智能傳感

傳感器如何為智能照明系統創造更多需求

2025China.cn   2017年08月21日

  傳感器如何為智能照明系統創造更多需求

  一切都變“聰明”了。特別是與物聯網(Internet of Things,IoT)相關的事物,其巨大的市場成長潛力早已被預言。網絡的全新可能及由此而來的龐大數據,提供了無數的產品愿景。舉例來說,早餐時,廚房設備會準備新鮮的咖啡和熱面包;洗衣時,洗衣機會在紅色襪子將所有白色衣服染成粉紅色之前自動停止洗衣;此外還有能夠自動適應環境的照明系統—無論是在家里、購物中心或街上。

  隨著發光二極管(LED)的導入,思考和設計過程有了翻天覆地的發展。為了能使用更有效的控制系統,我們必須學習電子學的新知識,需要產出新設計和新功能。利用智慧方式發揮光的用途,其間的可能性幾乎是無窮無盡。

  例如,燈具是理想的傳感器節點。每個房間都有燈,而些燈具通常是位于中央位置。透過傳感器添加更多的智慧是件容易的事情,如光線質量、溫度、濕度、空氣質量或存在等。這些數據可經由中央收集并傳送至室內的其他網絡設備,而只有在收集到正確的數據時,系統才會做出相對應的反應。

  正確的組合是非常重要的:如何在實體世界和數字世界之間建立橋梁?將傳感器放進燈具里又有哪些要求?

  資料采集及“智能”用途:創造意識

  查看多數建筑物的基本構成元素,包括墻壁、門、窗戶、家具或聚會區域、空調或通風系統和照明設備等,鑒于電氣網絡分布及每個房間都有燈具的事實,燈具的確實是理所當然的“熱點”。為什么?因為燈具具備所需的一切:電力、房間的中央位置,以及人。

  到底要偵測什么?這是制造商的考慮,他們得使用獨特知識來制訂銷售策略,而這策略不能很快地被復制。

  空氣質量和濕度是可以被加入建筑自動化的理想參數,如此能節省能源并增進系統的效率。不過,主動的照明控制也能確保員工在整個工作日充滿活力及彈性,讓員工始終保持斗志。針對能源之星及其他國際標準的許多規范,智能型傳感器及控制概念已越來越重要。

  當然,采用傳感器技術將增加燈具的物料(BOM)成本。然而,我們在這里應該要問的是:“這可以創造什么樣的附加價值?”、“哪些特性可以開拓新市場?”檢測空氣中的揮發性有機化合物(Volatile Organic Compound,VOC)、火災偵測的預警系統,或是人本照明(Human-centric lighting,HCL)的完整光譜?手持裝置用戶對硬件的抱怨較少,但是卻 會因為裝置沒有傳感器,導致應用程序無法開啟新的可能性而感到不滿。

  偵測:收集數據

  要將智慧帶進設備中,正確的傳感器是重要因素。移動引發反應-收集數據讓用戶能以特定的方式做出反應。奧地利微電子(AMS)提供直覺式的解決方案:Smart Light Manager和Smart Light Director。借助此一傳感器解決方案,不僅能偵測光線,而且能單獨地對色溫和亮度差異直接做出反應。同時,該系統還能被做為傳感器橋接接口,進而連接更多的傳感器。

  圖1 燈具中的傳感器技術做為物聯網的中樞組件。

 

  例如上述提到的溫度測量、存在測量、濕度測量、空氣質量測量(VOC)或氣壓測量等選項。此數據可被用于光線質量或房間本身:基于傳感器測量數值的主動亮度控制,能在窗口有足夠陽光透進來時將燈調暗,或者可以主動測量色溫并加以控制,以實現主動式的日光控制。其他傳感器數據則被傳送連接的設備,并被用于建筑物自動化:空氣質量數據可以傳送至通風系統,以實現自動控制選項。

  圖2 Smart Light Manager AS7211用于光源偵測控制和調整的整合型傳感器;Smart Light Director AS7225的微控制器則具有直接I2C輸出。

 

  包括I2C接口或UART連接等在內的工業標準可簡化連接和擴展系統。UART還能采用RS-485網絡接頭做為數據通訊接口,如此能非常快速地使用。這就提供了一個簡單的解決方案,其中還包含負責收集和處理數據的控制中心,無論是無線或是有線。

  主動式控制:利用數據

  傳統照明產業較喜歡標準產品,因為能選擇開箱即用,也能組裝成設計產品,擁有設計、輸出和效能方面的專業知識(know how)就已足夠。然而,隨著物聯網導入固定設備的需求不斷成長,工程師越來越需要問自己這些問題:在不太了解色度測量、控制技術甚至光學方面技術的情況下,有哪些組件可以輕松實現目標?需要多少專業知識才能促成物聯網項目?以及產品蘊含了多少知識?

  智能和整合型傳感器解決方案可實現此任務,像是相關色溫(Correlated Color Temperature,CCT)控制、色彩控制、亮度管理等。舉例而言,可以在幾個燈具之間建置動態日光控制系統,或者是根據來自窗口的入射光來調整亮度(Lux)。人本照明或是節能項目能快速實施。此外,這些解決方案能提供彈性,讓具有創造性思維的開發人員可以隨心使用自己的知識,想要發揮自己的調光專長并利用實際的傳感器數據?一切都沒問題。

  有一種方式是借助奧地利微電子Smart Lighting Manager的整合型脈沖寬度調變(PWM)輸出0~10V,直接影響輸出值。若想要更“聰明”也行,可以透過校準的反饋回路來自動執行調光或調整。房間里的所有燈具都要運行5,000K?沒有問題,整合型傳感器能檢測電流值并進行動態調整。無論是否使用不同供貨商的LED,還是發生LED顏色輸出隨著時間老化的現象,只要暖白色和冷白色組合中的LED仍然可以達到這個溫度,傳感器就能提供相對應的CCT調整。

  但是,如果已采用了自己的微控制器,并且想自己運用這些知識,那又該怎么做?如果是這樣,則奧地利微電子的Smart Light Director就是產品首選。此解決方案能利用直接I2C接口將相對應的色度值直接送到單獨的控制器。制造商可自行采用動態控制,例如Dali等。

  圖3 快速并簡單地組合傳感器和照明。

 

  網絡:數據的智能處理。

  照明市場的戰爭有一個眾所周知的重點:價格壓力。有越來越多的低成本供貨商將新解決方案帶進市場,但他們而不太關心質量要求。不過,具有智能的連網系統不僅能創造獨特的功能,還可以透過目標性知識和伙伴來開啟新市場,并且推動持續成長。

  采用開箱即用的網絡概念,可以將“本地端”的偵測和控制功能直接傳送至云端,因此可以直接解決燈具聯網的問題。圖4顯示透過整合的UART接口接口,透過藍牙低功耗(BLE)、Wi-Fi或ZigBee,就可以快速連接至一般的輸入設備。簡單的AT指令有利于裝置之間的通訊,并確保使用標準化代碼就能在很短的時間內建立連結,其中包括藍牙(BLE/Smart)、Wi-Fi和ZigBee等典型無線組件及有線以太網絡的復雜堆棧和協議。

  圖4 傳感器技術成為實體空間與數字世界(云端)之間的橋梁。

 

  參考代碼可用于簡化照明和網絡之間的復雜通訊。透過UART接口,還可以使用數字可尋址調光接口(digital addressable lighting interface,DALI)或經典的RS-485。參考設計還顯示使用基于Android移動裝置或iPhone,就可以快速解決Set_Lux_Target、Read_Lux_Level或Set_Luminaire_Output_Level等典型指令。即使是圖形用戶接口(GUI)的實現也是非常快速和容易的。

  因此,在很短的時間內就能建立實體空間及數字世界的橋梁—也就是物聯網照明解決方案。使用智能照明整合套件——智能光整合套件(Smart Light Integration Kit,SLIK)就可以在24小時內建立原型。

  總結

  一旦“開箱即用”的新想法受到矚目,未來的照明設計師就能夠在價格、效能和功能之間進行選擇。然而,問題在于如何能在競爭中脫穎而出?具有數字附加價值的云端解決方案有助于解決這個問題,使用者自己就能看出這些新獲得的數據該如何被主動使用。習慣改變了,新的應用程序(App)出現或客戶需求不斷變化,只有那些能夠積極應對此改變的人,才得以擁有真正的客戶優勢。

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