智能照明系统控制策略研究综述

智能照明系统控制策略研究综述
摘要：近年来，随着LED照明技术的发展趋势，照明的控制和操作得到了很大程度的加强。

这为物联网、云计算技术、数据控制系统、传感器技术和人工神经网络技术等智能技术的引入提供了基础。

为了满足提高照明舒适度、高节能水平和方便实际操作的照明要求，智能化系统逐渐成为照明运行的发展趋势。

与传统照明相比，智能照明可以达到安全、节能、舒适、高效的总体目标。

因此，智能照明在家庭、办公、商业服务和公共设施领域具有较强的发展前景。

随着我国智能照明产品研发和生产技术的快速发展以及品牌推广力度的加大，智能照明在该领域的应用有望普及。

关键词：智能照明；系统控制；策略
1智能照明概念及现状
1.1智能照明概念
“智能”是指具有人类或类似人类智能特征的能力，表现为在实现某一目标的过程中，通过感知、决策和执行的一个或多个过程或过程循环，并不断地从中学习以提高实现目的的能力、效率与效果。

为实现产品的“智能”技术或技术解决方案，称为“智能技术”，它综合体现了现代通信与信息技术、计算机技术、软件技术、网络技术、控制技术、测量技术、音视频技术、机电技术等的内容。

智能照明可以理解为一种应用了智能技术，具有感知、决策、执行、学习、反馈等能力，并综合利用这些能力达到预定照明效果的应用。

1.2智能照明现状
传统的照明行业已经处于市场竞争白热化，服务、产品同质化严重，企业利润呈现微薄甚至负利。

在这般的市场中竞争，此起彼伏的价格战，最后两败俱伤的情形经常出现，可以很形象的称为处于“红海”阶段。

于是各大企业呈现出转型升级地趋势，集中在智能照明的方向中尤为明显。

以佛山照明、欧普、三雄极
光、雷士、阳光照明等为首的大型照明企业都在不断建立智能化标签，甚至有互
联网、家电企业跨行业加入智能照明领域，如华为、百度、小米、涂鸦智能、科
大讯飞、联通物联网、中国电信物联网、阿里巴巴等，该领域目前处于“蓝海”
阶段，各公司都在某个领域有自己的特点或优势，就能获取一定的利润与市场。

加上近年来随着居民生活水平的持续提高，消费观念的逐步改变，消费者更愿意
看重高品质和体验感，而智能照明能够很好的给人们生活带来便利与新鲜的体验，这为智能照明的发展带来了不少机遇。

但是由于目前技术百花齐放，没有统一的
标准和权威认证，导致市场培养以及宣传的缺乏，使消费者很难直接为产品功能
买单。

2智能照明系统构成
2.1照明模块
目前智能照明中大多使用LED作为人工光源构成照明模块，LED是低压半导
体二极管，可以运用数字控制结合微控制器，使用调光协议进行控制[7];此外，LED驱动简单，响应速度快，其寿命不会因频繁调光而受到不利影响，并且功耗
低能效高，且不含汞对环境无害。

在LED灯调光方法方面，主要存在模拟调节方
法和脉冲宽度调制(PWM)两种方法,相比于模拟调节方法，PWM调光应用简单灵活，并且不会导致色偏移现象的发生，是应用前景最好的调光方式，目前相关研究也
主要围绕该调光方式开展。

2.2智能照明系统框架
智能照明系统包括以下组成部分：智能照明服务平台、智能照明网关、路由器、智能照明控制器、照明设备(灯具)及可选配的传感器、智能照明控制操作终端、开关面板等组成。

以传感器为主控的系统，由传感器收集环境与照明关联的
信息，转变为输入信号作用于智能照明控制器，为控制器发出照明控制指令的决
策提供依据，最终指令作用于照明设备(灯具)，从而实现智能照明控制。

以智能
照明操作终端为主控的系统，终端将照明划分为了不同的应用场景，通过运行操
作软件、触摸屏幕、手势或语音等方式可以实现远程/现场对智能照明控制器和
照明设备(灯具)的控制。

以智能照明服务平台为主控的系统，通过智能照明服务
平台设定好的应用服务、决策方案、实时监控数据等程序，对智能照明控制器和
照明设备(灯具)进行控制与远程管理。

由于智能照明系统还可以与智能家电系统、楼宇控制系统和其他智能系统相互集成，因此智能照明系统的组件可以与其他控
制器和其他云服务平台进行连接，以实现互联、共享信息以及协同工作。

2.3传感模块
传感技术主要用于为智能照明系统提供环境信息以实现降低照明能耗、提高
视觉舒适度、调节人体生理节律等目的，为此照明系统需要确定用户的位置并为
用户所在区域调整相应的灯光设置，同时关闭无人区域中不必要的灯光，这其中
如何感知房间的人员分布是提供精细化控制的基础，近年来各种传感技术，例如
被动式红外探测器、摄像头、超声波传感器、蓝牙以及WiFi等被用来进行人员
感知;此外，智能照明系统还需要能够根据自然采光来优化灯源的调光水平，因
此光电检测器是必不可少的，这其中如何根据传感器空间位置及环境物体的反射
影响对光电检测器的反馈值进行建模是相关研究的重点;更进一步，除了对环境
的感知之外，近年来出现的以人为中心的照明控制策略强调人的生理及心理感受，在此类系统中智能手环、手表等被用于感知用户的生理数据。

2.4智能照明系统控制协议
控制协议(通讯技术)，是智能照明行业发展的根本，在控制系统中需要通过
网络化控制将各层设备相互连接，从而让各部件互相通信达成协作。

控制协议可
分为以下3个层级：1)LED照明控制装置与灯具电源之间，有模拟接口如0-10V
或PWM协议，这也是最早在电子镇流器采用过的成熟通讯控制技术，现在仍有普
遍应用。

也有数字接口，典型为数字可寻址照明接口(digitaladdressablelightinginterface)DALI协议，目前该协议已标准化，加
上长时间的使用已是一项十分成熟的技术。

2)LED照明控制装置与网管/路由器、
传感器、开关面板终端等设备之间，也称之为本地控制。

有Wi-Fi无线局域网、ZigBee协议、蓝牙Mesh协议、电力载波通信协议(PLC)、DALI、RS-485通信接
口等。

它们可以用无线技术、总线技术、电力载波技术等不同的连接技术加以区分。

顾名思义无线技术是无需另外设计布线，如Wi-Fi、ZigBee、蓝牙，它们具
有操控灵活简单，便于升级，成本低等特性；总线技术，需要专门的有线线路将
所有设备与控制集中在一条总线上，如DALI、RS-485通信接口，控制十分精准，但对于已完工的照明设施应用升级改造比较繁琐；电力载波
PLC(PowerLineCommunication)，是一种利用了电力线传输数据的控制方式，具
有国际标准协议，无需重新布线，但控制灵活程度相对较低。

3)智能照明服务器、手机APP与网管/路由器之间，一般取决于以太网、NB-IoT、光纤接入网、互联
网4G/5G技术。

2.5控制模块
智能照明系统中的控制模块主要负责接受传感器的反馈信息或用户手动输入
的命令，并把相应的控制指令发送给底层照明模块，进而实现调节光源、控制照
明的目的。

现有照明控制系统主要可以分为集中式、分散式和分布式3种类型。

集中式控制系统具有中央控制器，其负责处理各传感器测量值，根据测量值为每
个灯具下达调节指令;而在分散式照明控制系统中，每个灯具除了具备灯源及其
驱动电路外，还拥有独立的传感模块和控制模块，因此，灯具可以基于自身的传
感器读数来调节光源，但不具备和其余灯具的通讯功能，这也是其与集中式系统
的最大区别。

由于具备灯具间相互通讯的功能，每个灯具既是执行者又是控制者，系统去中心化明显。

3现有智能照明系统评述
3.1单一生态平台模型数据收集缺乏
目前厂商一般提供单一生态平台，囊括了云端服务器、网关/路由器、控制器、灯具设备等都通过厂商统一的自主开发的连接技术进行互通、用自主平台进
行数据处理与监控。

导致由于厂商自身技术主打区域的限制，造成其他领域技术
引用匮乏。

因厂家自有生态封闭性，面对来自不同领域技术的智能设备无法彼此
实现数据共享，互通互控，使得智能照明难以大数据化，去支撑起更为智能的
“大脑”。

3.2区域自然采光
结合区域自然光的室内照明控制，不仅能为人员提供舒适的光环境，同时能
够减少人工光源的运行功率以实现照明控制系统的节能，尤其是办公建筑不仅需
要满足办公桌面的基本照度需求，还需要保持适宜的室内光环境来保证使用者的
视觉舒适度。

视觉舒适度的定义为由视觉环境引起的视觉健康的主观条件,照度、相关色温、视野内的亮度分布、光源显色性、闪烁频率、照度均匀度及眩光等客
观的物理属性都可能成为其影响因素。

3.3“人为”特征仍占主体
目前的智能照明设备强调决策以及学习特征，但目前的智能特征仍然没有较
好地被表现以及实践，人为特征仍然占主体，这种不足具体表现在许多操作上，
仍需人为操作手机APP或控制面板终端实现分场景控制，而非真正意义上的“智能”。

导致此问题的主要原因还是缺少“数据化”，没办法支持智能照明系统实
现从感知到决策到学习的全过程。

3.4用户生理信息
目前照明控制正在向用户个性化控制的方向发展，以人为本的智能照明也正
在受到越来越多的关注，随着物联网、5G、LED照明以及智能家居的发展，智能
照明已经成为照明行业重要的发展方向。

目前人居智能照明尚处发展初期，在全
部智能家居产品中，消费者对智能电视的认知度高达42.6%,对智能照明系统了解
度较低，认可度仅为13.5%。

人居空间的智能照明系统作为直接触及终端用户的
产品，用户的生理信息对产品的运行使用起着决定性的作用；另一方面相比于公
共空间，得益于人居空间的私密性，产品可以更加自由地采用多种传感器直接识
别并采集用户生理信息，而不涉及到隐私性等问题，更利于搭建智能照明控制系统。

3.5不同智能平台实现云互通模型，大数据AI
智能照明设备应可和其他智能设备协同工作，成为整个智能系统中重要的组
成部分，互相共享数据实现实时动态的对环境中各项指标如室外天气、人体生理
信息、室内温湿度、空气质量等进行监控处理，突破自身生态壁垒，平台云互通、本地连接设备互通。

如人体智能手环能够实时监测血压、心率等人体生理信息，
并反馈到手环自身服务器平台，与智能照明服务器平台通过云端进行数据共享，
引入智能AI的分析控制，使之控制照明设备合理切换出对应舒适的光照场景。

4结论
目前智能照明控制策略的研究主要围绕节能和舒适展开，其中节能方面主要
聚焦于自然采光下人工光源的控制方法的研究上，如基于各类传感器构建更精准
的室内照明模型，利用各类优化算法求解最佳照明组合等，但是相关研究成果大
多处于仿真阶段，未来应结合实际测试构建更精准的模型。

对于舒适方面主要围
绕用户生理和行为开展研究，现有研究已经可以根据传感器采集相关用户信息，
构建模型对照明系统实施调控，但大部分研究仅关注用户的行为，基于用户生理
信息的控制策略仍不够多。

此外，照明系统与其他智能设备的互联互通仍然不够，未来可以结合云平台加强对各协议的兼容性，并进一步与智能家居等系统共同构
建智慧云平台。

参考文献：
[1]张伟.智能照明系统的特性评价研究[J].中国照明电器，2021,(4):1-4.
[2]胡进，吕征宇，林辉品，等.LED照明应用现状特征及驱动技术发展综述[J].电源学报，2021,16(1):135-144.
[3]杜世成，刘臻，张建华，等.智能控制系统在照明中的应用[J].电源技术，2021,37(6):1052-1054.。