智能照明控制技术发展现状与未来展望

2014-04-09梁人杰

照明工程学报 2014年2期

梁人杰

(南京理工大学测控技术与仪器专业,江苏南京 210094)

1 引言

1879年，爱迪生发明了白炽灯，人类从此进入了电气照明的新时代，白炽灯因此被誉为人类进入现代文明的里程碑。正如很多史学家所认为的，人类照明技术的发展史与人类的文明史同样久远。作为照明技术重要内容之一的照明控制技术，也同样如此。

从爱迪生控制电灯泡的机械式电气开关开始，照明控制技术的发展，经历了一个多世纪的发展，如图1所示。历史上每一次重大的科技突破，照明控制技术也随之前进了一大步。迄今为止，照明智能控制技术的发展，已经经历和跨越了电气时代、微电子时代、计算机时代和网络通信时代，并度过了照明光源的几次革命。今天的照明智能控制技术正是与人类的光源技术、电气技术、微电子技术、微机技术、自控技术、通信技术和网络技术的学科交叉，紧密结合和相互渗透的结晶。

图1 照明控制技术发展历程与趋势Fig.1 The development course and trend of lighting control technology

在数码时代、信息社会、网络世界的今天，照明智能控制技术把现代照明推向了节能化、智能化、信息化、人性化、艺术化、个性化的全新高度。照明智能控制的重要地位，必不可少，已越来越受到人类的青睐。

电气化、自动化、智能化是照明智能控制前进的足迹。今后，照明智能控制将伴随着人类高新技术的征程，向着智慧化的方向前进。

2 优势与理念

照明智能控制通过节能模型控制、智能开关、智能调光、“软开/软关”、红外传感器随机实现“人来灯亮，人走灯灭”或“人来灯亮，人走灯暗”，光敏传感器结合自然光的恒照度照明，各种灯光场景设定，定时、分时与分区照明，抵御电网波动与浪涌等一系列照明控制策略，可实现照明节能与呵护光源[1～8]。在建筑室内照明智能控制领域，照明节能率可达15%～75%，延长光源寿命2～4倍。在道路照明领域，按目前控制水平，一般节能率约10%～15%，最好的大致也能接近30%左右。

实现室内照明的人性化、个性化和艺术化灯光场景，及其一键化的便捷控制，以及城市夜景照明或装饰照明的各种动态艺术灯光演示，把人类的光环境提升到一个全新的境界。

传统的光源，特别是曾一度是主流照明光源的气体放电光源，可控性能极差，开关次数越多寿命越短，大范围调光会面临工作状态的恶化，功率因数补偿不尽理想，并非能够适应与发挥智能照明控制技术的优势，而LED、OLED、QLED等固态光源，没有脆弱的灯丝或其阴极，所具有的微秒响应时间的可控特性，丰富的光谱，体积与结构充分的“柔性”，以及能适应任意降功率或调光使用等一系列优势，成为了智能照明控制技术的天然配偶，使得照明智能控制技术如虎添翼，同时，智能照明控制的功效提升，又更加凸显了LED等固态光源的优势，使其变得越发不可战胜，进一步巩固和增强其成为主流照明光源的霸主地位。

今后，LED等固态光源与照明智能控制融合，将会突破传统的照明方法，超越传统照明的功能，产生史诗般的神奇功绩。

推广绿色照明，追求节能低碳，如果仅一味崇拜光源的发光效率，有失偏颇。照明智能控制自适应的优化控制，能充分发挥照明节能的潜能，可以把实际的照明功率密度值LPD降到极致，远低于最新照明标准制定的指标。

综上所述，今天，照明智能控制的优势已经使人类产生了新的理念。如果忽视照明智能控制，绿色照明事业将会停滞不前，照明的现代化将无从谈起，照明智能控制技术已成为绿色照明的基石。

3 现状与发展

目前，主流的照明智能控制系统主要是总线式照明智能控制系统或网络、LED城市夜景照明控制系统、城市路灯/景观照明无线集中监控系统和一体化的LED智能灯具等大类。

3.1 总线式照明控制网络

国内外，总线式照明智能控制系统或网络，有基于分布式控制总线DCS(Distributed control System)原理和现场控制总线(Field Control System)原理的测控系统，而目前在建筑照明领域，应用更多的是后者。

现场控制总线是一种由一系列嵌入微处理机的分布式智能控制模块组成的控制总线，可脱离主控设备运行，不会因上位机故障而瘫痪，可靠性高，是自动控制领域以数字通信替代传统4～20mA模拟信号传输标准和普通开关量信号传输方式的新一代控制总线，属于全数字、可自主运行、串行式、多点互联、可寻址、双向通信的智能通信测控系统。基于现场控制总线的照明智能控制系统，遵循ISO/OSI，TCP/IP通信协议和IEEE802局域网(以太网)标准，有与这些标准对应的开放性能、通信带宽、传输速率、传输介质和网络拓扑，为了有效通信，共享介质访问控制方式采用载波监听多路访问/冲突检验方式(CSMA/CD)，大多数总线式照明智能控制系统的底层遵循IEEE802局域网标准，采用非屏蔽五类线，全二线联网，网络拓扑允许为总线型、星型、树型，但不可为环型。总线传输速率为9.6Kbps。而通过网桥、交换机，或光纤传输与光纤交换机，总线式照明智能控制系统可以扩展成中、大型的照明智能控制网络。

总线式照明智能控制系统所具有的开放性，使得运用智能网关、智能路由器、交换机、光纤与光纤交换机或无线基站AP，几乎可以与任意不同通信协议的有线或无线通信网络互联，如通过RS485、WLAN、Wi-Fi、ZigBee、DMX512、GPRS/3G、4G等，既可灵活升级或扩展成为多功能的或大型和远程控制的开放系统，又可实现任意地域的便携电脑、智能手机、平板电脑等手持终端的无线移动式灯光场景监控。

总线式照明智能控制系统，从上世纪90年代后的历届奥运会体育场馆照明，到大型建筑、工矿企业、道路照明、城市夜景、公共照明、高铁动车、家居建筑等方面已经得到了大量应用。

照明智能控制系统在多年发展过程中，实际上已从照明控制延伸成为智能建筑、楼宇自动化与建筑能源管理系统。在智能家居中除灯光控制外，还可以实施空调、采暖、窗帘、天窗、A/V系统、安防、消防、电梯等的测控管理。

事实上，由于功能不断扩展，集成传感器增多，总线式照明智能控制总线已成为物联网的成员。

目前，专门面向照明的总线式智能控制系统，国内外品牌繁多[9～15]，主流品种有： Philips SCENIO、C-BUS、Dynet、 HDL-BUS、Lon Works、KNX EIB、GRANDAR、luxCONTROL、Nico、i-bus、Instabus、HomeServer、Futronix、DALI、Lutron、E-lighting、ZEIOT、HOTOP、EC-NET、PrecisetechNet、iisfree、DVACO、LIGHTSPACE等。

但是，迄今的总线式照明智能控制系统，在系统设定上存在专业性太强，编程麻烦，成为普通用户很难随意调整设定的电气系统，难以普及[16，17]。例如：当室内灯光场景编程设定后，如须改变，普通人群无能为力，必须求助专业人士解决。还有，一些感应传感器性能比较粗糙，例如：红外感应传感器仅为单物理参数鉴别，容易产生错判与误动作；照度传感器难以实现较大范围较准确的照度平均值测量，难以做到照明节能的精准控制；此外，总线式照明智能控制系统主要是综合布线，安装麻烦，改造也较繁琐；还有，如何实现真正优化控制等问题，也需探讨如何提升，等等。这都是对今后发展的挑战。

3.2 工业现场总线用于照明控制

原则上，很多优秀的工业用现场控制总线FCS，只要开发配套足够的照明控制总线模块，都可用于照明智能控制，虽价格较高，但性能更优，如：Lon Works和CAN总线等。LonWorks拥有集成3 CPU的“神经元芯片”，并固化了开放式的通信协议LonTalk，全面支持ISO/OSI七层通信模型，网络拓扑还允许环型，是真正的自由拓扑(Free Topology)，而且对传输介质适应能力很广，允许采用电力线，具有自由传输介质(Free transmission medium)的优势，通信速率可达1.25Mbps。LonWorks开放性强，采用网关等网络设备，可轻易扩展为任意的大型网络或无线网络，可实现移动监控，远程监控。目前，有的基于LonWorks现场总线的智能家居和照明智能控制品牌已独占一方。

3.3 ZigBee用于无线照明控制

ZigBee是受到蜜蜂按8字翱翔采蜜与群体通信的启迪而开发，于2004年诞生，之后协议不断完善升级。ZigBee网络物理层和媒体访问控制层，基于经济高效的IEEE802.15.4标准，具有低速率(<250kbps)，短距离(一般10～100m，增大功率可达1～3km)，短时延(节点接入只需30ms)，大容量(最多5000节点)的特点。采用工业科学医疗频段ISM(Industrial, Scientific and Medical)，915MHz(美国), 868MHz(欧洲)和2.4GHz(全球)，免执照。网络拓扑可为星型、点对点、群集或网状(Mesh)等配置，每一个Zigbee网络模块之间可相互通信，不仅本身可以作为监控对象，对所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的节点传来的数据。配合网络协调器和路由器，每个网络节点的距离可以从标准的75米无限扩展，类似于GPRS/CDMA移动网的基站，通讯距离可从标准的75米到几百米、几公里，并且支持无限扩展,覆盖范围广阔[18]。

ZigBee技术成本较低，功耗较小，使用简便，芯片齐全，虽然晚于 “蓝牙”短程通信技术，却后来居上。目前，ZigBee无线通信技术在军事和工业领域已被广泛应用，并已成为物联网的重要成员。在民用领域，ZigBee也得到很多厂商的重视，不少照明控制和智能家居品牌基于ZigBee技术。

ZigBee适合低速传输，数据量小，体积紧凑，价格低廉，覆盖范围大的组网需求，对照明领域非常合适。ZigBee网络可以独立构成一种智能照明和智能家居的无线控制网络。LED结构紧凑的特点，使得嵌入ZigBee无线接口开发ZigBee网络灯具变得容易。此外，开发嵌入ZigBee无线接口的照明开关面板，可以方便地替代原有的墙面开关，把电气控制的家居照明升级改造为无线智能控制，无需改动原来的任何灯具和电源布线，而且成本较低，这些都应该引起照明界关注。

3.4 闪联(IGRS)标准用于照明控制

闪联-IGRS (Intelligent Grouping and Resource Sharing) 协议标准是中国本土技术创新制定的信息设备互联标准，于2003年7月17日由“闪联”标准工作组发布。“闪联”是中国信息产业部牵头，由联想、TCL、康佳、海信、长城五家企业发起组建的联盟。目前，“闪联”的国内外成员已超过100家，在联盟内部已形成了较为完整的产业链，包括闪联芯片与系列电子产品。闪联协议已成为智能建筑国家标准和国际标准[19]。

闪联标准是建立在TCP/IP协议之上的应用层协议, 重点解决公共的“连接”问题，设计目标是实现“3C融合”(Communication、Computer、Consumer Electronic-电脑、通讯、消费性电子产品)，“三屏共享”(电视、手提电脑，手机)和“三网融合”(电信网、互联网、广电网)。

闪联标准可将局域网中的设备互联拓展到广域网(异构网)，并可与WSN(Wireless Sensor Network)、Zigbee、Z-wave (丹麦Zensys公司发布的无线网技术)、Wi-Fi、3G等通信技术的联接和优化结合，完美实现多网融合与应用，包括有线与无线网。

闪联标准的优势是快速、方便、低成本、无线通信、自动发现、动态组网、资源共享和协同服务，可跨屏互动、智能控制、电能管理和无线办公、娱乐等。

闪联标准是适合初学者使用的网络连接工具，无需了解很多IT相关知识，使用者可用PDA掌上电脑上网，控制自己家中空调的开机时间，处理照明灯光的亮、灭、调光与复杂的灯光场景，也能够使各种家电和电脑在连机范围内，互相识别，实现交互通信。例如，符合IGRS规范的笔记本电脑和TV互相发现后，笔记本电脑即可将所拥有的多媒体数据以数据流的形式分发到TV上进行播放，同时，笔记本电脑也可以接收TV传来的电视节目流，实现电视节目实时存储。

2007年，国际著名照明公司飞利浦已经加盟“闪盟”。基于闪联的智能家居系统，已经被市场认可与推广，包括照明智能控制。闪联“云服务平台”，可通过智能手机、PAD和PC机，发挥智能互联、资源共享和协调服务的特色，闪联智能家居网关，可构筑的照明控制或智能家居网络，所有符合IGRS规范的各类照明控制设备和照明灯具均可接入，组成开放性的家居信息与控制网络，构建节能、舒适、安全、便利的智能居住环境，见图2。

图2 基于IGRS的无线家居照明智能控制示意图Fig.2 Schematic diagram of wireless Home Furnishing lighting intelligent control based on IGRS

目前，IGRS通信已成为物联网的重要成员，基于闪联的智慧家居和智慧城市的新概念正在实践。闪联标准的优势将会是划时代的，很快将会成就“大气候”。照明界应敏锐领悟机遇的来临，加快开发嵌入闪联协议通信接口的各类灯具和家居产品，推动照明的智能控制，优化控制，使照明电能管理向高水平方向发展。

3.5 LED城市夜景照明控制系统

LED节能低碳，色彩丰富，控制性能优秀，灯具结构灵巧，在城市夜景照明中已基本取代高耗能的泛光照明技术，成为城市夜景照明的主流。同时，因为LED城市夜景照明工程项目的个性化，艺术创意的多样性，而且对三基色LED色彩变幻场景的要求千差万别，因此系统控制方案可以有更多选择，商业化较强也是原因之一。近年来，非标的LED城市夜景照明控制系统层出不穷，不断创新，成为重要特点[20]。

各种LED夜景照明的智能控制系统也是基于计算机通信控制的总线或网络，或者是主-从控制的分布式系统。很多运用TCP/IP协议组网，可使一个网络同时连接更多的LED景观灯具，连接距离更长，在通信带宽、控制质量和可靠性方面都能得到提高，远程监测和控制更为有效，并且网络成本较低。遵循TCP/IP通信协议标准，通过RS485、DMX512、ZigBee、GPRS/3G、CAN 、Wi-Fi等，采用五类线、光纤、无线传输，或网关、交换机或无线基站AP，可灵活扩展成为大型的多路的LED景观照明控制系统，构筑五彩缤纷的LED灯光场景。系统还可实现便携电脑、智能手机、平板电脑等手持终端，实现无线移动式灯光场景监控。

黄以华、廖世文等人开发出一种基于TCP/IP和DMX512协议的大型分布式LED景观照明控制系统，由PC计算机(上位机)、控制器、解码器以及LED 景观灯具组成。PC机遵循TCP/IP协议与作为DMX512信号发生器的250台控制器通信，每台控制器再与三台DMX512信号解码器相连，每台解码器兼做信号中继器并与56个LED 灯通信，解码器对DMX512 信号进行频率调制和信号增强，内部含有驱动电路的LED 灯具，采用PWM 实现256 级调光，系统采用分布式连接[21]。

王薇等人开发的总线式LED景观照明系统，由PC机(上位机)、主控器(下位机)和多组三路输出的驱动器组成，PC机由管理软件负责LED参数设置；主控器是微处理机LPC2119，含有ARM内核，32位，64个通用I/O，可脱机运行，通过光隔离控制，形成LED白、红、黄、浅蓝、绿、橙、粉红等七种颜色以及跑、跳、亮、闪、淡入、淡出等变化。通过现场总线CAN，可扩展成较大网络[22]。

陆杭等人的LED景观照明系统，由上位机控制软件集中处理，并通过互联网和3G/GPRS，与场景控制器通信，场景控制器再通过ZigBee无线网实现各路LED照明单元的光强及色彩变化，采用轮询机制实时采集LED照明单元的状态，实现与广播帧同步的LED多彩照明场景转换[23]。

丁国超等人开发的基于可编程片上系统SOPC(System-on-a-Programmable-Chip)的256色LED景观灯控制系统，系统下层设计了可重用IP核(Intellectual Property core)的片上系统、MP3播放器和FAT(File Allocation Table)文件系统，通过上层软件完成按照灯具及其布灯的灯光场景数据编制，经过仿真和预览等步骤后，再下载数据到控制系统中实现对LED景观灯具的控制[24]。

近些年来，中国LED景观照明智能控制系统的开发与应用，百花齐放，推陈出新，呈现出一派兴旺景象。但是，这些LED景观照明智能控制系统，基本未涉及到本身运行参数监测和故障报警的功能，作为智能系统，的确存在重要缺陷。而远程的城市景观照明集中监控系统，对这种灯具数量庞大而又极其分散的LED景观照明系统，难以解决现场参数监测和故障报警。然而，在目前的城市夜景照明中，高故障率、低可靠性的问题屡屡出现。LED景观照明灯光演示，因故障时而发生的混乱景象，已成为城市夜景环境中的败笔。因此，今后，LED景观照明智能控制系统实现智能化的运行参数监测和故障报警，应该是主要研究课题之一。

3.6 城市路灯/景观照明无线集中监控系统

3.6.1 概况

城市照明无线集中监控系统，一般由计算机控制中心，数据处理及监控软件，地理信息系统(GIS)和全球定位系统GPS，无线电通信网络等组成，可实现覆盖城市全市路灯和景观照明的集中监控与管理，包括：运行操作，节能管理，故障检测与故障报警等[25，26]。

城市照明无线集中监控系统，应具有“遥测”(远程测量)、“遥控”(远程控制)和“遥信”(远程通信)功能，即“三遥”；或在“三遥”基础上再增设“遥视”(远程目标图像传输)和“遥调”(远程能源管理)，成为“五遥”系统。有的企业还提出 “四遥”功能，即在“三遥”基础上加入“遥急”功能(自动启动应急预案)。目前，“遥视”功能普遍并不完善。

已有的城市照明集中监控系统的无线通信平台，有的采用230MHz频道的专用无线电通讯频道，如：南京市的城市景观照明无线集中监控系统，利用公安110的通信平台。有的采用公用无线通讯网GPRS/CDMA，因为城市蜂窝式移动通讯网基本可无死区地实现全市无缝监控。此外，有的还运用互联网通信。

目前，对道路照明节能控制方式主要有：(1)双功率镇流器半夜自动降功率，如：250W降到180W，或250W降到150W；(2)半夜自动降电压，如：220V降到180V；这二种方法都不能做到优化节能。(3)采用隔一亮一、隔二亮一、单侧亮灯、双臂灯单侧亮等关灯的方法。这些方法，同样不可能优化节能，还会造成宽幅路面半幅黑暗，或道路轴线出现亮暗不均的“斑马效应”，危及行车安全。此外，深夜电压容易超标，对局部关灯方法非常不利，将会缩短灯具寿命。

上述这些简单的道路照明节能控制方法，共同的弊病是：未考虑气候影响，车流状况，环境因素(例如树荫的影响等)，除了没有优化节能，还缺少人性化，并埋下安全隐患。

3.6.2 物联网用于公共照明无线集中监控

近几年物联网开始运用于城市路灯照明和景观照明的无线集中监控系统中[27～29]。

上海世博会基于物联网的公共照明监控系统，主要是由无线传输终端结合路灯控制设备二部分组成。系统可按不同需求，采集不同数据和控制方式，如：采集电流、电压、功率；控制灯的开、关、降功率等。所有的数据，按ZigBee协议，通过物联网终端设备连接到监控中心，而监控室的服务器只需连接到互联网，系统可达到监控市区内的每一处路灯的状态，并可以有效地控制和监测路灯的运行状况。此外，物联网终端设备还可提供单灯控制，监控可跟踪到点，可加强每个路灯的管理和监控。

中易云物联网科技提出了基于企业“云中心”的公共照明物联网解决方案。系统为“四遥”功能，即：在“三遥”基础上加入“遥急”功能(自动启动应急预案)。

今后，4G将日趋成熟，将物联网城市路灯/景观照明无线集中监控系统建立在3G或4G城市无线移动通信网络的构架上，更新换代，在数据的传送速率和容量方面将比GPRS有全面提升，“五遥”系统将得以完善。

2013年，作者涉及的在沪宁高速公路试验段的道路照明研究工作已经完成，今后跨越城际和省际高速公路的道路照明无线集中监控系统将会加速发展，对高速公路全程的“五遥”道路照明监测管理，将有更高的要求。

4 一体化固态智能灯具

近几年，随着LED进入主流照明，LED结合小型传感器、集成电路，单片机MUC，特别是专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)，涌现出了照明智能开关以及一体化的固态智能灯具新品[30～33]。

这种照明智能开关主要接受环境物理量的控制，实现光控、时控、声控、红外探测控制、雷达探测控制、超声探测控制，或者上述物理量的双参数联合控制等，例如：声光控自动开关；“红外感应+光控”的自动开关；“雷达探测+光控”的自动开关等。由于现代微电子技术的发展，特别是LED等固态照明光源的进步，结构上已可实现把上述的智能电子开关嵌入到LED灯具内部，实现单灯自动化，构成一体化的智能灯具。这是一种离散式的非网络化照明自动控制类别。

作为例子，一种可实现“人来灯亮，人走灯灭”节能照明的一体化红外感应LED智能灯具，原理框图如图3所示。因为任何温度高于-273℃(绝对零度)的物体或生物都会有红外线辐射，采用热释电红外线传感器和菲涅尔透镜构成探测单元。菲涅尔透镜前加上一种滤光片，使红外光线通过的中心波长为9μm—10μm，专用于体温37℃人体的红外辐射探测，抑制其它辐射干扰。菲涅尔透镜提高探测器的光学灵敏度以增大探测距离。延时电路实现灯具点亮后适当延长点灯时间，以确保人们步行行走距离上有足够时间的安全照明。有的还带有智能化的延时功能，开关在检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次人体活动为延时时间的起始点。

图3 一体化红外感应LED智能灯具原理框图Fig.3 Integrated infrared induction principle diagram of LED lamp

还有一种例子，是微波雷达探测控制的LED双亮度智能灯具。基于微波的“似光性”和多普勒效应，采用集成化小型平板式雷达天线，结合鉴频技术，单片机和与雷达探测器控制信号接口的LED变功率驱动电源，可实现LED灯具的双亮度照明。如：“人来灯亮，人走灯暗”，灯亮时100%亮度，灯暗时降为30%亮度，特别适合地下建筑或晚间背景光很弱场合的人性化节能照明。图4所示为一体化微波雷达双亮度LED智能灯具的控制策略。

图4 一体化双亮度LED雷达感应灯具的控制策略Fig.4 Control strategy of integrated double brightness LED radar induction lamp

一体化固态智能灯具的发展，可简易实现照明节能，应用灵活，成本较低，可靠性高，广泛推广所引起的经济效益和社会效益非常显著。目前出现的一体化固态智能灯具只是智能灯具的雏形，今后必将沿着准确可靠控制和功能品种丰富的方向发展。

5 创新与超越

5.1 优化控制

在此，以道路照明为例讨论优化节能控制。据统计，2012年中国城市的道路照明和景观照明用电量约占中国总发电量的4%至5%，约相当于三峡电站发电总量的900亿千瓦时。2012年底，全国等级公路约360万公里，高速公路约10万公里，居世界前列，大部分尚未考虑道路照明。目前，为大幅减少交通事故率，沪宁高速公路试验段的照明研究已经完成，今后如果高速公路和部分等级公路都实施道路照明，中国目前路灯数量超过2000万盏的数字将会急剧增加，耗电将暴增，加强节能迫在眉睫。

在能源危机，节能低碳的严峻形势下，道路照明节电应在推广新能源照明和LED照明的同时，提升节能控制水平，进一步提升节能效率。而优化节能，则是照明智能控制技术肩负的首要历史使命[34，35]。但是，目前的道路照明节能控制手段，远未达到优化节能控制的目标，甚至落后于建筑照明智能控制的节能水平。对道路照明，如果仅采用路灯定时ON/OFF控制或简单的降功率控制策略，不可能把实际的照明功率密度值(LPD)降到理想境界，而且也不够人性化。

为提升道路照明或公共照明的节能管理水平，挖掘照明节能潜力，真正实现高效的人性化节能管理，应淘汰传统的道路照明监控方式, 作者认为应建立新型的基于物联网平台的系统集成的道路照明能源优化控制系统RLEOCS(Road light energy optimization control system)。

RLEOCS提升道路节能管理水平的关键，是要从原来粗疏的监控方式转变为实时动态监测与优化控制。为此，首先，应该全面掌握道路的动态参数,如图5所示；第二，在物联网应用层要按自动控制理论，完善优化控制方法，建立完善的实时分析处理软件系统和数据库，并集成对应的GPS卫星定位系统、地理信息系统(GIS)、本地气候预报系统、应急预案系统、照明能源管理系统；第三，实现道路现场动态参数可靠的自适应的优化实时监测与控制，系统方案示意图见图6。

图5 道路照明的动态参数Fig.5 The dynamic parameters of road lighting

图6 物联网道路照明能源优化控制系统示意图Fig.6 Road lighting energy optimization control system diagram based on the Internet of things

在物联网感知层对现场复杂多变的动态参数实时检测，需要集成光电、雷达、声学、电能、图像、气象等传感器和检测设备，实时监测交通流量、环境照度、光源光衰、实时气候、背景亮度、电压波动等动态参数的变化，按昼夜规律实现优化控制，并建立预警机制。

物联网感知层采集和探测的道路动态信息，通过物联网的网络层，由互联网、公用网GPRS/3G/4G或ZigBee等,与应用层交互通信，M2M(Machine to Machine)。应用层的控制信号与指令，通过网络层抵达道路现场的路灯群组。路灯应嵌入物联网通信接口，自主联网，或通过物联网终端、物联网集控器联网，系统实现“五遥”。

“云端”是为了与建设中的开放式国家级的“云服务中心”互联，如：“感知中国”中心等，以得到照明控制数据分析计算的远程支持，以简略本地系统。

在控制策略上，为精准节能调节，对路灯亮度需实时、动态、连续平滑调整，为此应采用LED路灯，淘汰气体放电灯；为简化系统，并区分路段地理特征，系统应实施区分路段的群组灯具道路照明场景控制，以及按昼夜规律区分时段的群组灯具照明场景控制；为可靠监控和故障报警，系统实现联网到灯，检测到灯，监控到灯，跟踪到灯。

5.2 新型智能灯具

智能控制技术可助LED、OLED、QLED等固态光源挖掘超越传统功能的潜能。LED等固态光源全固态化，光谱丰富，光效极高，电控性好，“细胞结构”，低压运行，坚固耐用。超越传统功能的创新没有智能控制，只依靠光源自身是无能为力的。智能化控制技术，光生物科学成果，微型传感器技术，微电子器件IC,博采众长，助LED一臂之力，正继续传统光源与照明未竟的事业，将会成就史诗般的夙愿，见图7。以下讨论固态光源超越传统照明功能的技术思路[36～52]。

图7 智能控制技术助固态光源超越传统功能Fig.7 Intelligent control technology to help a solid-state light source beyond the traditional function

5.2.1 多鉴控制智能灯具

一体化固态智能灯具，可实现“人来灯亮，人走灯灭”的节能照明，目前尚处发展初期，如果仅能探测诸如声响、红外辐射或多普勒频移等单一物理量，可靠性有限。

“单一声控”可能会受到雷雨和环境噪声的干扰而误动作。“单一红外感应”易受热源、直射阳光干扰，窗门、空调的热风口效应也可能造成失误；此外，人体辐射的红外线穿透能力差，冬天易被衣着阻档，造成失灵；当环境温度与人体温度接近时，红外探测的灵敏度也会下降。宠物猫狗，老鼠昆虫等小型动物有时也会造成错判。微波雷达多普勒频移探测，比其他感应开关可靠一些。但是，实践证明电气设备的电磁泄漏也会变成假信号。采用以下技术改进，可大幅提高一体化固态智能灯具的可靠性。

“双鉴”即应用两种物理量同时探测，如：红外探测加上微波雷达探测等，将提高可靠性。

“多鉴与信号处理”，如：红外探测加上微波雷达探测，再结合微处理或DSP数据处理器进行智能信号处理，可以对探测信号进行分析与再鉴别，避免误判，可靠性明显提高。

5.2.2 幕帘式红外感应灯

一体化幕帘式红外感应灯具的幕帘式红外探测器，通过特种光学设计，可以改变红外辐射探测传感器的立体角，使得 X方向探测角度大幅减小，而垂直方向依然是180°的大扇形，探测立体角变成了好像是一种幕布或窗帘，即：幕帘。红外探测的抗干扰能力大幅提高。一般，幕帘式探测器的探测平面设计成与人员行走的水平方向垂直，或也可双幕帘式。幕帘位置可灵活设置，如：置于走廊人员穿越的位置上，或放在人员进出的门口，或水平地置于人体高度位置上，还可以按身体高度鉴别等。

5.2.3 昼夜节律动态照明灯

非视觉的光生物效应揭示了光对人体健康、工作效率、睡眠影响的功效。灯具通过照明光通量、光谱分量与时间的自适应昼夜动态调节，实现昼夜节律动态照明，将可以使人们白天高效率地工作，休息时放松温馨，夜晚像婴儿一样深度睡眠。

5.2.4 恒照度灯

天然光采光与人工光源照明结合有利于照明节能。一体化灯具内的照度传感器，按照明标准要求，实现灯具的恒照度连续调节，无论晴天、阴天、间智能控制照度调节，持之以恒。

5.2.5 长寿命灯

LED光效极高，实际上已经给通过智能热管理，延长LED寿命，提供了机遇，一体化长寿命LED灯具在光效和寿命之间权衡利弊，将应付自如。

5.2.6 模拟天然光灯(全可见光光谱灯具)

天然光对人体的健康、工作效率、心理、生理、情绪的功效，是人工光源所不可替代的。天然光照明舒适愉快。天然光照明的教室，学生思想集中，考试成绩更优。

特别对于地下建筑，如：地下商场，地铁，隧道，地下商业街，地下军事建筑，防空设施，战略隐蔽建筑，矿井，潜艇，宇宙飞船，医院等，一体化的模拟天然光灯具(全可见光谱灯具) 将会得到青睐。嵌入式的智能技术，将把LED全光谱的优势发挥尽致，灯具的光谱能量分布特性调节模拟至天然光水平，这是传统光源望尘莫及的。

5.2.7 汽车智能前大灯

自适应复杂行车状态，自动光谱调节穿透雾气，会车时大灯指向自动调节，远光、近光、强光、弱光、控光(配光特性)自动调节，前方遇障前投射光指向(方位角与俯仰角)自动调节。

5.2.8 植物生长灯

光对植物的生长至关重要。光谱对植物如同肥料和营养剂。研究表明，例如：400～520nm(蓝色)和610～720nm(红色)的光谱，对于光合作用贡献最大；520～610nm(绿色)的光谱，被植物吸收的比率很低。此外，不同的农作物、蔬菜或树木，对光谱喜好并非相同。植物在生长期的各个阶段，对光谱偏爱也不尽相同。智能控制技术结合LED光源可以实现植物生长灯的光谱与时序关系的控制。

5.2.9 老人照明灯

老年人视网膜功能衰弱，水晶体硬化，透光能力减弱，识别蓝色和绿色的能力变差，瞳孔变小，80岁老人的瞳孔白天和夜晚的收缩差接近于零，而且对眩光敏感，受到眩光影响后恢复能力减弱。因此，对老人的照明需求与普通人不同。光谱和光通量都要适时调节，特殊设计，并智能控制。

5.2.10 光理疗灯

非视觉光生物功效证明，光如同药物一样可以治病，几乎从来没有一种激素能如光那样对人类产生如此大的作用，而且没有化学药物的种种副作用。405～420nm蓝色光谱对老年痴呆症、抑郁症、情感障碍、粉刺有效；600～950nm红光还可以治疗皱纹和酒糟鼻。基于智能控制技术的“光理疗灯具”，可以像药物用量一样，对光谱、光强、时序等因人而异进行智能调节。

5.2.11 儿童智力开发照明

美国有研究表明，儿童智力的开发应该从视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉五个方面入手，丰富的色彩可通过儿童的视觉影响儿童的智商、情商和性格。长时间接触黑白色会对儿童的性格产生不良影响，蓝色灯光有利于提高孩子的智商。智能控制可以调节灯光的色彩促进培养儿童聪明健康成长。

5.2.12 动物生长灯

动物生长与照明光谱密切相关，光谱和光强对饲养动物的作用，甚至比饲料还要重要。例如：红光能使鸡群安静，推迟性成熟，提高产蛋量；绿光提高鸡的增重率，加快性成熟，增强公鸡繁殖力；蓝光也能增强公鸡的配种力。此外，长时间光照能促进鸡的性成熟，阻止换羽。在冬季、春季，适当增加光照可提高鸡的产蛋量；短时间、低强度光照在鸡的育肥期有利于体内脂肪积累，对育肥有利。LED智能控制，对光强和光谱智能调节，可达到养鸡的最佳经济效益。

5.2.13 LED发光建筑装饰材料

固态光源如同细胞般的结构，融合于建筑材料是发展方向之一。而结合智能控制技术，融入艺术创意，将会产生令人震撼、刺激、神奇、惊叹、高雅、温馨、美妙、趣味的艺术与心理效应，极具观赏价值，极有应用市场，极有发展前景。智能控制的LED建筑材料，将建筑、照明和装饰融为一体，动/静结合自如，将改变建筑的设计方法和人类的生活方式，产生深远的影响。如果没有智能控制技术，则LED建筑材料将会黯然失色。

6 展望未来

6.1 从智能控制到智慧控制

毫无异议，未来的照明智能控制技术，仍将与人类的高新技术并肩前进。未来的人类将全面进入智慧社会。智慧就是一种对事物迅速、灵活、正确、全面综合理解和正确处理的完美能力。因此，智慧控制必然高于智能控制。从电气化到智能化，再步入智慧化，这是照明控制技术发展的必然。从智能控制发展到智慧控制，必须要让控制系统像人一样去做符合人脑思维的事情。这就是人工智能AI(Artificial Intelligence)。而人工智能、空间技术和能源技术曾被称为是20世纪70年代以后世界的三大尖端技术之一。到了21世纪，人工智能仍然与基因工程和纳米科学一起，被列为未来三大尖端技术之一。可见人工智能始终是人类追求的目标。目前，人工智能的研究进展，首先是让机器实现更高层次的感觉与辨识，机器感觉、机器视觉、机器听觉、机器思维等都要和人雷同，现在人脸识别、指纹识别、虹膜识别、掌纹识别、意念控制都已获得进展。一种专门为残疾人服务的“意念控制机器人”已经实现。残疾人没有双手，甚至不能言语，想喝水的时候，机器人就会端一杯水给他，要吃蛋糕，机器人就会送过来。在中国，这种机器人已经有了样机。“意念控制”已不神秘，也不遥远，更不是梦。

6.2 意念控制

不久以后，智慧照明系统就是人工智能系统，具有与人 “意念交互”的能力。“智慧家居云服务平台”或“智慧网关”，将会按人工智能跟着你的思维去工作，管理好智慧照明系统，让照明光环境完全与你的思维情投意合。当然，人与“智慧家居云服务平台”或“智慧网关”的 “脑机交互”、“意念沟通”，也有“协议”要遵守的，也要有意念流交互的地址码、起始码、确认码和结束码，这种“意念码”属于人工智能系统能辨认的 “意念数据流”。而“智慧家居云服务平台”也会像现在的寻址功能一样，自动识别是“谁”在指挥，该不该听从指挥。

6.3 自由组网

不久以后，照明智慧控制系统将会在今天自由拓扑、自由传输介质、无线通信、自动发现、动态组网的成就上，实现自由组网。

届时LED等固态智能灯具将全都会嵌入智慧网络接口，而无线的“智慧家居云服务平台”或“智慧网关”将会全面受理你接入的任何灯具，会按你的“想法”指挥组网，大量智慧照明灯具将“接入后不用管”，也无需你再去搞更换接线、编程、按键这些麻烦的事情了。系统越复杂，功能越强大，而操作必将更为“傻瓜化”。任何学前儿童都能应付自如。

6.4 自由灯光场景

同样，不久以后，智慧家居，在自由组网基础上，将实现自由灯光场景，“智慧家居云服务平台”或“智慧网关”将按你的“需要”，实现任意灯光场景。如果明天你改变主意了，那么，就按你的新主意实现新的灯光场景，重新调整所有灯具的不同亮度或不同光谱。你是怎么想的，灯光场景就是什么样的。

6.5 智慧优化控制

人们总是埋怨现在的传感器太迟钝，计算机也太笨了。智能控制总是不尽如人意，甚至貌合神离。不过，不必担心，按照目前国际上研究的阶段成果，基于生物芯片的生物电脑或光子计算机未来的传递信息和运算速度将比人脑思维快100万倍，存储量可以达到普通电脑的10亿倍，目前已制成的生物电脑分子电路和显微电路，只有现代计算机硅片集成电路的十万分之一大小，嵌入传感器内将产生神奇的性能。因此，不论优化控制的模型有多么复杂，真正的优化将迎刃而解。

7 结语

现在可以概括以下几点，作为文章的结尾。

(1)智能控制与固态光源联姻，必将突破传统的照明方法，超越传统照明的功能，扭转乾坤，进一步改变人类的生活方式。

(2)节能照明是智能照明控制首要的历史使命。目前，道路照明的节能控制是薄弱环节。高速公路和等级公路的照明已经提上议程。提高道路照明优化节能控制的水平迫在眉睫。而推广LED道路照明灯具与基于物联网的优化节能控制系统融合，是优选方案，应加速研发。

(3)实现优化控制的目标是照明智能控制系统的核心任务，而先进的网络通信架构是实现核心任务的技术保障之一。室内外照明的智能控制，应深入研究照明优化控制的理论，创新系统设计方案。

(4)照明智能控制已进入无线通信、自由拓扑、自由传输介质、自动发现、动态组网、光波通信的全新阶段，陈旧的网络技术将可能面临重新洗牌，淘汰出局。全新的“意念控制”、“自由组网”、 “自由灯光场景”技术将会诞生。

(5)“云”概念已进入快速的实践与扩张阶段，将把人类的信息化推向前所未有的全新高度。“云”的生命力之一在于“云端”的帮助，可简化用户的信息设备，增强基础设备的功能。不久，诸如 “云灯具”等智能照明设备将应运而生，而且功能强大，且价格不会太高。

(6)在照明领域，从道路照明控制到智能家居，物联网的应用正在扩大。而开发嵌入通信接口的智能灯具和对应的监控设备，则是至关重要的基本任务。

(7)今后，建筑室内照明和家居照明控制将首选简便的无线通信架构，家居照明控制将逐步融合到智能家居系统中。

[1] 梁人杰.智能照明控制——“绿色照明”的基石[J].电气照明，2010.

[2] 郝洛西，崔哲，徐俊丽.技术创新高效节能卓越设计——2012法兰福克照明展综述[J].照明工程学报，2012,23(4).

[3] 梁人杰.LED光源的前世、今生与后LED光源时代——固态照明新时代[J].电气照明，2011,6.

[4] 刘木清.照明自动控制技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[5] 梁人杰.LED在家居照明中的应用[C].南京市科学技术协会报告，2012.

[6] 梁人杰.智能照明控制系统[M].南京理工大学、南京工业职业技术学院教材，2006.

[7] 李农，刘玄烨.BIM技术在建筑照明设计中的应用[J].照明工程学报，2013，24(5).

[8] 马小军，耿晓春，张九根.智能照明控制系统[M].东南大学出版社，2009.

[9] Nico智能家居经典案例.

[10] E-lighting智能照明系统产品资料.

[11] Dynet照明控制技术资料.

[12] DALI照明控制技术资料.

[13] C-Bus照明控制技术资料.

[14] i-Bus照明控制技术资料.

[15] E-lighting照明控制技术资料.

[16] 梁人杰.照明与控制[M].南京理工大学，南京工业职业技术学院教材，2009.

[17] 梁人杰.照明智能控制[M].南京理工大学，南京工业职业技术学院教材，2013.

[18] 无线龙.ZigBee无线网络原理[M].冶金工业出版社,2011.

[19] IGRS标准，闪联信息产业协会.

[20] 梁人杰.LED光源与城市夜景照明的新理念[J].照明，2006.

[21] 黄以华，廖世文，刘燕林，蔡如海.基于DMX512的LED景观照明控制系统[J].照明工程学报，2009,20(4).

[22] 王薇，武一，郭红俊.基于LPC2119的新型LED景观照明系统设计[J].电子学科，2011,12.

[23] 陆杭，张荣博.基于无线传感器网络的LED景观照明系统设计[J].现代电子技术，2012,35(9).

[24] 丁国超，李维民，何云斌.基于SOPC的256色LED景观灯控制系统[J].齐齐哈尔大学学报，2010,26(1):23～25.

[25] 梁人杰.城市夜景照明规划与设计必须克服的某些不科学的倾向.长三角照明科技论坛,2011.

[26] 李农.中国城市景观照明演进论[J].照明工程学报，2012,23(Z1).

[27] 刘晓丽，赵兵，李宜武，梁人杰.智能化无线集中监控技术在南京城市景观照明集中管理中的应用.城市照明节能规划、设计与和谐发展科技研讨会，2009.

[28] 江苏省交通规划设计院、江苏沪宁高速公路有限公司.高速公路照明技术研究报告，2013。

[29] Mark Burrows. Bringing Highway Lighting Management into she 21 Century.The lighting Journal,2005 March/April.

[30] 梁人杰.新一代一体化固态智能灯具[J].电气照明，2013,6.

[31] B.Roisin, M. Bodart, A. Deneyer, P. D’Herdt. Lighting energy savings in offices using different control systems and their real consumption [J]. Energy and Buildings, 2008, 40(4):514～523.

[32] C. Volosencu，D. Curiac，O. Banias，C. Ferent， Pescaru，A. Doboli. Hierarchical approach for intelligent lighting control in future urban environments[C]. Proc. of the IEEE-TTTC International Conference on Automation， Quality and Testing，Robotics(AQTR’08)，pp. 158～163，Cluj-Napoca，Romania，22～25 May 2008.

[33] 张志明，庄玮琳.节能道路照明系统的无线智能控制设计[J].照明工程学报，2010,21(2).

[34] 郝洛西，杨秀.基于LED光源特性的半导体照明应用创新与发展[J].照明工程学报，2012,23(1).

[35] 莫虹频.美国固态照明国家战略及其对我国的启示[J].照明工程学报，2012,23(4)：4～17.

[36] MS Rea,MG Figueiro, JD Bullough. Circadian photobiology:an emerging framework for lighting practice and research.Lighting Research and Technology,2002,34:177～190.

[37] Berson, D. M., Dunn, F. A, Phototrasduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock[J]. Motoharu Takao.Science (2002),29 5, 1070～1073.

[38] 章海聪.照明科学新进展—眼睛的非视觉效应[J].照明工程学报, 2006,17(3):3～8.

[39] 居家奇，陈大华，林燕丹.照明的非视觉生物效应及其实践意义[J].照明工程学报，2009,1:5～9.

[40] 列别捷夫.发光二极管光学透镜[J].照明(俄文)，2001,5.

[41] 刘晓英，徐志刚，焦学磊，杨铭.植物照明的研究和应用现状及发展策略[J].照明工程学报，2013,24(4)：1～5.

[42] 徐何辰，饶丰，薛文涛，谈茜.中间视觉条件下汽车信号灯色漂移、照度和透雾率研究[J].照明工程学报，2013,24(4).

[43] 凌铭，张建文，黄中荣.汽车灯具的发展趋势[J].照明工程学报，2013,24(4).

[44] 梁人杰.纳米科技光源进展.全国电光源材料科技研讨会会议资料汇编，2005.

[45] 文蒸，肖辉.基于RBF神经网络的三基色配比研究[J].照明工程学报，2013,24(2).

[46] 梁人杰，李坚.太阳能照明技术的应用要点与发展方向剖析.中国照明工程年鉴，2006.

[47] 俞安琪,赵旭.LED照明产品光生物安全风险状况分析[J].照明工程学报，2013,24(5).

[48] 梁人杰.正确处理照明节能改造工作中的六个关系.南京理工大学，2011.

[49] 刘海涛.物联网技术应用[M].北京：机械工业出版社，2011.