多功能室内智慧照明技术发展与实践探讨*

徐 华， 王海量， 王 磊， 刘力红， 杨 莉， 卢朝建

(清华大学建筑设计研究院有限公司，北京 100084)

0 引言

随着科学技术的快速发展和人们生活水平的提高，人们对健康的要求越来越高。人的大部分时间是在室内度过的，室内光环境的好坏，不仅影响视觉健康，还会影响心理和生理健康。照明的非视觉效应(生理健康节律、心理情绪、注意力、警觉性等)对健康的影响也越来越被大家所认知，而随着半导体照明技术的发展和物联网技术的兴起，照明行业正在经历着深刻的变革，光源LED化、灯具驱动数字化、照明控制物联化和智慧化，为自动构建舒适的照明环境提供了极大的可能，智慧照明的实施已经被提上议事日程。笔者结合科技部课题“新形态多功能室内智慧照明关键技术及系统集成”研究成果和项目示范，探讨室内智慧照明技术发展和实践，希望能起到抛砖引玉的作用。

1 健康照明

所谓健康照明，就是通过照明改善并提高人们工作、学习、生活的条件和质量，促进心理和生理健康。从目前被大家所共识的健康照明标准(表1)中可看出，在传统的照明设计和照明标准中，关注的指标(如照度、均匀度、色差、炫光、频闪)主要是基于视觉安全，2017年诺贝尔生理学与医学奖颁给了三位美国科学家Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash、Michael W. Young，以表彰他们发现了调控昼夜节律的分子机制，开启了健康照明研究和应用的快车道，所谓昼夜节律是指生命活动以24h左右为周期的变动，又称近日节律。光的非视觉效应与昼夜节律紧密相关，随着LED快速发展，健康照明得到深入地研究与应用。

健康照明及标准 表1

2 LED照明技术的发展

LED照明技术用于室内是1993年日本首先取得突破，并在1996年实现白光LED之后得到快速发展。由于LED具有长寿命、易控制、防震动、色彩丰富等特点，效率逐步提高到已经超过传统光源，所以LED飞速进入室内照明领域。从照明应用上看，技术已经成熟，并有应用标准支撑，如GB/T 31831-2015《LED室内照明应用技术要求》、GB/T 31832-2015《LED城市道路照明应用技术要求》、GB/T 38539-2020《LED体育照明应用技术要求》等系列标准的出台，特别是GB 50034-2013《建筑照明设计标准》已经修编报审，新版本预计2021年发布，对LED室内照明的应用会有更大的促进作用。

不同场景下的智慧和健康照明，有不同的人本诉求和操控方式，譬如：家居照明、卧室照明、办公照明、教室照明、医院照明、养老照明、会议照明、工厂照明等，都有各自不同的场景定义和检测标准，这些都需要灯具配套完成，要满足不同场景需求，就需要多功能灯具，如灯具本身可变颜色、变色温，具有现场传感感应器，能够感应温度、湿度、气体、声音、人员存在等。

3 室内照明控制

室内照明控制的发展经历了传统的面板开关控制、声音控制、感应控制、总线回路控制、总线单灯控制、无线控制、网络遥控等，除了简单的面板控制、声音控制、感应控制等现场分散控制外，总线回路控制、总线单灯控制、无线控制、网络遥控等被统称为智能照明控制，目前在室内照明控制领域应用最广泛的为总线回路控制和总线单灯控制形式，总线回路控制原理图见图1，总线单灯控制原理图见图2。

图1 总线回路控制原理图

图2 总线单灯控制原理图

总线回路控制协议众多，如欧洲安装总线KNX协议、RS485协议等，采用控制总线控制每个灯具供电回路的闭合和断开。

DALI协议是总线单灯控制典型系统，采用DALI控制总线控制每套灯具，此系统与回路控制的区别是回路控制时，控制总线只连接装有控制模块的照明配电箱，不连接灯具，DALI控制总线需要连接每套灯具。其平面图区别见图3～4。图3中，控制总线不连接灯具，只连接控制面板、感应器等控制元件，控制总线和配电回路分别连接配电箱。图4中，DALI控制总线除了与控制面板、感应器连接外，还与每套灯具连接，达到单灯控制要求。

图3 总线回路控制平面图

图4 总线单灯控制平面图

随着物联网技术的发展，智能照明向智慧照明迈进，以人的行为、视觉功效、视觉生理心理研究为基础，开发更具有科学含量的、以人为本的高效、舒适、健康的智慧化照明。总的来说，当前国内智慧照明发展的主要趋势有：(1)人性化，注重以人为本的理念，根据人的需求来设计控制，并能灵活地对系统进行改变调整，提高人们的生活；(2)可拓展性，照明控制系统能满足日益增多的不同类型种类的设备接入现有系统，遵守可持续发展的策略；(3)标准化，为不同厂商设备统一制定标准，加速照明系统控制技术发展。智慧照明更能贴合人的需求，室内智慧照明系统大致可以分为三个技术层面：(1)基于云端的应用与服务；(2)室内灯具的无线控制网络；(3)智慧照明产品内部的嵌入式控制软件与驱动。

智慧照明除了基于总线技术之外，基于无线技术的室内照明控制更为方便，目前无线控制网络在室内照明控制应用最多的有Wi-Fi、蓝牙和ZigBee，他们之间的对比见表2。

三种室内无线技术对比分析 表2

此外，基于电力线通信PLC技术，也是智慧照明一个重要选项。无论是新建建筑还是改建建筑，电力线无所不在，用于智能控制时，无布线成本，不影响建筑已有的装修,并且通信距离和稳定性也有优势。

本课题组成员单位研发的PLC/微功无线双模通信技术，以470～510MHZ为射频信号载频，在低成本、低功耗的前提下，利用高速微处理技术、无线自组网和自动中继等方式实现远距离、多数据传输，其信道不受现场电网环境影响，具有实时性好、速率较高和网络稳定性等特点。融合电力载波通信技术和微功率无线通信技术的优点，双模技术，在电力线载波信道稳定时，充分利用载波通信的穿墙和躲障碍物的能力，弥补微功率无线通信技术的不足；而在电力线载波信道不稳定时，微功率无线作为载波通信的辅助补充通信手段，暂时替代电力线，以保持通信实时性和稳定性。

双模通信模块集成了微功率无线通信和载波通信两种调制解调模块；由一个主控芯片根据应用现场的复杂环境来协调两种通信信道之间的自动切换，实现异构网络的融合和优势互补，优化组网结构，扩大覆盖范围，消除通信盲点，提高通信成功率，克服单一信道通信成功率和收发数据可靠性等方面的不足。

在已建建筑物内的照明改造中，没有照明控制总线，如果改造为总线形式，工程量大、施工周期长，在这种状态下，采用集成了PLC/微功率无线模块的智能照明系统，是一个合理的选择。该系统基于电力线有线通信和无线通信协同融合的方式，消除通信盲点，解决建筑物内房间多、障碍物多等潜在的通信障碍，以保证通信的稳定性和照明控制的可靠性。

PLC/微功率无线双模通信芯片是本项目产品研发所采用的核心芯片，实现数据在电力线通信信道上的调制、解调以及数据传输和转发功能，物理层速率>10Mbps、应用层速率>2Mbps；支持从节点个数>1 000个，最大可支持15级中继。

将PLC/微功率无线双模通信模块，应用于智慧照明控制系统中的PLC协调器、PLC面板及智能灯具中的单灯控制器等智能设备的集成设计，如图5所示。在图5中，智能网关由单个网关路由器和多个PLC协调器组成，以适应照明现场复杂的电力线布线环境，如多级配电柜现场。

图5 PLC/微功率无线模块用于智慧灯控系统示意图

4 项目示范

本课题组研发的基于PLC/微功率无线模块用于智慧灯控系统，在江苏省南通市通州区二甲医院和南通东晟医疗废物处理有限公司进行了示范工程。南通市通州区二甲医院为改造项目，把原有灯具换成本课题研发的多功能灯具，在原有配电箱上加装PLC协调器，每个灯具可以调光、调色温，就地具有蓝牙控制、PLC面板控制，智能控制平台实现总控，十分方便。

南通东晟医疗废物处理有限公司为新建办公楼，该建筑共4层，主要功能房间有：走廊、大厅、卫生间、库房、设备机房、4人主管办公室、12人办公室等多人办公室、大会议室、14人会议室、员工培训室、经理或董事长办公室、企业文化展厅、多人休息室、领导休息室、健身房等。照明控制方案见表3。一层典型配电系统图见图6，一层照明平面图见图7。

图6 一层典型配电系统

图7 一层照明平面图

照明控制方案 表3

PLC网关是集成控制、管理、计算和通信等功能的基础开放平台。网关包含PLC-CCO模组、MCU模块。特性：(1)PLC 网关在系统中通过PLC协调器进行协议转换与STA通信；(2)具备应用地址配置和管理；(3)具备场景配置与控制；(4)具备控制程序逻辑配置与控制；(5)具备系统设备状态监测功能；(6)具备通过网络把系统的指令同步传递到云端。

场景可通过按键信号、时钟信号、传感器信号等进行触发，场景控制逻辑通过PLC网关进行配置，场景配置信息保存在每个受控设备内，当进行场景控制时，被寻址选中的受控设备可以实现同步响应。本项目达到预期目的。

5 结束语