让能源成本降低80%！揭秘智能照明背后的关键技术
现代建筑中最大的能源消耗主要来自照明系统。根据国际能源署的预测，除非采取具体行动提高效率，否则到2050年，建筑环境中的能源需求将增长50%。因此，智能照明系统迅速走到前台，成为现代建筑中能效战略的重要组成部分，其目标是通过使用先进的照明设备和自动控制技术显著降低能耗，同时为使用者提供更大的舒适性和安全性。
通过物联网（IoT）启用的智能建筑照明系统可以为建筑业主、居住者和访客提供许多好处，比如用户可通过使用移动应用程序、语音命令和传感器来控制他们的照明设备以达到优质体验。如果将物联网智能照明系统与暖通空调和安全设施等其他建筑系统进行集成，还可大幅提高建筑中的整体能源效率。
1.智能照明在楼宇自动化中的重要作用
能源之星（Energy STAR）的报告显示，对于企业而言，能源成本将占到总预算的三分之一。而能源生产又是每年温室气体排放量的主要来源，占比达到20%。通过利用传感器、计时器和其他先进技术，智能照明系统可大幅减少能源浪费，从而实现更高效的能源利用。如今，智能建筑照明正在迅速成为建筑节能的重要因素之一。通过采用正确的智能照明控制技术、智能灯泡以及传感器等，可将企业的能源成本降低约80%。
为何智能照明在智能建筑中有如此重要的作用？
首先，智能照明是建筑自动化系统的基本需求。从使用角度看，有了智能照明，建筑管理者可用很少的成本提供高质量的能源使用效率，同时建筑中的居住者和使用者还能获得更多的便利以及更高的适度。例如，只需通过面板或智能手机即可设置个人照明偏好并对周围环境进行控制。从运营成本角度看，智能照明可大幅提高能源效率。管理人员可以使用智能照明监控和调节整个设施的照明消耗，从而优化能源使用并极大限度地减少支出。比如他们可以设置自动时间表，在不需要时关闭灯光，或者根据空间中的自然光的强度改变灯光的亮度。
其次，智能照明解决方案可以提供基于物联网技术的关于能源使用、照明模式和占用水平的重要数据，使管理者能够做出准确的设施管理和维护计划。当物联网供电的设备用于收集数据时，智能照明系统就开始了其自动化方面的工作。当这些数据输入到智能建筑平台时，借助人工智能和机器学习技术，在建筑智能化方面将发挥重要作用。
再有，物联网照明策略还可用于改善居住者的照明体验。先进的照明系统可以为不同的活动创建不同的照明场景，从而大幅提高工作的舒适度以及生产力。伯明翰大学的一项研究表明，照明是工作场所舒适度的主要影响因素之一。这项研究甚至说，缺乏足够的照明会显著降低工作效率并对健康产生负面影响。
综合来看，通过使用先进的照明系统并与其他智能建筑系统集成，建筑物可以创造一个更互联、更高效的环境。接下来，智能照明将成为楼宇自动化领域一个特别值得行业期待的市场。
2.智能建筑照明背后的关键技术
在智能照明系统中，有几个关键组件，它们连接一起并根据系统和应用的复杂性以多种方式进行配置，用户即可通过智能手机或家庭自动化平台控制工作场所的照明。了解这些组件的工作和通信方式对于成功构建高效的智能照明系统非常重要。常见的组件包括智能照明灯具、智能照明控制器、智能照明网关等。
LED灯的效率很高，与普通的白炽灯相比，它们能耗几乎减少了70%。因此，LED技术开始逐步渗透到智能照明领域，而LED灯正在成为供应商和消费者的首选。
Lumileds公司的LUXEON XR-5050 SQR是安装在刚性导热基板上的高效LED阵列并针对照明应用而优化的LED模块，该模块构建块在MCPCB基板上，具有8、12或16个LUXEON 5050方形LED并集成了电气连接器，与标准第三方的光学和散热器件结合使用即可组成一个完整的照明解决方案。这种模块化方案非常有利于在一个全新的或翻建的建筑中快速搭建一个高效的智能照明系统。
图2：LUXEON 5050方形LED（图源：Lumileds）
智能灯泡是一种连接到互联网、可以进行定制、调度和远程控制的LED灯泡，是新兴的家庭自动化和智能照明领域中非常受欢迎的产品之一。能直接联网的智能灯泡允许用户从方便的位置控制他们的灯具。
这些智能灯泡可以通过集成的Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等技术与物联网网关相连，可以对单个或多个灯泡进行编程，并以指定的方式更改输出。由于灯泡是联网的，用户还可以利用边缘计算为智能灯泡配备内置的摄像头和传感器，不仅能够远程打开和关闭这些智能灯泡，调整灯的颜色，还能将收集的环境数据上传至控制平台。
OSRAM OPTOTRONIC BLE器件是通过智能手机应用程序进行无线照明控制的基础。它们提供更简单、更直观、更强大的照明控制，只需连接LED模块并将其与智能手机或平板电脑配对即可，无需额外布线或网关，为翻新项目开辟了广泛的可能性，非常适用于智能建筑中的娱乐、餐厅和零售区等区域的照明配置。整个器件由LED灯带、驱动器和其他附件组成，其中，24 V 蓝牙恒压LED驱动器OTI BLE 80/220-240/24 1-4 CH和12-24 V蓝牙调光器OT BLE DIM这两个组件构成了LED灯带系统，用于灵活和个性化的照明解决方案。
图3：12-24 V蓝牙调光器OT BLE DIM（图源：OSRAM）
智能照明网关可以预处理来自多个设备的通信，在将数据发送到基于云的平台之前整合数据。为了使网关能够处理设备之间的通信，它必须识别从传感器网络到传统通信网络的协议会话。
智能照明系统使用的有线和无线通信协议包括蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、DALI、EnOcean和Sigfox等。Zigbee之所以适用于智能照明系统，主要是因为它能以超低功耗实现可靠的通信。每个照明控制器均可配备一个Zigbee模块，形成与Zigbee网关通信的网络。Z-Wave在许多方面与Zigbee相似，但传输范围更短，功耗也更低，易于设置，通常用于住宅环境。
使用LoRaWAN技术的智能物联网照明比使用其他传统的短距离射频技术如BLE、Zigbee等更灵敏、性能更稳定，成本更低，在街道照明系统中采用基于LoRaWAN的设计方案比较多。BLE（蓝牙低能耗）具有功耗低、尺寸小以及良好的兼容性等特点。
此外，BLE还支持网状网络，多个设备之间可相互通信，在不需要额外基础设施的情况下有效扩展了网络范围，因此，BLE可以说是物联网智能照明应用的优选方案。
事实上，Wi-Fi也可用于物联网智能照明，特别是在需要将大量设备连接到网络的环境中，Wi-Fi具有相对较长的范围和较高的带宽是它的加分项，但功耗相对较高可能限制了其应用范围。
近年来，智能照明技术的使用越来越受欢迎。然而，智能照明设备必须能够成功连接其他智能设备，比如智能手机、语音助手和其他设备，才能充分享受这些优势。此时，无线多协议SOC的优势就会十分明显，这种单芯片、多核解决方案无论在安全性、低功耗、快速唤醒以及集成度上都有着出色的表现，为实现基于物联网的智能照明提供了更高等级的安全连接。
Silicon Labs公司的无线SoC有多个产品系列，具有高达+20dBm的传输功率，支持Sub-GHz的ZG28和SG28系列，可很大限度地提高覆盖范围和墙壁穿透率。其中，EFR32ZG28 SoC就是一款适用于物联网应用的双频Sub-GHz + 2.4GHz BLE SoC解决方案。
与前一代的ZG23系列相比，这款产品非常适合需要更多闪存、RAM和GPIO的Z-Wave应用场景，而Z-Wave在智能家居、安防、智能照明等场景的应用十分广泛的。ZG28还可以支持包括Wi-SUN、Amazon Sidewalk和无线M-BUS在内的协议。
图4：EFR32ZG28 SoC内部系统框图（图源：Silicon Labs）
3.本文小结
智能技术正在重塑人类与建筑的互动方式。在我们的个人生活中，智能照明设备会自动开灯或关灯，并管理我们的暖通空调系统。在我们的工作场所，基于物联网的智能照明系统在商业照明定制、暖通空调优化等方面均取得了巨大进步。除了这些基本功能，智能照明系统开始融入人工智能（AI）和机器学习（ML）等先进技术。有了这些技术的加持，用户可以根据自己的偏好和活动场景自定义照明体验。
照明与物联网设备连接并仅使用智能手机或平板电脑创建各种环境照明的能力增加了其在商业建筑和住宅中的普及率。系统中的智能灯可根据要求使用各种色调进行调光，同时监测照明的能源使用情况，并通过Wi-Fi、蓝牙、SmartThings、Z-Wave或ZigBee将相关数据上传至控制中心。随着技术的进步，现在的智能灯还可以通过与其他平台的集成进行语音控制，如谷歌助手、亚马逊的Alexa、苹果的Siri或微软的Cortana等都可以实现这一功能。
智能照明控制系统旨在实现建筑照明的自动化操作，通过利用智能建筑照明背后的技术，企业可以节省资金，减少碳足迹，并为居住者创造一个更舒适、高效的环境。智能照明系统正在迅速成为能源效率的重要元素之一，对于任何寻求尽可能提高其效率的建筑来说都是必不可少的。
