河套 IT TALK 85：（原创）照亮未来：智能照明技术的创新与变革（中）

1. 上期回顾

上一篇，我们谈到了智慧照明的概念，以及它简要的发展历史，并对智慧照明方案进行了某种程度的展开和解读。今天，我们会继续详细谈一下智慧照明方案的关键技术。

在展开谈论技术之前，先明确一下，我们当前的智慧照明处于什么阶段。从大的智慧家居的发展阶段来看，可以划分为这三个阶段：智能单品阶段、智能互联阶段和主动智能阶段。

• 智能单品阶段：在这个阶段，智能家居产品以独立的单品形式存在，各个设备之间相互独立工作，缺乏互联性和协同功能。用户可以购买智能灯泡、智能插座、智能摄像头等单个设备，但它们通常需要独立操作和管理，无法实现联动和智能化的场景控制。
• 智能互联阶段：在这个阶段，智能家居设备开始实现互联互通，形成一个整体的智能家居系统。通过无线通信技术（如Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等），各个设备可以相互连接和通信，实现联动和协同工作。用户可以通过智能手机应用程序或中央控制器来管理和控制整个智能家居系统，根据需求和场景设置不同的自动化任务和联动规则。
• 主动智能阶段：在这个阶段，智能家居系统通过人工智能（AI）技术的应用，可以主动感知、分析和学习用户的行为和喜好，从而提供更智慧化的服务。系统可以根据用户的习惯和偏好自动调整设备的设置，提供个性化的场景控制和智能建议。例如，智能家居系统可以通过学习用户的日常行为模式，自动调节照明和温度，提供智能化的能源管理，甚至预测用户的需求。

而我们智慧照明的发展阶段，技术上已经跨越了第一阶段，当下在从第二阶段向第三阶段的演进之中。所以今天谈论的技术话题，也会聚焦在第二和第三阶段的技术。

从解决方案包含的部件来看，上一节，我们谈到了七大部件，分别为：照明对象、环境感知部件（传感器）、无线通信模块、网关/路由器、照明控制器、智能照明云端服务平台和智能照明控制终端。让我们一一来展开。

2. 照明对象

LED灯主要的发光半导体材料一般是氮化镓（GaN）和磷化铟镓（InGaN），前者通过精确控制可以产生不同的发光颜色，包括蓝、绿和紫等。后者是一种固溶体材料，是氮化镓（GaN）和磷化铟（InP）的合金。通过调节铟（In）和镓（Ga）的比例，可以实现不同波长的发光，例如绿色、黄色和红色。

当前LED灯的色温范围可以从2700K（开尔文）的暖白光，一直到6500K的冷白光。色彩还原指数（CRI）一般的商业LED在82，高质量的可以达到90以上（满分100）。

而变色RGB LED一般是集成了红（R）、绿（G）和蓝（B）三种基本发光颜色的LED。通过控制这三种颜色的亮度和混合比例，可以产生不同的色彩。通过调节红、绿、蓝三个通道的电流强度，可以实现几乎任意颜色的光。如果再增加白色的发光元器件，形成RGBW LED的色彩表现和色彩还原能力会更丰富。市面上还有可调色温的LED是通过混合不同色温的白光LED的亮度比例，来实现连续性的色温调节。

LED灯是基础，但如果要实现智能，还需要有对环境的感知能力，这就涉及接下来聊的环境感知部件。

3. 环境感知部件

对环境的感知能力是通过传感器来实现。传感器感知环境条件和用户行为，从而实现智能控制和自动化调节。以下几种是经常被用到的传感器：

• 光照传感器：光照传感器用于感知环境中的光照水平。它们可以测量周围的光强度，并根据需要自动调节照明亮度。光照传感器广泛用于室内照明系统、户外照明系统和智能照明系统，以实现自动调光和节能控制。从成本考虑，一般在智能照明系统中，常用的光照传感器技术是光敏电阻器（Photoresistor）和光电二极管（Photodiode）。前者的工作原理是基于光敏材料的电阻值随光照强度变化的特性。当光照射到光敏电阻器上时，光敏材料中的载流子密度会改变，导致电阻值发生变化。通过测量电阻值的变化，可以获得光照强度的信息。后者的工作原理是利用光电效应，在光照射下产生电子-空穴对，从而形成电流或电压的变化。通过测量这些变化，可以得到光照强度的测量结果。
• 人体红外传感器：人体红外传感器（PIR传感器）可以探测到人体的热辐射。人体红外传感器通常采用双元件（Dual Element）结构，即两个红外感应元件组成一对。每个元件由两个连接的电极组成，当红外辐射变化引起元件表面的温度变化时，它们之间会产生电荷不平衡。这个电荷不平衡产生的微弱电信号将被放大和处理。当有人进入传感器范围时，它们会发出信号触发照明系统开启或调整。PIR传感器常用于室内和室外的智能照明系统，如自动开关和人体感应照明。
• 遥控器和触摸传感器：遥控器和触摸传感器允许用户通过遥控器或触摸操作来控制照明设备。它们常用于智能家居照明系统和办公室照明系统，提供方便的用户交互和个性化控制。
• 温度传感器：温度传感器用于感知环境的温度变化。它们可以监测室内或室外温度，并根据需要调整照明系统的工作模式。温度传感器在节能控制和舒适性优化方面发挥重要作用。从平衡成本和敏感度角度来看，通常会选择热敏电阻器（Thermistor）作为温度传感器技术。它由热敏材料制成，其电阻值随温度的变化呈现非线性关系。热敏电阻器根据材料类型可分为正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）两种。当温度升高时，PTC热敏电阻器的电阻值增加，而NTC热敏电阻器的电阻值减小。
• 湿度传感器：湿度传感器用于测量环境中的湿度水平。在某些情况下，如卫生间、洗手间和储藏室等，湿度传感器可以触发照明设备的开关，以提供必要的照明和节能。在智能照明系统中，电容式湿度传感器是常见且经济实惠的选择。它由两个电极组成，其中一个电极被涂覆了一层湿度敏感的材料。当湿度发生变化时，被涂覆的材料会吸收或释放水分，导致电容值的变化。通过测量电容的变化，可以确定环境中的湿度水分含量。
• 声音传感器：声音传感器可以检测环境中的声音水平。它们可以用于实现声控照明系统，在检测到声音时触发照明设备的开启、关闭或调光。在智能照明系统中，电容式声音传感器是常见且经济实惠的选择。它由一个电容器和一个振膜组成，当声音波动通过振膜时，振膜的位移会改变电容器之间的距离，从而改变电容值。通过测量电容值的变化，可以确定环境中的声音强度。

但并不是这几种就一定能满足场景需求。根据具体需求和应用场景，还可以使用其他传感器，如空气质量传感器、运动传感器等，以实现更智能和个性化的照明控制。

但如上信息尽管被感知到，还是需要传递给控制器去分析和决策，这就涉及如何传递回去的问题。这里最方便的手段会依赖无线传输技术。也就是下面需要谈到的无线通信模块。

4. 无线通信模块

Zigbee

Zigbee是一种广泛使用的短距离、低速率的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。基于IEEE 802.15.4标准，但IEEE仅处理底层的MAC层和物理层协议，Zigbee扩展了网络层和应用层API的标准化。

Zigbee可工作在2.4GHz（全球流行）、868Mhz（欧洲流行）和915 MHz等3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，传输距离在10-75m的范围内。

Zigbee的功耗低，发射功率仅为1mW，可以启动休眠模式。通信时延一般为15ms。

Zigbee网络具有自组织和自修复的特性，即使其中某些设备失效或移动，网络依然能够保持稳定的通信。

蓝牙

蓝牙有蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy，简称BLE）省电技术。蓝牙设备可以轻松进行配对和连接，并且可以实现点对点或点对多点的通信。

蓝牙Mesh网络是蓝牙技术的扩展，允许大规模的设备互相连接，形成一个自组织的网络。

蓝牙LE Audio：蓝牙LE Audio是蓝牙技术的最新标准，旨在提供更好的音频体验。它支持高质量音频传输和多设备同步播放，为智能照明系统中的音频功能提供了更多的可能性。

蓝牙定位服务：蓝牙定位服务是一种基于蓝牙技术的室内定位解决方案，可以用于智能照明系统中的位置感知和定位功能。通过蓝牙信号的强度和到达时间等信息，可以实现对用户位置的准确追踪和定位。

Wi-Fi

Wi-Fi一般工作频率在2.4GHz、5GHz和6GHz。Wi-Fi最大的优势就是传输速度高。Wi-Fi 6/6E典型的传输速率就可以达到1～3Gbps的速率，这是其他无线技术无法媲美的。但尽管采用了OFDMA（正交频分多址）的技术和TWT（目标唤醒时间）的技术，Wi-Fi的功耗还是非常高的，是Zigbee的数十倍。而且Wi-Fi接入终端的数量也和Zigbee和蓝牙不在一个量级，后两者理论上可以达到65536个节点数量。但Wi-Fi即便是高端的路由器，最大接入设备数量也就是几十、几百的量级。

Thread

Thread也是一种开放标准的无线通信协议，专为物联网设备之间的低功耗、安全和可靠通信而设计。工作在2.4GHz的ISM频段，与Wi-Fi和蓝牙等通信技术共享相同的频段。Thread采用低功耗睡眠和快速唤醒等技术，以实现较低的工作时延。设备可以快速从睡眠状态唤醒并与其他设备进行通信，从而降低了通信的延迟。Thread协议针对低功耗应用进行了优化，以延长设备的电池寿命。它采用了一些功耗优化的技术，例如低功耗睡眠模式和快速唤醒机制。这使得Thread在长期运行的物联网设备中具有较低的功耗。Thread基于IPv6协议栈，为物联网设备提供了直接的互联网连接能力。每个Thread设备都有唯一的IPv6地址，可以直接与互联网上的其他设备进行通信。这为智能照明系统的云端连接和远程控制提供了更好的支持。Thread支持网状拓扑结构，这意味着设备可以直接与其他设备通信，也可以通过其他设备进行中继传输。这种网状结构提供了更大的灵活性和可靠性，使得设备之间的通信更加鲁棒。Thread的设备可以自动组网，动态地选择最佳路径进行通信，从而提高整个网络的性能和覆盖范围。

就目前的实际情况来看，未来的发展趋势可能是这四种技术的融合和互补。此外，随着5G通信技术的普及和发展，它也可能成为智能照明系统中的一种重要通信技术，提供更高的速度和更广阔的覆盖范围。

除了上述提到的无线技术之外，还有一项通信技术，未来如果有技术突破，也可能会成为一种选择，这就是电力线载波通信（Power Line Communication，PLC）技术。

PLC

PLC利用电力线路传输数据信号，使其成为一种潜在的通信选择。它的优点就是不需要额外的无线信号覆盖，可以通过电力线路覆盖整个建筑物，无需担心信号受限或衰减的问题。由于所有电力插座都连接到电力线路，PLC技术可以直接连接到插座并与其他设备进行通信，实现设备之间的互联。

但是，这个技术也有硬伤，导致其无法被广泛采用，这就是与某些无线技术相比，PLC的传输速率通常较低。PLC技术的传输速度通常在几百千比特每秒（kbps）到几兆比特每秒（Mbps）的范围内。具体的速度取决于使用的PLC标准、硬件设备和环境条件。同时，PLC通信可能受到其他电器设备引起的干扰的影响，例如电视、冰箱、电脑等。这些设备会在电力线上引入噪声和干扰，可能导致通信质量下降。在面对较强的干扰源时，PLC技术的性能可能会受到较大影响。另外，PLC技术在数据传输过程中可能存在一些安全性问题，因为信号通过共享的电力线路传输，其他设备可能拦截或干扰通信。

5. 网关/路由器

在智能照明系统中，网关和路由器之间的关系可以是相互依赖的。网关通常是一个更高级的控制单元，可以连接多种类型的设备，包括使用不同无线协议的设备。它的任务是将不同协议的设备数据集成到一个统一的控制平台上，并与外部系统进行交互。网关可以连接到无线路由器，以便与互联网和其他网络设备进行通信。无线路由器的作用是提供设备之间的网络连接和路由功能。它负责将数据从一个设备传输到另一个设备，并通过路由算法确定最佳的传输路径。

网关

网关的技术实现方式可以是软件或硬件，取决于系统的设计和要求。

• 软件网关通常是运行在计算机、服务器或云平台上的应用程序。它通过与智能设备通信的协议（例如Wi-Fi、蓝牙、Zigbee）来收集和处理数据，并提供远程控制和管理功能。软件网关通过与无线路由器连接，将智能设备的数据传输到云端或与外部系统进行交互。
• 硬件网关通常是一种专用设备，集成了各种通信接口和协议，以实现与智能设备的连接和数据传输。硬件网关可以支持多种无线协议（如Wi-Fi、蓝牙、Zigbee），并提供相应的通信接口。它通常具有更强大的处理能力和网络连接能力，用于处理大量的设备数据和提供高级功能。

路由器

路由器在智能照明系统中起到连接不同设备之间的桥梁作用，负责数据的转发和路由。选择不同的无线协议可能会影响到使用的路由器类型和设置。

如果智能照明系统采用Wi-Fi作为无线通信协议，那么通常会使用Wi-Fi路由器来提供网络连接和路由功能。Wi-Fi路由器通过创建本地网络（LAN）并为设备提供IP地址，使智能设备能够连接到互联网和其他设备。

如果智能照明系统采用Zigbee作为无线通信协议，那么会使用Zigbee路由器来建立Zigbee网络。Zigbee路由器负责在Zigbee网络中传输数据和路由信号，扩展网络范围和覆盖。

6. 照明控制器

在智能照明系统中，照明控制器是负责管理和控制照明设备的关键组件。它可以是一个软件应用程序、硬件设备或集成在网关中的功能。

照明控制器的功能通常包括以下方面：

• 开关控制：控制灯光的开关状态，包括开启和关闭。
• 调光控制：调整灯光的亮度水平，可以实现从全亮到全暗的连续调节。
• 调色控制：改变灯光的颜色温度或颜色，可以实现暖白光、冷白光或彩色灯光的选择。
• 定时控制：设置灯光的定时开关，使其在特定时间自动开启或关闭。
• 情景模式：预设不同的灯光场景，如阅读模式、休闲模式或聚会模式，以适应不同的环境和需求。

通过照明控制器，用户可以根据个人偏好、需求和情境，灵活地控制和调整照明设备，实现个性化和智能化的照明体验。

智能照明系统的控制器和照明对象（灯具）之间的数据通信接口标准是DALI（数字地址照明接口）（Digital Addressable Lighting Interface）。它是由国际照明协会（International Association of Lighting Designers，IALD）和欧洲照明生产商协会（European Lighting Industry Association，ELIA）共同开发和推广的一个开放的、标准化的协议。它采用了数字通信和点对点连接的方式，使灯光设备能够通过数字信号进行控制和监测。DALI控制器负责生成和发送DALI命令，而DALI灯光设备接收和响应这些命令，完成相应的操作。以下是DALI标准的核心特点和主要功能：

• 数字通信：DALI使用数字信号进行通信，每个DALI设备都有唯一的地址，可以直接访问和控制。这种点对点的通信方式可靠性高，不受传输距离的限制。
• 双向通信：DALI支持双向通信，可以向灯光设备发送控制命令，并接收设备的状态和反馈信息。这使得系统可以实时监测灯光状态、故障和能耗等参数。
• 调光和场景控制：DALI允许对灯光进行调光控制，实现灯光亮度的精确调节。同时，它还支持场景控制功能，可以预设和切换不同的照明场景，满足不同环境和需求下的照明要求。
• 故障检测和报告：DALI系统可以检测灯光设备的故障状态，并通过回传信息进行报告。这样可以及时发现和处理故障，提高照明系统的可靠性和维护效率。
• 可扩展性和互操作性：DALI标准具有良好的可扩展性，可以支持多达64个DALI设备的连接。此外，DALI还与其他控制系统和传感器集成，实现与建筑自动化系统和智能家居系统的互操作性。

总结而言，DALI标准是一种基于数字通信的灯光控制协议，通过点对点连接和双向通信，实现了照明系统的灵活控制、调光功能、故障检测和互操作性。它为智能照明系统提供了一种可靠且功能丰富的控制方案，使得照明系统更加智能、高效和可持续。

7. 智能照明云端服务平台

聊到现在，所谓的智能照明解决方案，还是一个基于家庭为单位的本地技术范围。但智能照明系统的真正魅力和潜力是前面两个字“智能”。也就意味着数据挖掘、深度学习和云端整合分析是关键要素。通过大量的智能家居数据在云端的整合分析和情境感知，智能照明系统可以提供更加贴心的服务和个性化的照明体验。

智能照明系统收集到的数据包括用户的照明习惯、行为模式、时间偏好、环境条件等。通过对这些数据进行挖掘和分析，可以获取有关用户的偏好和需求的深入洞察。例如，通过分析用户在不同时间段的照明偏好，系统可以自动调整照明亮度和色温，以适应用户的需求。

智能照明系统通过云端的数据挖掘，还可以通过感知环境和情境来自动化控制照明。通过整合传感器数据和环境信息，系统可以识别当前的情境，如人员活动、光线强度、温度等，并根据预设的规则和用户偏好自动调整照明设置。例如，当系统检测到用户进入房间时，可以自动开启灯光，并根据环境光线和时间调整亮度和色温。

智能照明系统可以根据用户的需求和场景提供个性化的服务。通过整合其他智能家居设备和平台，智能照明系统可以与智能音箱、智能助理等进行互联，实现智能家居的整合控制。例如，系统可以与智能音箱结合，根据用户的语音指令实现场景切换、定时调整、音乐配合等功能。用户可以通过手机应用或云端平台与智能照明系统进行交互，远程控制灯光的开关、亮度、色温等设置。此外，智能照明系统可以与其他智能设备和服务平台实现互联，如与安防系统、气候控制系统、日程管理系统等进行联动，提供更加智能化的功能和服务。

智能照明系统通过数据分析和智能算法，可以实现更有效的能源管理和节能效果。系统可以监测实时能源消耗情况，根据环境条件和用户需求进行智能调整，最大限度地减少能源浪费。例如，系统可以根据光线强度和人员活动情况，自动调整灯光的亮度和开启时间，以实现节能效果。

智能照明云端服务平台，还可以让这种能力和生态应用对接。为了方便开发者和第三方服务提供商与智能照明系统集成，云端服务平台通常提供API（应用程序接口）和开放平台。开发者可以通过API访问平台的功能和数据，从而构建自己的应用程序或服务，并实现与智能照明系统的互操作性。并为智能家居的发展提供了更广阔的潜力。

好了，今天，我们重点把智能照明系统的解决方案展开聊了一下。明天，我们会再来谈谈智能照明系统的生态和应用，以及未来的展望，明天见！