刁建新，王振坤，姚 勝，袁景玉，劉詩雨

(1.河北工業(yè)大學建筑與藝術設計學院，天津 300130；2.河北省健康人居環(huán)境重點實驗室，天津 300130)

引言

近年來，照明所造成的建筑能耗不斷增大，電力照明消耗了全球電力總產量的19%[1]，就我國而言，辦公建筑能耗在公共建筑能耗中約占30%，其中照明能耗在公共建筑總能耗中占10%～40%[2]，而集成了各種傳感器、通訊模塊及控制技術的智能照明系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)可節(jié)能約17%～60%[3]，除此以外智能照明還可以用于提高照明質量，通過非視覺效應改善人體的生理節(jié)律，營造健康的采光照明環(huán)境[4]。智能照明作為一個平臺，融合了建筑、通信、人體生理學等學科領域，具有廣闊的發(fā)展前景，《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》[5]中提到要加快數(shù)字社會的建設步伐，其中智能照明作為結合了5G、物聯(lián)網等技術和概念的智慧家居，是構建美好數(shù)字生活新圖景的重要部分，因此結合傳感技術所獲得的反饋信息開發(fā)新型控制算法并對照明控制框架進行優(yōu)化設計，是研究人員不斷努力的方向。本文主要針對智能照明系統(tǒng)構成以及智能照明控制策略兩個方面的現(xiàn)有研究進行總結和分析。

1 智能照明系統(tǒng)構成

我國國家標準《照明系統(tǒng)和相關設備術語和定義》(GB/T 39022—2020)[6]中定義智能照明(也稱自適應照明)為根據(jù)環(huán)境或預定義條件自動調節(jié)以提供所需求質量的照明，其中“需求”涉及能源性能、動態(tài)用戶需求、視覺作業(yè)需求和環(huán)境氛圍等多個方面；智能照明系統(tǒng)的實施通常是根據(jù)環(huán)境方面的需求預先設定好程序；或者是根據(jù)外界需求的變化，實現(xiàn)對燈具的自動調節(jié)。智能照明系統(tǒng)的控制策略需要建立在其具體形式的基礎上，系統(tǒng)各模塊的構成形式會直接影響其控制策略，通常智能照明系統(tǒng)主要由照明模塊、傳感模塊、控制模塊以及通訊模塊4部分組成。

1.1 照明模塊

目前智能照明中大多使用LED作為人工光源構成照明模塊，LED是低壓半導體二極管，可以運用數(shù)字控制結合微控制器，使用調光協(xié)議進行控制[7]；此外，LED驅動簡單，響應速度快，其壽命不會因頻繁調光而受到不利影響，并且功耗低能效高，且不含汞對環(huán)境無害[8]。在LED燈調光方法方面，主要存在模擬調節(jié)方法和脈沖寬度調制(PWM)兩種方法[9]，相比于模擬調節(jié)方法，PWM調光應用簡單靈活，并且不會導致色偏移現(xiàn)象的發(fā)生，是應用前景最好的調光方式，目前相關研究也主要圍繞該調光方式開展，如寧效龍等[10]提出了基于CIE色度圖和PWM的LED調光方法，依據(jù)LED燈具的自身屬性(峰值波長與半高寬等)對人眼可視光譜范圍(380～780 nm)進行分組，再分別調控，減少了系統(tǒng)復雜度的同時能夠更快速且精準地實現(xiàn)對照明系統(tǒng)的調節(jié)；呂天剛等[11]對比了不同調光技術的優(yōu)劣，對LED燈絲燈的調光方法進行研究，其基于軟硬件結合的設計思路對LED燈珠混光調色方法進行了改進，實現(xiàn)了可調光通量大小，可混光混色以及色溫、色調調節(jié)。

目前關于LED驅動器及相關電路的研究聚焦于調光的準確性、高效性并致力于簡化電路復雜性，這為未來進一步融合傳感器的反饋信息，通過構建模型借助智能控制算法實現(xiàn)精細化的調光策略提供了基礎。

1.2 傳感模塊

傳感技術主要用于為智能照明系統(tǒng)提供環(huán)境信息以實現(xiàn)降低照明能耗、提高視覺舒適度、調節(jié)人體生理節(jié)律等目的，為此照明系統(tǒng)需要確定用戶的位置并為用戶所在區(qū)域調整相應的燈光設置，同時關閉無人區(qū)域中不必要的燈光，這其中如何感知房間的人員分布是提供精細化控制的基礎，近年來各種傳感技術，例如被動式紅外探測器、攝像頭、超聲波傳感器、藍牙以及WiFi等被用來進行人員感知[12-15]；此外，智能照明系統(tǒng)還需要能夠根據(jù)自然采光來優(yōu)化燈源的調光水平，因此光電檢測器是必不可少的，這其中如何根據(jù)傳感器空間位置及環(huán)境物體的反射影響對光電檢測器的反饋值進行建模是相關研究的重點[16]；更進一步，除了對環(huán)境的感知之外，近年來出現(xiàn)的以人為中心的照明控制策略強調人的生理及心理感受，在此類系統(tǒng)中智能手環(huán)、手表等被用于感知用戶的生理數(shù)據(jù)[17]。

1.3 控制模塊

智能照明系統(tǒng)中的控制模塊主要負責接受傳感器的反饋信息或用戶手動輸入的命令，并把相應的控制指令發(fā)送給底層照明模塊，進而實現(xiàn)調節(jié)光源、控制照明的目的?，F(xiàn)有照明控制系統(tǒng)主要可以分為集中式、分散式和分布式3種類型[18]。集中式控制系統(tǒng)具有中央控制器，其負責處理各傳感器測量值，根據(jù)測量值為每個燈具下達調節(jié)指令[19]；而在分散式照明控制系統(tǒng)中，每個燈具除了具備燈源及其驅動電路外，還擁有獨立的傳感模塊和控制模塊，因此，燈具可以基于自身的傳感器讀數(shù)來調節(jié)光源，但不具備和其余燈具的通訊功能，這也是其與集中式系統(tǒng)的最大區(qū)別。分布式系統(tǒng)如圖1所示，由于具備燈具間相互通訊的功能，每個燈具既是執(zhí)行者又是控制者，系統(tǒng)去中心化明顯[20]。Van等[21]使用辦公室照明系統(tǒng)模型對分散式和分布式控制方法進行了比較，結果發(fā)現(xiàn)，由于燈具之間不具有通訊能力，當傳感器受到日光或環(huán)境影響而發(fā)生誤測時，會使得局部區(qū)域出現(xiàn)照明不足的現(xiàn)象，這可以通過為燈具添加通訊模塊來改善，當前燈具從其余燈具處收到多個信息，并把信息與相應的因子相乘來決定鄰近燈具對區(qū)域的貢獻程度，這提高了系統(tǒng)的魯棒性。

圖1 分布式智能照明系統(tǒng)架構

1.4 通訊模塊

智能照明系統(tǒng)中的通訊模塊是保證控制系統(tǒng)“智能”的基礎，目前市面上有為室內照明專門設計的DALI協(xié)議，專注于樓宇自控的KNX協(xié)議，以及用于室內照明組網的ZigBee協(xié)議等[22]。ZigBee標準具有低功耗、近距離傳輸?shù)忍攸c，得到了互聯(lián)照明聯(lián)盟的認可，是IEEE 802.15.4 ZigBee標準的一部分，ZigBee家庭自動化、ZigBee遠程控制和ZigBee Health Care以及飛利浦Hue和GE Link智能LED等商業(yè)產品都是利用ZigBee Light Link作為光源連接的基礎[23]。王光偉[24]基于KNX協(xié)議開發(fā)了智能網關，該網關能夠連接KNX智能家居網絡，并可接入以太網、無線網等網絡，這意味著TCP/IP協(xié)議與KNX協(xié)議的相互轉換，從而達到了智能家居網絡化、智能化控制的目的。此外也有研究者關注智能照明和云平臺的有機融合，如方東[25]設計的LED智能照明控制系統(tǒng)能夠通過云平臺與紅外遙控、ZigBee相互結合的方式進行控制，通過對系統(tǒng)各模塊進行相關開發(fā)，最后實驗表明該系統(tǒng)具有低功耗、安全性高等特點。目前，關于智能照明在通訊方面的研究多關注于解決不同協(xié)議的兼容性問題；而針對設備間的無線連接方面，除了ZigBee，其他無線連接選項還包括IEEE 802.15.1藍牙4.0低功耗(BLE)和IEEE 802.11a/b/g/n/ac WiFi標準。表1列舉了各無線連接技術的性能，可以看出，ZigBee是具有低成本、低功耗、高范圍和高可擴展性的組合，適用于家庭和辦公室照明場景。

表1 無線連接技術性能比較

2 智能照明控制策略

傳統(tǒng)理解中提升照度值和顯色指數(shù)即可改善室內光環(huán)境質量，但實際中當照度值升高到一定程度時反而不利于視覺舒適和照明節(jié)能，這與提升光環(huán)境質量的目標并不相符[26]，因此需要能夠充分考慮人的行為模式和建筑的獨特性需求來制定照明控制策略，建立基于使用者視覺感受需求和環(huán)境特征的智能照明系統(tǒng)。智能照明控制策略通常需要綜合考慮包括區(qū)域人員分布、自然采光以及用戶生理信息等因素構建數(shù)學模型，進而運用智能算法來確定。

2.1 區(qū)域人員分布

區(qū)域人員分布是智能照明最基本也是最先需要考慮的信息，尤其是以服務業(yè)為主的商業(yè)建筑，黃嵐[27]選擇某商場作為研究對象，基于環(huán)境心理學分析發(fā)現(xiàn)良好的商場光環(huán)境能夠通過影響消費者的心理狀態(tài)來改善其消費體驗。商業(yè)建筑的高質量光環(huán)境影響著店鋪的吸引度和商品的展示效果，但同時導致照明能耗的提高，通常照明能耗約占整個建筑的三分之一，為公共建筑中比例最高的[26]，因此基于商業(yè)建筑內區(qū)域人員分布的不均勻性和節(jié)律性特點，根據(jù)其不同區(qū)域人員分布調整室內照明設置，可以實現(xiàn)節(jié)能的效果。

Ampenberger等[28]在保證商店空間明亮程度一致的條件下，通過區(qū)域照明代替均勻照明，實現(xiàn)了30%的照明節(jié)能；Lowry[29]通過大量商業(yè)建筑照明能耗的案例分析，得出良好控制算法的智能控制系統(tǒng)能夠極大地節(jié)約照明能耗。實現(xiàn)智能照明控制系統(tǒng)的核心問題在于對室內人員的感知識別，常見的室內人員感知技術性能比較如表2所示。攝像頭雖然被認為是精確感知房間內人員分布的一種方法[13]，但不適合一些有隱私性要求的場景。被動式紅外探測器是目前最常見的人員感知設備[30]，它根據(jù)檢測范圍內溫度的變化來推斷房間的人員分布，盡管其易于實現(xiàn)且價格便宜，但檢測精度低，無法準確檢測出長時間固定不動的用戶[31]。Dong等[32]提出使用CO2檢測器來推斷房間的人員分布，與之相類似，Candanedo等[33]提出使用溫度、濕度和聲學傳感器來推斷房間內的人員分布，但此類方法具有較高的延遲性，因此不適合對響應時間要求高的場景。

目前，由于WiFi設備普遍存在于家庭及公共場所內，因此基于WiFi定位的智能照明得到廣泛關注。Zou等[31]基于WiFi開發(fā)了具有室內人員感知的智能照明系統(tǒng)，結果顯示相比于被動式紅外探測器，新系統(tǒng)能夠實現(xiàn)80.27%的節(jié)能水平，但該系統(tǒng)是基于接收信號強度指示(RSSI)而開發(fā)，需要配合區(qū)域內用戶手機等設備才能實現(xiàn)室內定位。近年來出現(xiàn)的WiFi信道狀態(tài)信息(CSI)是網絡物理層更細膩精細的感知數(shù)據(jù)源，利用人員對無線信號的干擾，可以在不需要攜帶信號接收設備的情況下從CSI數(shù)據(jù)中推斷室內人員的位置及行為狀態(tài)[34,35]。FILA系統(tǒng)首次使用CSI作為感知數(shù)據(jù)源來實現(xiàn)室內感知，通過構建CSI值與距離之間的數(shù)學模型，以此來實現(xiàn)室內定位[36]。魯翔[34]的研究顯示利用CSI數(shù)據(jù)感知人員時，定位精度達到0.54 m，對于6種常見的人員行為動作識別精度在97%左右。商業(yè)建筑中基本已實現(xiàn)攝像頭、WiFi全覆蓋，因此實施智能照明可行性高，可根據(jù)實際情況選擇具體的控制策略，在不影響消費者消費行為的前提下，通過智能照明系統(tǒng)來降低能耗。

表2 室內人員感知技術性能比較

2.2 區(qū)域自然采光

結合區(qū)域自然光的室內照明控制，不僅能為人員提供舒適的光環(huán)境，同時能夠減少人工光源的運行功率以實現(xiàn)照明控制系統(tǒng)的節(jié)能，尤其是辦公建筑不僅需要滿足辦公桌面的基本照度需求，還需要保持適宜的室內光環(huán)境來保證使用者的視覺舒適度。視覺舒適度的定義為由視覺環(huán)境引起的視覺健康的主觀條件[37]，照度、相關色溫、視野內的亮度分布、光源顯色性、閃爍頻率、照度均勻度及眩光等客觀的物理屬性都可能成為其影響因素[38]。Lee等[39]研究表明辦公建筑中照度值會對人的視覺舒適度產生影響；而在相關色溫層面，國外照明實踐表明相關色溫對視覺舒適度也有一定的影響[40,41]。李淑嫻等[42]通過建立智能照明動態(tài)模型，采用單純形算法對模型進行求解，提出了一種結合用戶個性化需求和天然采光的智能照明動態(tài)模型，既滿足用戶人眼視覺舒適度又實現(xiàn)了建筑節(jié)能?；谧匀徊晒獾闹悄苷彰飨到y(tǒng)技術路線如圖2所示，在結合天然采光的智能照明系統(tǒng)研究中，通常運用各類智能算法最優(yōu)化調光水平，如Miki等[43]提出了一種分布式照明系統(tǒng)，通過給傳感器配備一個控制器，利用紅外通信來控制附近的照明設備，并運用可變鄰域隨機爬山方法來優(yōu)化光源的照明水平，鑒于光電傳感器的位置位于用戶工作平面上，受到周圍環(huán)境的影響較大，在實踐中控制效果并不好，于是通常將光電傳感器安裝在天花板上，但在這種情況下由于光電傳感器所在平面與用戶工作平面不同，其測量值需要經過校準處理；針對此問題，Kazanasmaz等[44]基于BP神經網絡建立了室內自然采光情況下的照度模型，通過輸入自然光的垂直照度、太陽的高度角和方位角、室外環(huán)境的溫度、照度預測點與窗戶之間的距離、室內墻面的反射率以及窗戶的數(shù)量和朝向，模型可以輸出目標點的照度值，以此實現(xiàn)了對目標點光照度的精確控制；而王金光等[45]將傳感器置于室外，通過檢測室外固定點的水平和垂直照度，利用自適應神經模糊推理系統(tǒng)建立預測模型，預測室內工作面特定點的照度；宗衛(wèi)周等[46]基于CIE天空模型并結合光學原理建立了公共場所下人造光源與自然光的混合模型，并利用蟻群算法求解得出最佳的燈具亮度組合，實現(xiàn)了舒適和節(jié)能的優(yōu)化目標；此外還有研究者將智能照明結合電動窗簾以實現(xiàn)對室內光環(huán)境的調節(jié)，如馮冬青等[47]根據(jù)太陽高度角及窗戶方位計算人眼位置處的太陽高度角，以此建立窗簾調節(jié)模型，通過調節(jié)電動窗簾的位置，并利用粒子群算法得出最佳人造光源的亮度組合。

目前對于人工照明和自然采光結合的研究大多以仿真為主要研究手段，但有研究顯示大多數(shù)智能照明控制系統(tǒng)一旦安裝在實際建筑物中，無法達到其預期的節(jié)能效果[48]，這主要是因為目前對于自然光照度模型的構建不夠精準，對傳感器反饋數(shù)據(jù)的校準過程不準確所造成的，未來還需要進一步開展大量的測試及模型改進工作。

圖2 基于自然采光的智能照明系統(tǒng)技術路線圖

2.3 用戶生理信息

目前照明控制正在向用戶個性化控制的方向發(fā)展，以人為本的智能照明也正在受到越來越多的關注，隨著物聯(lián)網、5G、LED照明以及智能家居的發(fā)展，智能照明已經成為照明行業(yè)重要的發(fā)展方向[49]。目前人居智能照明尚處發(fā)展初期，在全部智能家居產品中，消費者對智能電視的認知度高達42.6%，對智能照明系統(tǒng)了解度較低，認可度僅為13.5%[50]。人居空間的智能照明系統(tǒng)作為直接觸及終端用戶的產品，用戶的生理信息對產品的運行使用起著決定性的作用；另一方面相比于公共空間，得益于人居空間的私密性，產品可以更加自由地采用多種傳感器直接識別并采集用戶生理信息，而不涉及到隱私性等問題，更利于搭建智能照明控制系統(tǒng)。黃懿[51]基于云平臺構建了照明控制系統(tǒng)，用戶可通過互聯(lián)網絡進行遠程控制，并能夠根據(jù)自己的喜好進行調光、場景控制，同時該系統(tǒng)還具備分析人員的行為習慣對燈光進行智能控制的功能。在這種理念下，照明不僅應考慮環(huán)境因素，例如日光、時間和天氣，還應考慮個人因素，例如用戶的行為、健康和情緒；然而，每個用戶具有不同的特征，這導致每個人感覺舒適的照明條件是不同的，但是智能手機及可穿戴設備的出現(xiàn)使得個性化照明成為可能。目前照明智能控制系統(tǒng)中各類傳感器收集的信息，不僅包括環(huán)境信息(例如溫度、濕度和大氣壓力)，還包括用戶的生理信息(例如步行距離和時間、卡路里消耗量、心率和血壓等)和通信信息，這些信息為智能個性化照明環(huán)境提供了關鍵數(shù)據(jù)[52]，如衛(wèi)邦強[53]設計了一種智慧學習燈，以人眼視覺和非視覺作用為理論基礎，提出人、自然光和學習燈三者為主體的雙向學習模型，該模型可依據(jù)褪黑素、心率、體溫等人體生理信息及天氣、時間等環(huán)境信息，輸出光的相對光譜功率分布和光通量；而Cho等[17]建立了一個基于生活日志的智能照明控制平臺，平臺通過各種智能穿戴設備提供的信息，分析并從用戶反饋中不斷學習，為用戶優(yōu)化照明環(huán)境提供模型，進而營造個性化的照明環(huán)境?？傮w上看，基于用戶行為和生理的智能照明控制過程如圖3所示，主要包括數(shù)據(jù)收集、存儲、分析以及機器學習4個環(huán)節(jié)。隨著相關企業(yè)積極推進智能家居業(yè)務，用戶只需購買相應的智能家居產品，將產品接入WiFi網絡，通過手機下載相應軟件即可進行個性化設置，實現(xiàn)智能照明的目的，數(shù)據(jù)收集可通過購買安裝相應傳感器或智能家居自帶傳感器自動進行收集，數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和機器學習都可以后臺自動完成，大大降低了其使用門檻。

圖3 基于用戶行為和生理的智能照明控制過程

3 總結

目前智能照明控制策略的研究主要圍繞節(jié)能和舒適展開，其中節(jié)能方面主要聚焦于自然采光下人工光源的控制方法的研究上，如基于各類傳感器構建更精準的室內照明模型，利用各類優(yōu)化算法求解最佳照明組合等，但是相關研究成果大多處于仿真階段，未來應結合實際測試構建更精準的模型。對于舒適方面主要圍繞用戶生理和行為開展研究，現(xiàn)有研究已經可以根據(jù)傳感器采集相關用戶信息，構建模型對照明系統(tǒng)實施調控，但大部分研究僅關注用戶的行為，基于用戶生理信息的控制策略仍不夠多。此外，照明系統(tǒng)與其他智能設備的互聯(lián)互通仍然不夠，未來可以結合云平臺加強對各協(xié)議的兼容性，并進一步與智能家居等系統(tǒng)共同構建智慧云平臺。