物聯網技術在照明領域的應用現狀(上)

冰球突破技巧及介绍 www.lowjg.icu  2018-11-23 來源:阿拉丁照明網        作者:査利君       

物聯網技術形同一種催化劑,推動了照明行業的加速轉型升級,無論是室內的家居照明,還是室外的商業照明,均爆發性生長,所以總是有專業人士預計在哪一年物聯網節點會達到多少個億,其實在這個數量級別里面有一大份是由照明節點組成。

一、物聯網進入照明領域,勢不可擋

物聯網

物聯網概念在2005年被正式提出,2009年中國提出感知中國,物聯網進一步被提升了地位,被正式列為國家五大新興戰略性產業之一。在中國,物聯網的關注程度是在美國、歐盟、以及其他各國不可比擬的,自然物聯網滲透到各行各業是必然的,而照明領域對于物聯網技術的應用是必然勢不可擋。

物聯網技術形同一種催化劑,推動了照明行業的加速轉型升級,無論是室內的家居照明,還是室外的商業照明,均爆發性生長,所以總是有專業人士預計在哪一年物聯網節點會達到多少個億,其實在這個數量級別里面有一大份是由照明節點組成。試想,一個城市,除了建筑,路燈應該就是遍布廣,最有規則性的,將每一個路燈看成一個節點,將每個路燈兩兩連接,之間形成的網鏈則是覆蓋住城市建筑的網罩,這就是意味著城市智慧發展,會是依賴于照明來實現。

所以在照明領域,燈就是一個,再通過一個互聯網通信技術,將其連接到一個虛擬的網絡中,就是最簡單的照明基于物聯網技術的實現?;諼锪際醯惱彰魃毒烤沽爍飧雋煊虼戳聳裁?/span>?綜合各個方面來分析,基本可以總結出以下幾點效益:

1、經濟效益:省電又省錢。這一點尤其城市的路燈照明上尤其顯著,道路照明是市政設施中主要的耗電設施,因此道路照明成為綠色節能和環保的重要突破口。每個照明節點基于物理網技術,在聯網后其照明變成可以受控,如開關燈、調光等等,直接帶來的就是節能率提升和照明源的壽命。

2、社會效益:提升城市的形象、美化居室環境,給人們提供更加安全和舒適的照明環境。早期路燈故障不能及時維護,城市中總會有一個角落沒有光明,家居樓宇照明要么高亮要么全滅,如今物聯網技術的引入,城市的戶外照明故障能夠及時被發現,家居能根據環境溫度調節色調,根據人的活動情況調節光線。這一系列都是物聯網技術帶來的社會效益。

3、管理效益:路燈節點的網絡接入,實現了海量數據的管理僅需要一臺電腦,一把手機,整個城市的路燈管理水平因此提高了,管理工作人員從繁復的巡檢工作中解放出來,降低了工作強度和經營管理成本。細到家庭,每個房間的照明都可以裝在一把手機里面,輕松實現開燈、調光、調色等管理。

4、環保效益:物聯網技術,是一種基于電能為能源的技術,其特點是低能耗,所以對城市電網無高頻干擾,對市區環境無強電磁波污染,符合當今社會環保的發展趨勢。

現在,隨著社會的發展和人們對于照明要求的不斷提高,智能照明系統也在朝著結構多樣化、應用擴大化的方向快速發展,照明領域對于物聯網技術的引入需求是不可抵擋的。

二、物聯網在照明領域的應用結構

“The Internet of things”是物聯網的英文名稱,在中國把物聯網稱之為傳感網,所以傳感器是物聯網中重要的的角色之一。物聯網里面主要的角色應該是傳感器、終端、云。所以規規矩矩的物聯網照明應用拓撲結構應當是如下圖的層級分布,以云為中心,傳感器和照明均連接到云服務中心,云中心是一個數據交互的平臺,一個數據共享的平臺。

然而現在找照明領域里面的物聯網技術應用傳感器可以說是極少的,大部分僅僅是做遠程控制。也就是將傳感器替換為可視化管理界面,這樣傳感網的概念的變化了,物的聯網僅僅只是一個加了??氐墓δ?,沒有將物聯網的作用力最大化。

另外一種應用結構,相對來說是更大的邁開一步。在原有的照明源和可視化管理平臺基礎上增加了傳感器,似乎也是完成了物聯網的實現,但是其實依然是一個失敗的結構,現在的照明行業領域,大部分的企業做法是將傳感器信息顯現在可視化管理平臺,照明源依然是一個遠程開關的設備,傳感器和照明源可以說沒有任何的聯系。前文說過了,物聯網是借助云平臺數據共享的網絡,而現在提及的結構,在照明領域僅僅是將傳感器和照明源接入到云服務,沒有真正地將彼此的數據應用最大化,這也就是應用結構拓撲實際現狀,似乎已經很好地利用了物聯網技術將物物連接,但是其實沒有數據上的共享互通。

真正的物聯網應用,結構是傳感器、終端、可視化管理平臺、云服務。甚至可以壓縮為傳感器、終端、云服務,因為可視化管理正常也是一個終端設備,如手機或者電腦。傳感器的作用是將各種環境感知,作為照明管理的一個依據,如天黑了,燈需要亮了;人進來了,光線可以調亮;溫度變冷了,光顏色可以變化為暖色調。在這個基礎上,這些數據可以在手機或者電腦上記錄分析。所以數據在圖中的結構上,除了傳感器是單向的,其他應當是雙向的(當然傳感器表面上是單向的,實際上它的另一個數據傳輸方向是在對環境的感知,如照明源的變化可以被傳感器感知,這種數據傳輸是不會經過云的。),連接到云的各個數據信息可以被彼此相互利用,這才是星網應用結構利用的最大化,否則真談不上物聯網技術的應用。

顯然,當前照明領域對物聯網的應用結構布局,一部分人理解錯了,一部分理解正確了,但是在數據上利用是不足的,還沒有利用物物之間的數據產生最大價值。

三、物聯網在照明領域的載體

物聯網,拆開詞語從字面上直接理解,物則是照明節點,聯則是互聯網,網則是物物直接形成的網絡或者是云服務。從中看來,聯是中間的橋梁,萬物想實現物聯網技術,都離不開一定的通信手段來實現,也就是載體。物聯網在當今最熱門的通信載體有LoRaWAN、NB-IOT 、ZigBee、WIFI,這幾個是最為常見的物聯網通信載體,這幾個載體有一個重要的共性,那就是無線,從混亂的線纜中脫離是潮流索取,也是從用戶便利舒適性出發考慮理所當然。當然,在當今物聯網在照明領域上所應用到的通信載體可不僅僅這些,下面我們來淺談這些通信載體特性和在當前照明領域上的應用。

先來看看常見的有線通信載體。

RS485總線通信,最大的通信距離約為1219m,最大傳輸速率為10Mbps,一般可以達到128個或者256個節點,最大的可以支持到400個節點。常見的應用是隧道照明和景觀照明。在隧道照明里面常是基于MODBUS協議實現通信,每個隧道燈是物聯網的一個節點,通過485支持的多從機功能,所有的隧道燈都并聯在485總線上,也就是兩根雙絞線纜上;對于景觀明常見是基于DMX512協議實現,具有比MODBUS更強大的功能,數據更為復雜,所以可以實現更復雜照明功能,因此在大規模景觀照明上應用最適合不過了。RS485特點就是遠距離,避免了外界的信號干擾,可靠。但因為需要另外拉線,給現場的照明改造工程到來更多的不便,并且由于中間一旦出現線路損壞或者終端設備故障,后端的設備將會失效。所以這種通信載體往往在商業照明上會更多,在家居照明中,往往是格格不入的,長遠來看是不會被用戶所青睞。

DALI,是一種有線通信技術,主要在室內照明領域具有較大的占有份額?;?/span>DALI協議組建的系統具有分布式智能???,各個??槎季哂惺摯刂坪褪滯ㄐ拍芰?,地址和燈光場景信息等都存儲于各個DALI??櫚哪詿婺?。DALI??橥ü?/span>DALI總線進行數字元通信、傳遞指令和狀態信息,實現燈的開關、調光控制、系統的設置等功能。從功能上來看,因為數據管理的豐富性,雖然增加了布線的成本,但是在管理上比起RS485來的優秀,安全性也會比無線方式更好。

PLC,電力載波,即通過已有的電力線上面走信號傳輸,省去了工程增加線路,避免線路損壞概率。通常電力載波也具備有自組網能力,所以可以通過接力的方式將數據遠距離傳輸。這是一種相對來說是比較優秀的通信載體,目前這種通信在室外照明和室內被廣泛的使用,因為在電力線上的規范化和電力載波通信技術的成熟,使得這種方式在市場上被廣泛推廣。不得不說的是這種通信方式在戶外照明改造上,大部分照明企業遇到的是通信距離較短,遠距離就會通信速度變慢,或者成功率下降,讓照明項目改造業主倍感困惑無奈。

以太網,一種有線寬帶通信載體。不例外的是這種有線通信載體在家居照明中并不常見,常見是在在戶外智能照明領域,借助于燈桿,視頻傳感器和路燈控制通過有線寬帶載體傳輸,達到高速,安全目的。路燈及監控作為城市組成的大成員,其安全性受到的重視不可小覷,路燈一旦信息被截獲,則會被黑客成員任意控制,使得城市交通等依賴于照明的一切陷入混亂。所以這種通信在市政照明場合是存在的,雖然不多,但是是指的推廣的一種方式,以太網也是在通信行業上生存較為久遠的之一。

接下來的最受廣大用于青睞的無線載體。ZigBee,藍牙,這兩種通信載體可以拿來一起談。這兩種通信均是基于2.4G實現的居多,特點是支持組網,缺點兩兩之間的通信距離短,這是因為2.4G頻段所限制,容易在障礙物遮擋下產生較大的衰減。不過這兩種通信在室內照明上具有很廣泛的應用,因為其具有功耗低、節能,數據傳輸速度快,能夠有效避免控制碰撞的概率,加上組網的方式,如果有個別幾個節點故障,其他節點也不會因此故障失效。

LoRaWAN,Sigfox,NB-IOT是這幾年在LPWAN中最杰出的成員。于2017年的第三季度,有報告指出處于試驗狀態以及投入商用的公共LPWA網絡數量增至198個,NB-IoT在其中占據領先地位,網絡數量為69(占據35%),其次為LoRaWANSigfox。在幾種低功耗廣域網絡中,LoRaWAN商用較早且較為開放,于2015年成立產業聯盟,目前在LPWAN中應用最為廣泛。而于2016年實現標準凍結的NB-IoT,由于采用授權頻譜,可避免無線干擾,且具備運營商級的安全和質量保證,因此在對可靠性要求較高的智慧照明場景中更具競爭優勢,市場份額增速最快。同樣受到波及的還有Z-WaveSixfox。這兩種都是和LoRaWAN一樣都是基于Sub-1GHZ的無線通信技術,他們均是屬于未授權頻譜LPWAN技術,而NB-IOT則是授權的通信方式,所以這種通信載體在國內主要是由三大運營商來支持運營。顯然這種非授權通信技術相對來說較為開放,在照明行業中具有較為靈活的部署方式,獨立于其他運營商,照明企業可以自己充當運營部門,甚至市政照明管理部門自己就是一個運營者。

同樣是基于無線射頻通信技術,這幾種杰出的通信載體均有各自相對特色的地方。LoRaWAN是基于LoRa擴頻調制技術的通信網絡,其所覆蓋的無線頻段本身就具有良好的繞射、反射能力,加上擴頻技術,使得信號在空中不容易受到干擾而丟包,所以對戶外照明這種生存在復雜的城市中很有幫助,解決了以往的電力載波存在的難題,另外加上完善的加密方式,其安全性也是可靠的。所以傳輸具體相對比較不會受到樹木、建筑的影響是一種新興的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網絡的短距離無線通信技術。Z-wave工作頻帶為908.42MHz( 美國)~868.42MHz( 歐洲),采用FSK(BFSK/GFSK) 調制方式,數據傳輸速率為9.6kbps,信號的有效覆蓋范圍在室內是30m,室外可超過100m,主要在國外的室內照明場合,在國內還是屬于罕見的通信載體。

NB-IOT在目前,仍然可以說是一個新鮮事,在照明領域上雖然嶄露頭角,然而還有很多的不足,整個網絡的穩定性還是受到技術的完善性所限制,導致還能不能在戶外照明領域廣泛應用;對于室內照明領域,更是難以闖出一片天,較高的成本,是普通用戶所承擔不起的。

NB-IOT類似的還有2G、3G、4G,接下來還有5G通信技術,這些的共同特點是在物聯網結構是直接跳過中間網關,直接接入到網絡的通信方式,也就是每個節點都是一個個體,這些通信技術在歷史存留時間長久,用于即為穩定的通信性能,雖然在速度上和成本上具有較差的優勢,但是難以遮掩其穩定性。

雙模通信,雙模的概念廣泛,無非就是兩種通信模式組成的冗余手段。這種通信載體,目前還是主要在室外商業照明中存在,成本也是室內照明無法接受的,同時對于室內照明因為范圍較小,也是無需使用到這種技術。雙模的組合正常都是將有線和無線技術混合實現,常見是將電力線通信技術和SUB-1GHZ無線通信技術合二為一,利用兩者信道天然的差異,可實現物理層根據各自信道質量情況進行自動切換、網絡層可實現混合路由,兩者互補從而使得通信的時效性和可靠性得以最大程度的提升,這在復雜的城市環境可以得以良好的生存。

最后是WiFi通信載體,這種通信載體較多的應用是在室內照明,如同大家所知的,WiFi這個被大家熟知的應當是移動設備上網沖浪使用,所以對于普通用戶可以輕松上手,對于個人家庭,WiFi基本可以覆蓋整個家居室內,所以傳感器和照明加上WiFi通信是方便的,一臺路由器接口完成家庭照明的匯總管理,再結合云數據管理,這樣的通信適合室內低成本照明升級。當然,在戶外照明,也正在逐步完善中,因為城市WiFi覆蓋逐步擴大,所以使得各個路燈照明節點通過WiFi接入完全可能。

綜合上述各類通信載體,在室內和室外照明都可以看見蹤影,各有優勢,根據不同的環境復雜程度,數據安全性程度擇選合適的通信載體,讓照明節點聯網具有可靠的保證。