智能照明系统及其使用案例和工业应用潜力分析

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-03-15 09:29 热度：

　　摘 要：随着社会的发展和生活水平的提高，照明用电在逐年提高，因此利用智能照明系统，减少用电消耗，具有很好的应用价值。同时智能照明系统可以根据用户的行为和偏好调整可用的光，这能为室内工作人员创造良好的空间照明环境，减少视疲劳，提高工作效率。不过到目前为止，智能照明系统在支持工业过程方面的潜力并没有引起太多关注。因而，文章将对智能照明系统及其潜在的好处展开讨论，然后介绍几个使用案例，强调智能照明如何降低能源成本，改善工业企业的运营流程。

　　关键词：智能照明;绿色建筑;照明控制;可见光通信

　　1 概述

　　在过去的几十年中，二氧化碳排放量不断增加，这被认为是造成温室效应的关键因素。生产和物流设施由于其高能量需求而在这些排放中占很大份额。在此类设施中使用的大部分能源是通过供暖、制冷、空调和照明设备消耗的。较早的研究表明，照明在仓库中的能耗占总能耗的65%，因此，降低照明的能耗可以极大地降低能源成本。面对降低环境影响的社会压力，很多公司正在寻找使工厂绿色环保的新方法。那么，通过节省大量能源的现代照明系统就可以实现绿色运营。

　　除了照亮工作场所外，现代照明系统还可以通过各种方式促进工作生活并为人类工作提供支持，其潜力远不止节能。但是，许多公司仍未完全意识到现代智能照明系统所带来的好处。因而，本文概述了智能照明系统以及与这些系统相关的潜在好处。然后，我们提出一些用例，来突出说明智能照明如何降低能源成本并改善仓库等工业环境中的操作流程。

　　2 智能照明系统的构成

　　随着诸如发光二极管(LED)的新照明技术的发展，住宅、办公室和街道照明的创新应用已经在市场上出现。由于其多功能性和低能耗性，现代照明系统通常依赖于 LED。此外，LED 具有各种控制选项，可用于使照明“智能”。

　　智能照明系统基于 LED 的电气控制。它们使光源联网，并使用传感器将光强度调整为外部因素，例如日光或用户的行为。智能照明系统是环保的，并且其可改善照明设备的功能安全性。

　　LED 是大多数智能照明系统的核心。它们的主要优点是，与传统的灯泡相比，它们需要的能量要少得多。例如，对于家庭或街道照明，LED 的发光效率约为100 lm/W，而在工业应用中则高达 200lm/W。 它 们 的 寿 命 从 50, 000 到 100,000 多个小时不等。相比之下，白炽灯泡的功率约为 15 lm/W，荧光灯的功率约为 100lm/W，并且预期寿命比 LED 短得多。除了节省能源外，LED 还提供了改进的光色和光谱适应性，以及与位移量无关的强大的鲁棒性和稳定性。同时，LED 在较低的环境温度下效率更高，并且不会导致热辐射，与传统的光源相比，这共同导致维护成本降低。同时 LED 灯具可以适应客户的特定要求，也可以作为常规灯具生产。

　　除了光源本身，照明质量还取决于几个因素，例如安装高度、照明设备的间距、照明角度和表面特性。照明控制可以帮助减少能源消耗，防止能源浪费并增加视觉舒适度。控制照明的一种流行方法是通过运动或传感器来检测运动，因此能够观察空间是否被占用。根据该信号，系统通过打开/关闭灯或降低/增加照明强度来调整照度级别。类似地，日光传感器用于提供其他人造光(如果需要)以达到用户要求的照明水平。传感器控制的光可降低能耗，并在不限制安全性或功能的情况下，根据用户的需要单独调整光的条件。对此类系统进行仿真或观察其在实际应用中的性能的研究表明，基于占用的照明控制可能会节省 17% 到 60% 的能源，而据报道，日光传感器可以节省超过 10% 的能源。与传统照明相比，能耗降低了 40%。同时使用两种类型的控制系统，可以平均节省 13%至73%。影响节能的其他因素包括窗户的尺寸和方向、可用的日照时间以及使用的模式等。据报道，迄今为止，在办公楼里节省的能量最高。

　　由于互联网的能力，将智能照明系统集成到现有的建筑物管理技术中成为可能，因此可以对其进行集中监控和控制。这有助于通过传感器检测由于污染或老化而导致的 LED 瞬时功率下降。该数据可用于更准确地定义维护间隔，这也有助于减少因中断而导致的计划外维护操作。另外，持续监控照明系统的智能维护工具可以用来识别错误的来源以及其他基础设施可能带来的后果。

　　除了上述效果之外，由于可见光通信(VLC)技术，智能照明系统还支持无线网络访问。VLC使用光电二极管检测信号的发射器(例如 LED)，传播通道和接收器(例如智能手机或平板电脑)。按照调制方案，LED会快速打开或关闭，以使用强度调制来传输数据。由于发送器和接收器之间的通信只能在视线内进行，因此需要相应地布置 LED。该技术提供了高度的数据保护，因为只有视线 内的接收器才能接收信号。VLC还可以在无线信号受到干扰的地方使用，并且与类似的无线技术相比，VLC 不会发出辐射。基于此技术的直接应用是基于 VLC 的室内定位系统(IPS)。室内定位或定位旨在确定对象或个人的空间位置。不过准确的定位是有一定难度的，现有的全球定位系统(GPS)不适用于许多室内应用。因此，已经有开发出了使用诸如 Wi-Fi 的射频(RF)系统对对象进行定位的技术解决方案。与基于GPS 或其他基于RF的系统相比，基于VLC的 IPS 使用建筑物的照明基础设施可以实现更准确的定位。

　　下面我们就智能照明在住宅、办公室以及街道的应用展开讨论。

　　3 办公室、住宅建筑和街道中的智能照明系统

　　迄今为止，智能照明系统在办公中的应用吸引了大量关注。那么，在办公室中提供最佳的照明条件是一个复杂的问题。在办公室中，光量的简单增加并不一定会提高计算机显示器的可视性，而通常会提高(纸质)文档的可读性。自动控制系统可以根据日光和占用率提供可调节的光线，以满足不同的用户需求。在办公室中，基于传感器的照明是控制光以达到适当照明水平并节省能源的重要工具。此外，这种照明可以提高员工的注意力、创造力和绩效。因此，照明控制会影响整个房间或仅影响单个工作场所。并且将色温适当的调整可显著提高员工的生产率。例如，冷却后的白光和色温的显著增加，可以为休息后员工的注意力和集中精神提供了条件。

　　住宅环境中的智能照明系统可通过同时考虑照明控制和可再生能源的产生(例如来自太阳能系统或热泵的方式)来帮助节省能源。能源管理系统可以控制能流以平衡能源供需。在智能家居环境中，智能照明系统由于其提供的各种功能可以为用户的日常生活提供支持。智能家居技术使多个设备(例如智能手机)可以无线访问家庭网络，并且它们可以使其中一些设备彼此通信。当前市场上可用的大多数智能家居技术都在 RF 频谱中运行。缺点是在用户数量众多和系统安全性较差。那么，VLC 系统可以作为家庭网络的数据传输和无线访问的替代方案。鉴于光线无法穿透墙壁，这种形式的数据通信可以防范未经授权的外部访问。此外，与传统的基于RF的技术相比，VLC 还提供了更高的数据传输速率。

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　　除了室内应用之外，以街道照明为重点的室外照明也是使用智能照明系统的领域。在这里，照明条件取决于许多因素，例如照明设备的类型、光斑的安装高度、最佳照明设备间距或路面特性。智能照明系统可以借助传感器和数据测量来调节光线，从而提供更好的照明条件，并且它们可以改善整体视觉性能和舒适度，还可以节省能源。在这种情况下，仅在检测到用户的情况下打开路灯，同时将亮度调整到给定条件，才能对运动和占用进行检测。除了减少能源消耗外，这样减少了光污染，可以为生态可持续性做出重要贡献。

　　4 工业环境中智能照明的潜力及相应优势

　　不过令人惊讶的是，迄今为止，工业上使用智能照明系统的潜力尚未引起很多关注。智能照明解决方案在解决与行业相关的问题方面的潜力难以一一列举，由于其同质性更高，因此对于办公室或住宅建筑物而言，这要容易得多。在工业中，最佳照明条件取决于具体活动。例如，生产区域，质量控制和订单挑选有时需要很高的照度水平才能进行视觉工作，在许多情况下，这些水平远高于规定的最小值。例如，对于涉及小物件的工作，除了常规的房间照明外，还可以使用特殊的工作场所照明。特殊的工作场所照明为视觉工作的定义区域提供了额外的照明。工作场所照明对于质量控制尤其重要，常规的房间照明通常不足的地方，工作站有时被诸如大型机器或工件之类的物体遮蔽的地方。必须根据要检查的产品量身定制照明，并考虑其表面结构、颜色、反射、尺寸以及检查过程的持续时间。对于光滑或透明物体的检查，漫射、均匀且无阴影的光线可提供良好的工作条件，其中从多个角度定向照明可更容易检测由于阴影效应而导致的表面结构的划痕和裂缝。LED的适应性使其可以根据使用情况满足应用要求。

　　除了便于处理小物体之外，良好的视觉条件还有助于防止车间发生事故。有数据表明，正常房间或特殊工作场所的照明在生产区域提供充足的光线，可以提高工作准确性和产品质量。从我们所讨论的应用看，照明器需要具有防潮、防尘、防振和温度变化的功能，并且可能必须满足最高的卫生标准，尤其是在食品工业中。

　　通常，工程经理的一个目标是通过考虑特定的操作要求和人力资源方面来重新设计工作区域，以提高生产率、质量和安全性。他们降低生产和物流设施能耗的最简单方法是用 LED 改造现有的照明系统，这也是使用智能照明控制系统的良好起点。智能照明系统使公司能够提供根据工人需求调整的光强度。根据生产和物流设施中可用的日光量或根据工作人员的在场情况，可以调整人造光以提供所需的照明水平。另外，可以设置照明区域和轮廓以满足每个工人的个性化需求，这可以轻松地适应布局更改，而无需更改照明组件。LED 可以产生不同的照明水平和色温，以促进工人的健康，并改善操作性能。通过进一步考虑人员需求，可以通过使照明适应工人的日常节奏来减少轮班工作的负面影响。

　　以基于简单的开关来控制仓库中的传统照明系统为例，在仓库运转时，通常会完全打开灯，这就导致区域照明，即使仓库工人当前未使用这些区域，也会导致不必要的能源成本。在仓库中，可以在每个过道中使用传感器来检测工人的存在并相应地调节照明。根据外部因素和工人的行为，可以调节照明水平以提供所需的光。

　　通过使用 VLC 可实现设施节能、稳定和快速的数据传输。基于现有的LED 照明，VLC可以集成到照明系统中，并用于Wi-Fi受到干扰的地方，例如，建筑物或使用中的设备。VLC的潜在用途表现在拣货仓库中，手持设备可以通过 VLC 技术在预定区域中接收数据。这就能保证只有被授权接收相关信息的员工才能访问该信息，因为只有视线中配备有必要工具或访问代码的接收器才能接收数据。结果，VLC 提供了强大的数据安全性并确保了高水平的数据保护。

　　VLC 还可以支持室内定位应用，例如，跟踪订单拣选人员和仓储设备的位置。该信息可用于指导工人穿越仓库，以最短的距离到达所要求的物品，或者在其他订单到达仓库时实时更新行程。结合照明控制，位置数据可用于仅照亮工人所在的那些过道。例如，在仓储环境中使用智能照明系统将直接降低能耗，也可能有助于降低运营成本。最后，根据收集到的位置数据创建仓库热力图，还可以帮助分析过道的使用情况。

　　智能照明系统具还有多方面的优势，其重要性可能会根据应用程序的特性而有所不同。例如，在办公室、生产车间和仓库中，这些系统可以发挥其全部特点，例如在车削和铣削过程中以高精度工作。除了室内应用之外，智能户外照明系统还可以用于导航、事故预防和减少犯罪。不过在其他地区，例如交货和装载地点，通常以人员大量出入和频繁的库存调动为特征，智能照明的好处可能会降低(因为在这些区域中不需要个别的，特定于工人的照明区域)。 5 总结本文介绍了智能照明系统及其在工业环境中的潜力，并参考了一些领域(如智能家居和办公室)的一些见解。我们注意到，尽管改善照明条件应该是工程管理人员的重要目标，但迄今为止，在工业环境中使用智能照明系统尚未引起太多关注，因为这可以提高生产率，提高质量并减少事故发生 。智能照明系统通过降低能源需求和提高工人的福利来进一步提高可持续发展目标，从而改善照明质量，它们还支持照明以外的应用。本文表明，将智能照明系统应用于工程管理，尤其是在质量控制、维护、手动生产或手动订单拣选中，具有很大的潜力。尽管具有优势，但智能照明系统尚未在行业中广泛使用。这可能是因为社会尚未完全意识到智能照明系统可能提供的好处。因此，我们需要逐案评估此类系统的好处，使其能早日广泛应用于各个领域中。——论文作者：姚传山

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文章名称：智能照明系统及其使用案例和工业应用潜力分析

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