能源和建筑外文翻译资料

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能源和建筑

摘 要

如今社会正在推动建筑物中无所不在的互联网和设备的互联互通这一发展。新一波具有嵌入式电子设备的传感器和无线连接的智能设备可以收集，处理和交换数据。物联网（IOT）包括无线传感器网络，家庭自动化，移动设备和照明控制系统。智能照明系统从传统照明控制发展而来，尤其令人感兴趣的是通过引入来自集成传感器的反馈光的自主控制，用户数据，云服务和用户输入带来许多好处，包括增加的节能，增强自身的功能和以用户为中心的照明。在本文中，我们回顾了当前在智能照明技术方面的发展状况，专注于节能，商业和先进的智能照明系统。此外，我们还提出了一个关于智能照明连接选项的潜力的审查和讨论可见光通信技术的进步。

关键词：智能照明、节能照明、照明控制、LED、可见光通信、ZigBee的物联网

1. 介绍

智能照明的前进方向对物联网（IoT）的兴趣日益浓厚，这是一个关于网络互连日常物体配备无处不在的智能化系统通过智能照明有助于照明和智能电网系统之间的距离不断增长。照明技术发展的下一个步骤是智能照明系统通过利用用户输入和集成传感器的反馈来操纵产生光输出，创新了传统的照明控制。智能照明系统的潜在益处是多方面的，最主要的是增加节能。作为一个目标，这个新兴的研究领域的大部分工作都集中在于有效的驱动LED实现最大的节能。事实上，采用节能照明控制的系统通常比传统的照明控制节能17％至60％，取决于居住者的使用模式。这些节能智能照明系统一般都安装在办公楼，因为它们具有最高的降低电耗的潜力，并且相对比较直接地进行改造。除此之外，智能照明可以用来提高光质量，调节昼夜节律，提高生产力，加速植物生长，并实施以人为本的照明等等。因此，可以认为，智能照明系统的进步将会对工业应用，科研和建筑管理，光质量控制等人体生理学的研究产生积极的影响。

而且，近年来传感技术的进步解决了一大批以前不可用的反馈信息。准确的占用信息，如用户的位置和活动，微光谱仪的光谱数据以及色度和照度分布等丰富的信息可用于开发智能算法，从而提高智能照明系统的能效，用户满意度，舒适度，光质量和功能性。此外，兼容技术，如可见光通信（VLC）也可以设计用于与新型智能照明平台集成。

用于一般照明的高亮度发光二极管（LED）的出现对于智能照明研究和应用。 LED具有出色的调光能力和窄的峰值带宽，可以对产生的光谱功率分布（SPD）进行很大程度的控制。此外，它们还具有低功耗，瞬间切换时间和长寿命，使其成为多通道照明系统的理想主发射器。 LED照明革命正在全面展开，预示着照明控制技术的新时代。

智能照明发展的未来是一个多学科的研究领域，因为它有可能成为能源关键研究领域的平台。高效建筑，楼宇管理，通讯，人体健康，光生物学和人体生理学到我们的客厅，商业建筑和办公室。很明显，智能照明的未来是光明的;然而，其广泛采用的障碍包括平均节能回报，不能证明最初的投资成本，功能不足以及缺乏可靠的光质量控制。事实上，根据“华尔街日报”最近发表的一篇文章，包括智能照明产品在内的智能家居产品在商业市场上的表现并不尽如人意。很明显，在智能照明产品成为普通用户的吸引力之前，还有很大的提升空间。智能照明系统的功能需要大幅度扩展，集成有用的功能，如提高能源效率，提高光质量，调节昼夜节律，以用户为中心的照明，都是以单一的框架。这可以通过开发新颖的控制算法和鲁棒的多通道智能照明框架（图1中的示例）的周到设计来实现。

本文回顾了现有的室内使用（住宅和办公室）智能照明平台，并讨论了诸如自主控制算法，连通性，应用及其优点和障碍，从而对当前的技术状况进行综合描述。除节能特点之外，与其他主要集中在节能方面的调查相比，我们全面调查了商业照明系统，先进控制方案和VLC技术集成。

本文其余部分组织如下。第2节回顾各种智能照明平台，包括商业智能照明系统，节能智能照明系统和先进的智能照明控制系统;第3节将介绍一下当前智明照明连接选项，重点介绍流行的无线ZigBee标准;将可见光通信集成到智能照明系统中进行评述。第4节在第5节中，概述了即将到来的智能照明系统，并简要讨论了它们的潜力。最后，第6节提供了一个简要的总结和我们的结论性意见。

图1.无线8通道智能照明系统框架示例

2. 智能照明平台

智能照明系统可以大致分为三个不同的类别：

（i）商业智能照明系统：这些智能照明系统可以供应现货。他们通常关注系统美学，移动控制，以及用户输入，偏好和数据的整合

（ii）节能智能照明系统：通过实施有效的节能控制系统，最大限度地提高能源效率的智能照明系统，集成节能方案。

（iii）先进的智能照明控制系统：这些智能照明系统可以优化关键照明指标，超越照明，获得对生产的光输出的更大程度的控制。 这些控制系统通常是在具有两个或多个可调主发射器的照明系统上开发的。

2.1 商业智能照明系统

高亮度LED的出现打开了商业智能照明系统的大门，在全球市场上占有一席之地。 LED的固有可控性，以及众所周知且易于销售的高能效，是促使各大照明公司投资智能照明系统发展的因素。 这些智能照明系统的早期迭代允许用户使用移动设备（通常为个人智能电话）来控制其灯泡的颜色，相关色温（CCT）和亮度， 这使得用户能够更好的地控制他们的灯光，而不是自从首次引入电子照明以来一直是标准的双态（开/关）控制系统。

然而，这些早期智能照明系统的启动成本较高等多种因素导致其采用率较低。 事实上，智能照明系统仍然被看作是奢侈品购买，与传统的照明技术相比几乎没有任何好处。 背后的一个原因是这些系统的功能有限，特别是在成本高的情况下。 简单地说，好处不会超过成本。

飞利浦Hue系列也许是商用智能照明系统最知名的例子。 Huesystem由无线RGB LED灯泡和基于ZigBee的无线控制桥组成。 色调灯泡的主要卖点是新奇; 它向世界各地的消费者介绍了照明控制的概念，而不是简单的开/关切换。 在功能上，它允许用户创建脚本来改变灯光状态。这为灯光带来了一些有趣的用途，例如当你收到来自你的管理员的电子邮件时，灯光闪烁红灯，当你到达家时灯亮 viageofencing或使灯在CCT整天在您的日程安排。 此外，RGB通道强度也可以单独控制。

在顺化成功的基础上，欧司朗和通用电气等其他照明公司也开始投资智能照明系统。如今，GE Link，欧司朗Lightify，LIFX，Belkin WeMo等市场上有大量的智能照明解决方案， LightWaveRF和Elgato Avea等等。 所有这些智能照明系统的功能与原来的PhilipsHue没有多大差别; 只有实施的方法，LED通道数量和连通性有所不同。 表1显示了一些大众商业智能照明产品的总结。 这些产品的一个显着的相似之处在于强调美学和移动控制。 事实上，商业智能照明产品几乎总是包括一个免费的跨平台的移动应用程序，作为用户界面，允许用户调整光输出和控制各种参数。 在这方面，商业智能照明系统感觉很好，远远领先于用于研究目的的智能照明系统。

表格1著名的商业智能照明产品摘要

不幸的是，这些商业智能照明产品还有许多问题需要解决。首先，这些平台没有整合传感器的选项来提供关于直接环境的反馈。因此，这些灯光不能充分发挥其作用，因为它们主要依靠用户输入和云数据来实现其智能算法。传感器的集成可以通过提供一个新的数据源来处理灯光的自主控制，从而增加智能照明的功能和有效性。此外，高成本的入门和有限的功能也是需要解决的采用的重大障碍。也许可以说，集成传感器的纳入将会对智能照明产品的成本产生负面影响。然而，有理由认为，高质量照明和增加节能等额外优势可能会导致对智能照明的兴趣增加，因此采用率不断提高，从而降低了规模经济所定义的生产成本。

2.2 节能智能照明系统

传统的照明控制完全依靠乘客在不使用时关闭或调暗灯光。 然而，大多数用户对照明开关的重视程度不够，导致不使用时开灯的灯光和照明区域。 为此，开发了许多新型的照明控制系统，以减少照明能耗，同时通过自动照明控制保持高度的乘客满意度和舒适度。 常见的节能技术包括手动调光，占用感应和日光采集，因为与传统照明系统相比，这些技术通常会带来出色的节能和近乎相同的照明性能。

不幸的是，节能照明系统的广泛实施还没有实现，可能是由于报告结果的巨大差异，可能会或可能不会导致较高的初始投资成本。事实上，这个领域的大部分研究都是通过模拟或在实验室环境中进行的，这可能会引起对其实际性能的怀疑。此外，调查节能照明系统的调查揭示了用户可接受性和长期可用性方面的重大问题。有趣的是，Eil-ers et al。假定当照明控制存在时，人们可能改变他们的正常行为，基于在11个月期间在63个私人办公室进行的研究。据作者们介绍，在占用传感器离开空间时，乘员的“放光灯的可能性减少了一半”。事实上，由于安装节能照明系统的超时时间过长，手动关闭照明灯会导致额外的节能30％。这一发现得到了Jenningset等人的支持，他发现人们通常在占用传感器的办公室中选择最大光输出的95％，而在对照组中的占89％。这引起了的作者的猜测，即对自动照明控制的依赖导致选择“除全照明以外的开关设置”的可能性较低。

另一方面，最近在传感和微控制器技术上的进步为改进节能照明系统打开了大门，这种照明系统建立在新颖的智能照明平台上。 从系统设计到综合传感器，实现智能算法，从整体上解决能效问题是十分必要的。 节能技术的组合可以用来解决个体技术的基本问题，以提高能源效率，提高用户满意度和降低成本为目标。 本节将对这些节能技术进行个别的综合评估。

2.2.1传感器系统

传感器系统是一种流行的节能技术，因为其易于实施和有效。事实上，在北美和欧洲的建筑规范，标准和推荐实践文件中，占用传感技术已经被大力推广。简单占用传感器的集成可能导致节能3-60％，这取决于使用者的使用模式。占用感应系统依靠占用感应器来检测感兴趣的环境中的运动或人员占用。然后来自传感器的反馈用于控制对应于该特定空间的灯的状态。占用数据可以通过大量的占空传感器，光栅和压力传感器，甚至是为节能目的而安装的现有基础设施来获得。例如，Melfi等人提出了一种通过监测路由器和无线接入点中的MAC和IP地址来使用现有网络基础设施来测量建筑物占用的方法。

目前的占用传感技术通常基于单点检测技术，单个感应器收集的数据不与其他楼宇管理系统共享或保存以供进一步分析。这可能会在传感器反馈数据中潜在地引入显着的不确定性，特别是如果照明系统未经专业调整或校准的话。通常会引入预设的时间延迟（通常为5-30分钟）以补偿这种不确定性。然而，这种方法通常会导致能源浪费增加，尤其是对于零星使用模式的空间。时间延迟是一个折衷，因为较长的时间延迟会导致乘客活动中断，但功耗较高，反之亦然。如果时间延迟没有得到适当的校准，这些节能照明系统甚至可能比普通的手动控制的照明系统更节能。占用传感系统面临的另一个挑战是有限的传感器视野。通常情况下，由于用户位于传感器覆盖区域之外，灯光被关闭，有时会导致用户禁用安装的传感器。表2总结了一些基于传感器的节能系统的性能。

表2 基于占用传感系统的性能总结

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