物联网技术在照明领域的应用现状(上)

 2018-11-23 来源:阿拉丁照明网        作者:査利君       

物联网技术形同一种催化剂,推动了照明行业的加速转型升级,无论是室内的家居照明,还是室外的商业照明,均爆发性生长,所以总是有专业人士预计在哪一年物联网节点会达到多少个亿,其实在这个数量级别里面有一大份是由照明节点组成。

一、物联网进入照明领域,势不可挡

物联网

物联网概念在2005年被正式提出,2009年中国提出感知中国,物联网进一步被提升了地位,被正式列为国家五大新兴战略性产业之一。在中国,物联网的关注程度是在美国、欧盟、以及其他各国不可比拟的,自然物联网渗透到各行各业是必然的,而照明领域对于物联网技术的应用是必然势不可挡

物联网技术形同一种催化剂,推动了照明行业的加速转型升级,无论是室内的家居照明,还是室外的商业照明,均爆发性生长,所以总是有专业人士预计在哪一年物联网节点会达到多少个亿,其实在这个数量级别里面有一大份是由照明节点组成。试想,一个城市,除了建筑,路灯应该就是遍布广,最有规则性的,将每一个路灯看成一个节点,将每个路灯两两连接,之间形成的网链则是覆盖住城市建筑的网罩,这就是意味着城市智慧发展,会是依赖于照明来实现。

所以在照明领域,灯就是一个,再通过一个互联网通信技术,将其连接到一个虚拟的网络中,就是最简单的照明基于物联网技术的实现。基于物联网技术的照明升级究竟了给这个领域带来了什么?综合各个方面来分析,基本可以总结出以下几点效益:

1、经济效益:省电又省钱。这一点尤其城市的路灯照明上尤其显著,道路照明是市政设施中主要的耗电设施,因此道路照明成为绿色节能和环保的重要突破口。每个照明节点基于物理网技术,在联网后其照明变成可以受控,如开关灯、调光等等,直接带来的就是节能率提升和照明源的寿命。

2、社会效益:提升城市的形象、美化居室环境,给人们提供更加安全和舒适的照明环境。早期路灯故障不能及时维护,城市中总会有一个角落没有光明,家居楼宇照明要么高亮要么全灭,如今物联网技术的引入,城市的户外照明故障能够及时被发现,家居能根据环境温度调节色调,根据人的活动情况调节光线。这一系列都是物联网技术带来的社会效益。

3、管理效益:路灯节点的网络接入,实现了海量数据的管理仅需要一台电脑,一把手机,整个城市的路灯管理水平因此提高了,管理工作人员从繁复的巡检工作中解放出来,降低了工作强度和经营管理成本。细到家庭,每个房间的照明都可以装在一把手机里面,轻松实现开灯、调光、调色等管理。

4、环保效益:物联网技术,是一种基于电能为能源的技术,其特点是低能耗,所以对城市电网无高频干扰,对市区环境无强电磁波污染,符合当今社会环保的发展趋势。

现在,随着社会的发展和人们对于照明要求的不断提高,智能照明系统也在朝着结构多样化、应用扩大化的方向快速发展,照明领域对于物联网技术的引入需求是不可抵挡的。

二、物联网在照明领域的应用结构

“The Internet of things”是物联网的英文名称,在中国把物联网称之为传感网,所以传感器是物联网中重要的的角色之一。物联网里面主要的角色应该是传感器、终端、云。所以规规矩矩的物联网照明应用拓扑结构应当是如下图的层级分布,以云为中心,传感器和照明均连接到云服务中心,云中心是一个数据交互的平台,一个数据共享的平台。

然而现在找照明领域里面的物联网技术应用传感器可以说是极少的,大部分仅仅是做远程控制。也就是将传感器替换为可视化管理界面,这样传感网的概念的变化了,物的联网仅仅只是一个加了遥控的功能,没有将物联网的作用力最大化。

另外一种应用结构,相对来说是更大的迈开一步。在原有的照明源和可视化管理平台基础上增加了传感器,似乎也是完成了物联网的实现,但是其实依然是一个失败的结构,现在的照明行业领域,大部分的企业做法是将传感器信息显现在可视化管理平台,照明源依然是一个远程开关的设备,传感器和照明源可以说没有任何的联系。前文说过了,物联网是借助云平台数据共享的网络,而现在提及的结构,在照明领域仅仅是将传感器和照明源接入到云服务,没有真正地将彼此的数据应用最大化,这也就是应用结构拓扑实际现状,似乎已经很好地利用了物联网技术将物物连接,但是其实没有数据上的共享互通。

真正的物联网应用,结构是传感器、终端、可视化管理平台、云服务。甚至可以压缩为传感器、终端、云服务,因为可视化管理正常也是一个终端设备,如手机或者电脑。传感器的作用是将各种环境感知,作为照明管理的一个依据,如天黑了,灯需要亮了;人进来了,光线可以调亮;温度变冷了,光颜色可以变化为暖色调。在这个基础上,这些数据可以在手机或者电脑上记录分析。所以数据在图中的结构上,除了传感器是单向的,其他应当是双向的(当然传感器表面上是单向的,实际上它的另一个数据传输方向是在对环境的感知,如照明源的变化可以被传感器感知,这种数据传输是不会经过云的。),连接到云的各个数据信息可以被彼此相互利用,这才是星网应用结构利用的最大化,否则真谈不上物联网技术的应用。

显然,当前照明领域对物联网的应用结构布局,一部分人理解错了,一部分理解正确了,但是在数据上利用是不足的,还没有利用物物之间的数据产生最大价值。

三、物联网在照明领域的载体

物联网,拆开词语从字面上直接理解,物则是照明节点,联则是互联网,网则是物物直接形成的网络或者是云服务。从中看来,联是中间的桥梁,万物想实现物联网技术,都离不开一定的通信手段来实现,也就是载体。物联网在当今最热门的通信载体有LoRaWANNB-IOT ZigBeeWIFI,这几个是最为常见的物联网通信载体,这几个载体有一个重要的共性,那就是无线,从混乱的线缆中脱离是潮流索取,也是从用户便利舒适性出发考虑理所当然。当然,在当今物联网在照明领域上所应用到的通信载体可不仅仅这些,下面我们来浅谈这些通信载体特性和在当前照明领域上的应用。

先来看看常见的有线通信载体。

RS485总线通信,最大的通信距离约为1219m,最大传输速率为10Mbps,一般可以达到128个或者256个节点,最大的可以支持到400个节点。常见的应用是隧道照明和景观照明。在隧道照明里面常是基于MODBUS协议实现通信,每个隧道灯是物联网的一个节点,通过485支持的多从机功能,所有的隧道灯都并联在485总线上,也就是两根双绞线缆上;对于景观明常见是基于DMX512协议实现,具有比MODBUS更强大的功能,数据更为复杂,所以可以实现更复杂照明功能,因此在大规模景观照明上应用最适合不过了。RS485特点就是远距离,避免了外界的信号干扰,可靠。但因为需要另外拉线,给现场的照明改造工程到来更多的不便,并且由于中间一旦出现线路损坏或者终端设备故障,后端的设备将会失效。所以这种通信载体往往在商业照明上会更多,在家居照明中,往往是格格不入的,长远来看是不会被用户所青睐。

DALI,是一种有线通信技术,主要在室内照明领域具有较大的占有份额。基于DALI协议组建的系统具有分布式智能模块,各个模块都具有数字控制和数字通信能力,地址和灯光场景信息等都存储于各个DALI模块的内存内。DALI模块通过DALI总线进行数字元通信、传递指令和状态信息,实现灯的开关、调光控制、系统的设置等功能。从功能上来看,因为数据管理的丰富性,虽然增加了布线的成本,但是在管理上比起RS485来的优秀,安全性也会比无线方式更好。

PLC,电力载波,即通过已有的电力线上面走信号传输,省去了工程增加线路,避免线路损坏概率。通常电力载波也具备有自组网能力,所以可以通过接力的方式将数据远距离传输。这是一种相对来说是比较优秀的通信载体,目前这种通信在室外照明和室内被广泛的使用,因为在电力线上的规范化和电力载波通信技术的成熟,使得这种方式在市场上被广泛推广。不得不说的是这种通信方式在户外照明改造上,大部分照明企业遇到的是通信距离较短,远距离就会通信速度变慢,或者成功率下降,让照明项目改造业主倍感困惑无奈。

以太网,一种有线宽带通信载体。不例外的是这种有线通信载体在家居照明中并不常见,常见是在在户外智能照明领域,借助于灯杆,视频传感器和路灯控制通过有线宽带载体传输,达到高速,安全目的。路灯及监控作为城市组成的大成员,其安全性受到的重视不可小觑,路灯一旦信息被截获,则会被黑客成员任意控制,使得城市交通等依赖于照明的一切陷入混乱。所以这种通信在市政照明场合是存在的,虽然不多,但是是指的推广的一种方式,以太网也是在通信行业上生存较为久远的之一。

接下来的最受广大用于青睐的无线载体。ZigBee,蓝牙,这两种通信载体可以拿来一起谈。这两种通信均是基于2.4G实现的居多,特点是支持组网,缺点两两之间的通信距离短,这是因为2.4G频段所限制,容易在障碍物遮挡下产生较大的衰减。不过这两种通信在室内照明上具有很广泛的应用,因为其具有功耗低、节能,数据传输速度快,能够有效避免控制碰撞的概率,加上组网的方式,如果有个别几个节点故障,其他节点也不会因此故障失效。

LoRaWANSigfoxNB-IOT是这几年在LPWAN中最杰出的成员。于2017年的第三季度,有报告指出处于试验状态以及投入商用的公共LPWA网络数量增至198个,NB-IoT在其中占据领先地位,网络数量为69(占据35%),其次为LoRaWANSigfox。在几种低功耗广域网络中,LoRaWAN商用较早且较为开放,于2015年成立产业联盟,目前在LPWAN中应用最为广泛。而于2016年实现标准冻结的NB-IoT,由于采用授权频谱,可避免无线干扰,且具备运营商级的安全和质量保证,因此在对可靠性要求较高的智慧照明场景中更具竞争优势,市场份额增速最快。同样受到波及的还有Z-WaveSixfox。这两种都是和LoRaWAN一样都是基于Sub-1GHZ的无线通信技术,他们均是属于未授权频谱LPWAN技术,而NB-IOT则是授权的通信方式,所以这种通信载体在国内主要是由三大运营商来支持运营。显然这种非授权通信技术相对来说较为开放,在照明行业中具有较为灵活的部署方式,独立于其他运营商,照明企业可以自己充当运营部门,甚至市政照明管理部门自己就是一个运营者。

同样是基于无线射频通信技术,这几种杰出的通信载体均有各自相对特色的地方。LoRaWAN是基于LoRa扩频调制技术的通信网络,其所覆盖的无线频段本身就具有良好的绕射、反射能力,加上扩频技术,使得信号在空中不容易受到干扰而丢包,所以对户外照明这种生存在复杂的城市中很有帮助,解决了以往的电力载波存在的难题,另外加上完善的加密方式,其安全性也是可靠的。所以传输具体相对比较不会受到树木、建筑的影响是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。Z-wave工作频带为908.42MHz( 美国)~868.42MHz( 欧洲),采用FSK(BFSK/GFSK) 调制方式,数据传输速率为9.6kbps,信号的有效覆盖范围在室内是30m,室外可超过100m,主要在国外的室内照明场合,在国内还是属于罕见的通信载体。

NB-IOT在目前,仍然可以说是一个新鲜事,在照明领域上虽然崭露头角,然而还有很多的不足,整个网络的稳定性还是受到技术的完善性所限制,导致还能不能在户外照明领域广泛应用;对于室内照明领域,更是难以闯出一片天,较高的成本,是普通用户所承担不起的。

NB-IOT类似的还有2G3G4G,接下来还有5G通信技术,这些的共同特点是在物联网结构是直接跳过中间网关,直接接入到网络的通信方式,也就是每个节点都是一个个体,这些通信技术在历史存留时间长久,用于即为稳定的通信性能,虽然在速度上和成本上具有较差的优势,但是难以遮掩其稳定性。

双模通信,双模的概念广泛,无非就是两种通信模式组成的冗余手段。这种通信载体,目前还是主要在室外商业照明中存在,成本也是室内照明无法接受的,同时对于室内照明因为范围较小,也是无需使用到这种技术。双模的组合正常都是将有线和无线技术混合实现,常见是将电力线通信技术和SUB-1GHZ无线通信技术合二为一,利用两者信道天然的差异,可实现物理层根据各自信道质量情况进行自动切换、网络层可实现混合路由,两者互补从而使得通信的时效性和可靠性得以最大程度的提升,这在复杂的城市环境可以得以良好的生存。

最后是WiFi通信载体,这种通信载体较多的应用是在室内照明,如同大家所知的,WiFi这个被大家熟知的应当是移动设备上网冲浪使用,所以对于普通用户可以轻松上手,对于个人家庭,WiFi基本可以覆盖整个家居室内,所以传感器和照明加上WiFi通信是方便的,一台路由器接口完成家庭照明的汇总管理,再结合云数据管理,这样的通信适合室内低成本照明升级。当然,在户外照明,也正在逐步完善中,因为城市WiFi覆盖逐步扩大,所以使得各个路灯照明节点通过WiFi接入完全可能。

综合上述各类通信载体,在室内和室外照明都可以看见踪影,各有优势,根据不同的环境复杂程度,数据安全性程度择选合适的通信载体,让照明节点联网具有可靠的保证。