如何通过物联网更充分地利用智能照明

LED 照明的数字化本质显著增强了可控制性，利用这种可控制性，我们可以实现众多不同的照明效果，从调光和颜色变换到基于占位的特性。照明已经实现了智能化，提供灵敏的响应，但如果与新兴的物联网 (IoT) 配合使用，并且部署更多的传感器，它将能够支持更强大的功能。例如，如果街灯配备了摄像头、接近传感器或空气质量传感器，则可为智能城市管理发挥辅助作用。嵌入民用灯具内部的传感器可以增强危险检测或应急呼叫。

如何能够经济高效地将新一代智能灯具引入到现有网络中？这个问题亟待解决。物联网是一个快速发展的领域，但现今已安装新型 LED 灯具的用户却期望灯具在使用很长时间之后再进行升级，从而最大程度地提高他们的投资回报。这正是新型智能灯具大展身手的舞台，因为它们带有功能全面及可升级的传感器接口，能够随时利用云技术的快速进步，为用户提供更多价值。

照明和物联网

人们对智能照明的宽泛理解是实现灯具响应自动化，例如调光或开关控制，旨在增强用户舒适度并节省电能。环境光传感器 (ALS) 可用于检测自然光的多少，从而相应地调节灯具的输出。该传感器必须位于接近灯具的位置，以便提供环境条件的相关指示，但它的定位又必须最大程度地避免暴露在灯具自身的光线下，以防止出现不适宜的调光和亮度调节。

Maxim Integrated 已经演示了如何将类似 MAX44009 的 ALS 应用于室外灯具设计，如图 1 所示。该系统基于 Microchip PIC18LF4520 微控制器。硬件相对简单，在 MCU 和传感器之间使用简单直观的双线缆连接。参考设计将 ALS 安装在单独的 PCB 上，以实现最佳传感器定位。

图 1： 集成 ALS 以构建智能照明灯具。

如图 2 的流程图所示，智能照明控制器软件可以测量环境光线，跟踪时间，让我们能够通过简单的用户界面，对光照度阈值、早晚开关时间进行编程。图中包括一个按钮，还有两个 7 分段显示屏和指示灯 LED。Maxim 应用说明 AN5320 提供了十六进制格式的控制器软件。

图 2： ALS 增强照明系统的软件控制流程图。

在监控该软件管理的灯具附近区域的环境光照强度方面，ALS 可以发挥重要作用。另一方面，也可使用 PIR 传感器进行占位检测，打开或关闭相对位置较远的灯具，这种技术应用于各个区域，例如在办公室、零售店、工厂或家里。与 ALS 传感器相同，PIR 传感器也可以直接连接到灯具。另外，传感器阵列能够支持更高级功能，例如在有人走过时，对走廊进行分段照明，或者当工人进入仓库从特定位置提货时，有选择地为仓库中的某些区域照明。

接近传感器作为云连接物联网端点

Texas Instruments 提出了一种将 PIR 传感器作为云连接物联网端点部署的方法，可将占位数据发送到云应用。

Texas Instruments 的参考设计基于 CC1310 SimpleLink™ 超低功耗次 1 GHz 无线微控制器。选择用来调节模拟 PIR 传感器信号的 LPV802 双运算放大器和 TLV3691 双比较器是毫微功耗器件，可以最大程度地降低整体功耗，让传感器能够在没有钮扣电池的情况下独立工作数年时间。TLV3691 比较器充当一个窗口，区分运动和噪声，当检测到运动时，它会为 CPU 生成中断。这使 MCU 能够在节能模式下工作，从而延长电池寿命，只有在需要将消息发送回到远程主机时，才会唤醒 MCU。图 3 显示了传感器节点的功能框图。

CC1310 是一款多标准器件，能够支持多种无线电协议，带有 wM-Bus 和 IEEE 802.15.4g 协议栈。参考设计使用基于 IEEE 802.15.4 协议栈的应用来处理传感算法，以及网关和传感器节点之间的次 1 GHz 通信。

图 3： 将运动传感器作为云连接物联网端点的 Texas Instruments 参考设计

通过物联网，更充分地利用智能照明

将传感器连接至云之后，除了管理照明以及供暖或通风等其他服务之外，我们还可以通过很多方式利用它们的数据。这些数据还可用于监控使用模式，例如识别活动大于或小于正常水平的区域或时间。另外还可以实现一些先进的安防应用。PIR 传感器可用于直接激活入侵者警报，云应用可以协调更复杂的响应，例如向关键人员发送短信报警，对入侵进行记录并加上时间戳，然后执行受控制的防范禁闭。

这种与智能照明相关的数据的增强使用，可以支持广泛的照明场景。灯具外壳可提供放置传感器的理想位置，因为它通常安装在发生活动的区域的上方，具有广阔的无阻碍视场。如 CMOS 摄像头等视觉传感器也可以受益于灯光，捕捉高质量的图像。

采用大量传感器的照明系统在室内和室外均可应用。在智能城市中，街灯可以监控交通流量和道路使用情况。云应用可以提取关于道路施工影响、交通灯顺序变化的宝贵信息，并且协调关闭街灯，以此优化节能，而不危害公民的安全。街灯也是放置摄像头或用于检测车辆的其他传感器的理想位置，用于监控受控制的停车区域，为执法人员提供导向。相反，停车数据可作为一种服务提供给驾驶员，帮助他们寻找可用的停车位，以减少交通拥堵，避免不必要的尾气排放。

智能互联照明也可与家庭或工作场所的传感器结合使用，在发生紧急情况的情况下，提供更多的视觉指示。对于存在听力障碍的人员而言，这是非常实用的。另外，它也可向建筑外部的人员发出指示，向他们寻求帮助。

充分利用数据

在智能城市中，灯具维护可能是非常难于管理的，实施成本非常昂贵。如果连接到物联网，灯具可以检测自身的故障，并立即通知相关维护机构，提示需要更换或维修。我们可以设计传感器来检测其他故障，例如灯罩破碎或污损，需要更换或清洁。

通过智能照明收集的数据可为公共事业机构提供宝贵的信息，帮助他们计划维修，并识别高峰需求时段。功耗数据对政府机构开展能源调查也是非常有用的。

所有照明系统是否都应该为物联网准备就绪？

我们有很多机会在高级灯具中采用不同类型的传感器，今后，随着物联网的功能和覆盖范围进一步扩展，还将会有其他很多传感器问世。我们很容易设想，在今后某个时候，将有大量灯具需要进行升级，添加更多传感器。

IoT-Ready™ 联盟已经指出，现在正是定义标准化传感器接口的适当时机，这样可以让升级变得尽可能简单。该机构指出，当前安装的 LED 灯具的典型使用寿命为大约 15 年，随着物联网技术的快速发展，在 LED 灯具的典型使用寿命内，将需要进行多次升级。他们还指出，更改整个灯具来添加新的物联网连接功能，这种做法不太经济，将会增加不必要的成本。让新的 LED 灯具为物联网集成做好准备，可以节省这笔开支。该联盟的目标是确定一种经济高效的、影响很小的更改传感器的方法，让用户能够轻松地添加或升级传感器。为了实现这个目标，该机构计划定义电气接口、连接器和机械外形尺寸。

此计划能否得到主要灯具厂商和设计人员的认可，让我们拭目以待。另一方面，有些公司可能打算“单打独斗”，开发专有的解决方案，然后进行游说，让他们的规范成为事实上的标准。无论是哪种情况，只有在能够轻松连接至云、大量采用传感器的新型灯具开始进入市场之时，业界期待的“智能照明”才能真正实现。

总结

与其他很多新的创新相同，智能照明可在短期内提供极具吸引力的优势，而且它们的功能还能够得到显著演进，在未来提供更大的优势。既然物联网技术正在快速发展，照明行业也必须迅速采取行动，才能跟上这种发展步伐。