LED 照明的數(shù)字化本質(zhì)顯著增強(qiáng)了可控制性，利用這種可控制性，我們可以實(shí)現(xiàn)眾多不同的照明效果，從調(diào)光和顏色變換到基于占位的特性。照明已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化，提供靈敏的響應(yīng)，但如果與新興的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 配合使用，并且部署更多的傳感器，它將能夠支持更強(qiáng)大的功能。例如，如果街燈配備了攝像頭、接近傳感器或空氣質(zhì)量傳感器，則可為智能城市管理發(fā)揮輔助作用。嵌入民用燈具內(nèi)部的傳感器可以增強(qiáng)危險(xiǎn)檢測(cè)或應(yīng)急呼叫。

如何能夠經(jīng)濟(jì)高效地將新一代智能燈具引入到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中？這個(gè)問(wèn)題亟待解決。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，但現(xiàn)今已安裝新型 LED 燈具的用戶(hù)卻期望燈具在使用很長(zhǎng)時(shí)間之后再進(jìn)行升級(jí)，從而最大程度地提高他們的投資回報(bào)。這正是新型智能燈具大展身手的舞臺(tái)，因?yàn)樗鼈儙в泄δ苋婕翱缮?jí)的傳感器接口，能夠隨時(shí)利用云技術(shù)的快速進(jìn)步，為用戶(hù)提供更多價(jià)值。

照明和物聯(lián)網(wǎng)

人們對(duì)智能照明的寬泛理解是實(shí)現(xiàn)燈具響應(yīng)自動(dòng)化，例如調(diào)光或開(kāi)關(guān)控制，旨在增強(qiáng)用戶(hù)舒適度并節(jié)省電能。環(huán)境光傳感器 (ALS) 可用于檢測(cè)自然光的多少，從而相應(yīng)地調(diào)節(jié)燈具的輸出。該傳感器必須位于接近燈具的位置，以便提供環(huán)境條件的相關(guān)指示，但它的定位又必須最大程度地避免暴露在燈具自身的光線下，以防止出現(xiàn)不適宜的調(diào)光和亮度調(diào)節(jié)。

Maxim Integrated已經(jīng)演示了如何將類(lèi)似MAX44009的 ALS 應(yīng)用于室外燈具設(shè)計(jì)，如圖 1 所示。該系統(tǒng)基于MicrochipPIC18LF4520微控制器。硬件相對(duì)簡(jiǎn)單，在 MCU 和傳感器之間使用簡(jiǎn)單直觀的雙線纜連接。參考設(shè)計(jì)將 ALS 安裝在單獨(dú)的 PCB 上，以實(shí)現(xiàn)最佳傳感器定位。

圖 1： 集成 ALS 以構(gòu)建智能照明燈具。

如圖 2 的流程圖所示，智能照明控制器軟件可以測(cè)量環(huán)境光線，跟蹤時(shí)間，讓我們能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的用戶(hù)界面，對(duì)光照度閾值、早晚開(kāi)關(guān)時(shí)間進(jìn)行編程。圖中包括一個(gè)按鈕，還有兩個(gè) 7 分段顯示屏和指示燈 LED。Maxim 應(yīng)用說(shuō)明AN5320提供了十六進(jìn)制格式的控制器軟件。

圖 2： ALS 增強(qiáng)照明系統(tǒng)的軟件控制流程圖。

在監(jiān)控該軟件管理的燈具附近區(qū)域的環(huán)境光照強(qiáng)度方面，ALS 可以發(fā)揮重要作用。另一方面，也可使用 PIR 傳感器進(jìn)行占位檢測(cè)，打開(kāi)或關(guān)閉相對(duì)位置較遠(yuǎn)的燈具，這種技術(shù)應(yīng)用于各個(gè)區(qū)域，例如在辦公室、零售店、工廠或家里。與 ALS 傳感器相同，PIR 傳感器也可以直接連接到燈具。另外，傳感器陣列能夠支持更高級(jí)功能，例如在有人走過(guò)時(shí)，對(duì)走廊進(jìn)行分段照明，或者當(dāng)工人進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)從特定位置提貨時(shí)，有選擇地為倉(cāng)庫(kù)中的某些區(qū)域照明。

接近傳感器作為云連接物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)

Texas Instruments提出了一種將 PIR 傳感器作為云連接物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)部署的方法，可將占位數(shù)據(jù)發(fā)送到云應(yīng)用。

Texas Instruments 的參考設(shè)計(jì)基于CC1310SimpleLink? 超低功耗次 1 GHz 無(wú)線微控制器。選擇用來(lái)調(diào)節(jié)模擬 PIR 傳感器信號(hào)的LPV802雙運(yùn)算放大器和TLV3691雙比較器是毫微功耗器件，可以最大程度地降低整體功耗，讓傳感器能夠在沒(méi)有鈕扣電池的情況下獨(dú)立工作數(shù)年時(shí)間。TLV3691 比較器充當(dāng)一個(gè)窗口，區(qū)分運(yùn)動(dòng)和噪聲，當(dāng)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)為 CPU 生成中斷。這使 MCU 能夠在節(jié)能模式下工作，從而延長(zhǎng)電池壽命，只有在需要將消息發(fā)送回到遠(yuǎn)程主機(jī)時(shí)，才會(huì)喚醒 MCU。圖 3 顯示了傳感器節(jié)點(diǎn)的功能框圖。

CC1310 是一款多標(biāo)準(zhǔn)器件，能夠支持多種無(wú)線電協(xié)議，帶有 wM-Bus 和 IEEE 802.15.4g 協(xié)議棧。參考設(shè)計(jì)使用基于 IEEE 802.15.4 協(xié)議棧的應(yīng)用來(lái)處理傳感算法，以及網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間的次 1 GHz 通信。

圖 3： 將運(yùn)動(dòng)傳感器作為云連接物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的 Texas Instruments 參考設(shè)計(jì)

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)，更充分地利用智能照明

將傳感器連接至云之后，除了管理照明以及供暖或通風(fēng)等其他服務(wù)之外，我們還可以通過(guò)很多方式利用它們的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)還可用于監(jiān)控使用模式，例如識(shí)別活動(dòng)大于或小于正常水平的區(qū)域或時(shí)間。另外還可以實(shí)現(xiàn)一些先進(jìn)的安防應(yīng)用。PIR 傳感器可用于直接激活入侵者警報(bào)，云應(yīng)用可以協(xié)調(diào)更復(fù)雜的響應(yīng)，例如向關(guān)鍵人員發(fā)送短信報(bào)警，對(duì)入侵進(jìn)行記錄并加上時(shí)間戳，然后執(zhí)行受控制的防范禁閉。

這種與智能照明相關(guān)的數(shù)據(jù)的增強(qiáng)使用，可以支持廣泛的照明場(chǎng)景。燈具外殼可提供放置傳感器的理想位置，因?yàn)樗ǔ０惭b在發(fā)生活動(dòng)的區(qū)域的上方，具有廣闊的無(wú)阻礙視場(chǎng)。如 CMOS 攝像頭等視覺(jué)傳感器也可以受益于燈光，捕捉高質(zhì)量的圖像。

采用大量傳感器的照明系統(tǒng)在室內(nèi)和室外均可應(yīng)用。在智能城市中，街燈可以監(jiān)控交通流量和道路使用情況。云應(yīng)用可以提取關(guān)于道路施工影響、交通燈順序變化的寶貴信息，并且協(xié)調(diào)關(guān)閉街燈，以此優(yōu)化節(jié)能，而不危害公民的安全。街燈也是放置攝像頭或用于檢測(cè)車(chē)輛的其他傳感器的理想位置，用于監(jiān)控受控制的停車(chē)區(qū)域，為執(zhí)法人員提供導(dǎo)向。相反，停車(chē)數(shù)據(jù)可作為一種服務(wù)提供給駕駛員，幫助他們尋找可用的停車(chē)位，以減少交通擁堵，避免不必要的尾氣排放。

智能互聯(lián)照明也可與家庭或工作場(chǎng)所的傳感器結(jié)合使用，在發(fā)生緊急情況的情況下，提供更多的視覺(jué)指示。對(duì)于存在聽(tīng)力障礙的人員而言，這是非常實(shí)用的。另外，它也可向建筑外部的人員發(fā)出指示，向他們尋求幫助。

充分利用數(shù)據(jù)

在智能城市中，燈具維護(hù)可能是非常難于管理的，實(shí)施成本非常昂貴。如果連接到物聯(lián)網(wǎng)，燈具可以檢測(cè)自身的故障，并立即通知相關(guān)維護(hù)機(jī)構(gòu)，提示需要更換或維修。我們可以設(shè)計(jì)傳感器來(lái)檢測(cè)其他故障，例如燈罩破碎或污損，需要更換或清潔。

通過(guò)智能照明收集的數(shù)據(jù)可為公共事業(yè)機(jī)構(gòu)提供寶貴的信息，幫助他們計(jì)劃維修，并識(shí)別高峰需求時(shí)段。功耗數(shù)據(jù)對(duì)政府機(jī)構(gòu)開(kāi)展能源調(diào)查也是非常有用的。

所有照明系統(tǒng)是否都應(yīng)該為物聯(lián)網(wǎng)準(zhǔn)備就緒？

我們有很多機(jī)會(huì)在高級(jí)燈具中采用不同類(lèi)型的傳感器，今后，隨著物聯(lián)網(wǎng)的功能和覆蓋范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，還將會(huì)有其他很多傳感器問(wèn)世。我們很容易設(shè)想，在今后某個(gè)時(shí)候，將有大量燈具需要進(jìn)行升級(jí)，添加更多傳感器。

IoT-Ready? 聯(lián)盟已經(jīng)指出，現(xiàn)在正是定義標(biāo)準(zhǔn)化傳感器接口的適當(dāng)時(shí)機(jī)，這樣可以讓升級(jí)變得盡可能簡(jiǎn)單。該機(jī)構(gòu)指出，當(dāng)前安裝的 LED 燈具的典型使用壽命為大約 15 年，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，在 LED 燈具的典型使用壽命內(nèi)，將需要進(jìn)行多次升級(jí)。他們還指出，更改整個(gè)燈具來(lái)添加新的物聯(lián)網(wǎng)連接功能，這種做法不太經(jīng)濟(jì)，將會(huì)增加不必要的成本。讓新的 LED 燈具為物聯(lián)網(wǎng)集成做好準(zhǔn)備，可以節(jié)省這筆開(kāi)支。該聯(lián)盟的目標(biāo)是確定一種經(jīng)濟(jì)高效的、影響很小的更改傳感器的方法，讓用戶(hù)能夠輕松地添加或升級(jí)傳感器。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，該機(jī)構(gòu)計(jì)劃定義電氣接口、連接器和機(jī)械外形尺寸。

此計(jì)劃能否得到主要燈具廠商和設(shè)計(jì)人員的認(rèn)可，讓我們拭目以待。另一方面，有些公司可能打算“單打獨(dú)斗”，開(kāi)發(fā)專(zhuān)有的解決方案，然后進(jìn)行游說(shuō)，讓他們的規(guī)范成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)論是哪種情況，只有在能夠輕松連接至云、大量采用傳感器的新型燈具開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)之時(shí)，業(yè)界期待的“智能照明”才能真正實(shí)現(xiàn)。

總結(jié)

與其他很多新的創(chuàng)新相同，智能照明可在短期內(nèi)提供極具吸引力的優(yōu)勢(shì)，而且它們的功能還能夠得到顯著演進(jìn)，在未來(lái)提供更大的優(yōu)勢(shì)。既然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在快速發(fā)展，照明行業(yè)也必須迅速采取行動(dòng)，才能跟上這種發(fā)展步伐。