个专用控制器,在C0顶部装上BLE传感器或开关,这样可以直接控制,无需云服务器。在C1模式下,多个智能手机控制可以让用户与其他人一起分享照明控制。

图2 使用智能手机进行三级照明控制

为了进一步控制灯光并与云端同步,C2解决方案可以将所有控制数据和感测到的数据报告给云端,并记录云端提供的所有分析数据。生成的数据可以通过订阅轻松地获得。

为了随时随地控制智能设备,可以快速添加Wi-Fi/BLE桥,通过BLE网格范围内的云添加至控制照明上。在许多情况下,消费者外出时希望控制照明或电器以确认其状态,或远程观察状态,或在智能空间中设置最理想的配置,这可以在C3控制模式下完成。

智能照明时代繁荣的先决条件

将行业从传统照明完全转到数字照明面临几个重大挑战。事实上,有人说大多数照明项目实现智能照明的时机是从现在开始到2018年初。

考虑到LED的成本降低,LED普及率不断提高,加速从传统照明到网络照明或智能照明的开放平台过渡非常有意义。但是,作为专有解决方案的网络照明由于成本高而未受到终端用户的欢迎。

因此,有必要解决智能照明时代实现高度繁荣的关键先决条件。行业需要一个基于行业标准化的开放平台。它需要一个可接受的成本,以及具有广泛的用户利益。

为了满足这些必要条件,DALI(数字可寻址照明接口)、ZigBee和蓝牙作为照明网络、传感器网络和无线电话网络的核心连接方法,其标准化工作已经在进行中。大多数即将推出的解决方案将基于标准化的硬件和固件,这样数字照明行业的所有参与者都可以参与开发可行的端对端解决方案。从2017年下半年开始,大多数新型智能照明产品将基于DALI 2.0,ZigBee 3.0和蓝牙5.0。

智能照明的范例

下面举一些无缝智能照明的例子,决策者看到后,会减少相应阻力,并加速智能照明的广泛采用,如图3所示。在美国,LED照明厂商可以安装可调光驱动器来改善LED照明或继续使用传统的调光器,比如三端双向可控硅或0-10V。使用现有的LED照明系统,可以添加BLE调光器或BLE智能调光器,以此替代三端双向可控硅/ 0-10V调光器,这使得智能手机在住宅空间中能更加灵活地使用遥控技术。

图3 针对C1控制方法的无缝选项

类似地,相同的技术可以应用于开关和传感器上,将大多数现有组件转换为智能组件,同时保留其原有设计中的一些组件。使用向后兼容的智能驱动程序,现有的控制器可以匹配新的CCT可调驱动程序。此外,LED模块、驱动器和控制器可以合并成单板(或称为S引擎),以将成本降低到可接受的水平。

无缝连接的方法将基于支持BLE的解决方案或使用BLE/ZigBee组合的解决方案。 通过使用BLE / ZigBee组合单片解决方案(数字IC将于2017年下半年提供),可以轻松采用且经济高效。

图4 启用BLE的解决方案和BLE/ZigBee

组合解决方案将按顺序进行

总体而言,照明厂商在选择数码照明方面的优势非常有吸引力。为了说明这一点,智能数字照明的每个步骤的主要优点如图5所示。将蓝牙添加到现有的三端双向可控硅开关/ 0-10V架构上需要增加成本,但是将现有调光器添加智能功能,则更便宜。将BLE添加到交换机和传感器上,并分析使用更智能控制的条件,同时保持代码合规性,我们可以节省更多的能源。

图5 逐步演进提供了明确的市场关联性

此外,通过在任一家用电器上启用多个电话控制,初始投资可以变得更加经济高效,特别是当控制设备处于远程控制模式时。(编译:LEDinside James)

 

 

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