薛 媛

湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430070

0 引言

隨著社會進程的不斷加快，各項技術(shù)都得到了發(fā)展，尤其是4G高速通信技術(shù)的不斷發(fā)展與廣泛應(yīng)用，讓人們的生活與辦公都有了新的發(fā)展。人們不再像從前那樣，必須在固定的地點才能辦公，只要有網(wǎng)絡(luò)的地方，都可以辦公。硬件技術(shù)也在時間的變遷下越發(fā)先進，各種傳感器開始出現(xiàn)，其計算能力也逐漸增強。在這些新技術(shù)的影響下，LED智能化照明產(chǎn)品也得到了改善和創(chuàng)新，開始朝著智能化、健康化的方向發(fā)展[1]。

1 基本概念

1.1 LED

LED（lighting emitting diode）即發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件[2]。LED發(fā)光利用了固體半導(dǎo)體的性質(zhì)，載流子會在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生復(fù)合作用，釋放多余的能量，這些釋放出來的能量會導(dǎo)致光子發(fā)射，產(chǎn)生光。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合三基色原理，將熒光粉添入其中，能產(chǎn)生各種顏色的光[3]。

1.2 LED燈具

LED燈具是應(yīng)用LED進行照明的器具。LED燈具擁有使用壽命長、抗震性與防水性良好、方便攜帶、無汞污染等優(yōu)點。隨著LED燈具的廣泛使用，其價格開始下調(diào)。但是，LED燈具也存在不少質(zhì)量問題。根據(jù)調(diào)查，很多地方都已經(jīng)對LED燈具提出了相應(yīng)的規(guī)范條例，從2012年開始，不少照明標準已經(jīng)被強制推行。

2 LED照明技術(shù)的早期發(fā)展歷程

20世紀初，半導(dǎo)體材料碳化硅（SiC）的發(fā)光現(xiàn)象被首次觀測到；20世紀20年代至30年代，有關(guān)碳化硅電致發(fā)光的文章出現(xiàn)。1947年，晶體管被發(fā)明出來，p-n結(jié)開始用作發(fā)光器；1955年，有人觀測到Ⅲ～Ⅴ族化合物能夠進行電致發(fā)光；1957年，研究人員確認電致發(fā)光現(xiàn)象是由p-n結(jié)內(nèi)電子與空穴復(fù)合導(dǎo)致的。

在早期研究中，發(fā)光效率較高的LED是紅外LED。紅外LED的主要材料是半導(dǎo)體材料砷化鎵（GaAs），因為這種半導(dǎo)體材料本身具備帶隙，在復(fù)合發(fā)光時不會有聲子參與作用，發(fā)光效率高，在當(dāng)時的國際上受到很大的關(guān)注[4]。

3 LED照明技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展

3.1 通過移動設(shè)備控制的LED智能燈泡

可以通過智能手機上的軟件控制的LED燈泡，被稱為LED智能燈泡。

3.1.1 貝爾金WeMo智能燈泡

2014年，市場上出現(xiàn)了貝爾金WeMo智能燈泡，其亮度很高，有多種使用模式，在使用過程中可以利用預(yù)先設(shè)定的程序進行調(diào)整。如果有Wi-Fi，貝爾金WeMo的控制系統(tǒng)能夠同時調(diào)整50個燈泡的顏色與亮度，可以用于整體的照明布局。

3.1.2 三星Smart Bulb智能燈泡

2014年，韓國三星集團推出了Smart Bulb智能燈泡。在藍牙的作用下，用戶可以將Smart Bulb與對應(yīng)的移動設(shè)備進行連接，通過ZigBee協(xié)議，持有相應(yīng)智能手機的用戶能夠自行控制智能燈泡，最多能同時控制64個燈泡。根據(jù)三星的官方說明，這種智能燈泡的色溫可以調(diào)整，色溫范圍為2 700～6 500 K；亮度也能夠調(diào)節(jié)，最低能夠調(diào)整到初始亮度的10%。這種智能燈泡的使用壽命很長，超過15 000 h。

3.1.3 飛利浦智能燈泡Hue

飛利浦在2012年推出了智能燈泡Hue，其必須利用專用的路由器連接Wi-Fi、接收信號，而且用戶僅能同時控制3個燈泡。飛利浦每年都會對其進行一次技術(shù)升級，在2014年，飛利浦推出利用Hue系統(tǒng)的API，用于提供給第三方開發(fā)者進行研究。飛利浦以IFTTT平臺為基礎(chǔ)，研究出利用短信控制燈泡的方法，讓不會使用智能手機的用戶也能控制相關(guān)照明系統(tǒng)。

3.2 LED智能家庭傳感器套裝

隨著LED產(chǎn)品的更新，各大LED制造品牌都開始為LED增加智能控制套件，如智能感應(yīng)器、智能開關(guān)等。

3.2.1 國外產(chǎn)品

貝爾金WeMo開發(fā)的智能家庭傳感器套裝，能夠利用紅外傳感器讀取室內(nèi)的熱度數(shù)據(jù)，防止由于家中寵物亂竄而引發(fā)的錯誤報警，紅外傳感器的感知范圍達9 m。除了紅外傳感器，智能家庭傳感器套裝中還有煙霧傳感器等傳感器，只要其中一個傳感器被觸發(fā)，整套傳感器都會開始檢測，之后用戶手機會收到相應(yīng)信息。

3.2.2 國內(nèi)產(chǎn)品

（1）小米智能家庭傳感器套裝。2015年，小米科技有限責(zé)任公司推出了智能家庭傳感器套裝，其中的門窗傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測門窗的開關(guān)。小米的智能家庭傳感器套裝中的傳感器利用ZigBee協(xié)議彼此聯(lián)系，可以通過小米路由器聯(lián)系到智能終端設(shè)備或者小米云。

（2）京東VANE智能家居。2015年，京東也推出了VANE智能家居，其由攝像頭、傳感器、主機、移動插座四部分構(gòu)成。在運行的過程中，由主機連接其余三個部件，再經(jīng)過Wi-Fi與智能終端設(shè)備連接。

4 LED照明技術(shù)的智能化應(yīng)用

4.1 具有監(jiān)控功能的LED燈具

智能照明系統(tǒng)需要配備攝像頭，攝像頭要想在昏暗的環(huán)境下拍攝，必須有光源。LED燈具可以作為攝像的光源，既能提供普通照明，也能提供輔助照明[5]。為便于攝像頭的夜間圖像采集，還可以用紅外燈補光。

4.1.1 燈具類型

當(dāng)下，很多家庭都會使用LED燈具。為了了解不在家時家里的情況，防止意外事故的發(fā)生，不少人會選擇在家用LED燈具里添加攝像頭，將攝像頭與LED燈具結(jié)合在一起。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，攝像頭與LED燈具結(jié)合時，落地?zé)襞c臺燈是使用最靈活的燈具，其次是壁燈，吸頂燈與吊燈是最不靈活的。

（1）吸頂燈與吊燈。吸頂燈與吊燈都掛在天花板上，有些時候，攝像頭要對人臉進行識別，吸頂燈與吊燈中的攝像頭智只能拍到人的頭頂，而無法準確識別人臉。吸頂燈與吊燈如果結(jié)合使用，靈活性會稍強一些。

（2）壁燈。如果需要在壁燈內(nèi)部安裝監(jiān)控攝像頭，壁燈的安裝位置就不能隨意選擇，而要找較高的位置進行安裝。假如壁燈安裝在過道很窄的墻壁，其視野范圍有限，作用也有限。

（3）臺燈與落地?zé)?。與前面的燈具相比，臺燈與落地?zé)籼貏e合適安裝監(jiān)控攝像頭，因為它們的擺放位置不固定，能夠放在客廳，也能夠放在臥室。將其與攝像頭結(jié)合，調(diào)整好鏡頭的位置，就能夠進行監(jiān)控，監(jiān)控的過程中也可以隨時調(diào)整。

4.1.2 使用注意事項

（1）攝像頭和燈具的位置。因為LED燈具最本質(zhì)的作用是提供高質(zhì)量的光源，所以攝像頭不能擋住光源。同時，光源也不能擋住攝像頭[6]。與普通的智能監(jiān)控攝像頭不同，與燈具安裝在一起的攝像頭是固定的，需要合理設(shè)置其高度。例如，在落地?zé)魞?nèi)安裝攝像頭時，其高度應(yīng)為1.1～1.2 m。選擇這樣的高度是因為家具的高度普遍低于1.1～1.2 m，攝像頭的視野不會被家具遮擋，這樣的高度也有利于對人臉進行識別。此外，在使用LED智能燈具時，其不能與紅外補光一同使用，而且光源照射方向要朝上，不能往下照射，以防止高亮度區(qū)域出現(xiàn)在攝像頭前，影響成像質(zhì)量。為了得到環(huán)境光，可以利用漫反射，選用磨砂的白色燈罩。

（2）紅外傳感器等傳感器的位置。紅外傳感器等傳感器的位置應(yīng)該和攝像頭位于相同的水平面。

（3）LED的智能控制。安裝攝像頭后，LED燈具原本的各項功能都需要保持正常，不僅如此，用戶還應(yīng)該能在電腦或者手機上完成全部操作。為了將光敏傳感器和紅外補光光源等的信息聚集到一起，可以利用Arduino平臺整理得到原理樣機，然后得到定制的智能硬件。

（4）元器件的安裝。安裝傳感器時需要注意，并非是傳感器越多，成效就越好，需要控制傳感器的數(shù)量。此外，由于集成電路板的尺寸有限，不能完全按照用戶的想法進行安裝，必須綜合考慮安裝的成本、用戶體驗等因素。

（5）警戒區(qū)域的設(shè)置。使用紅外攝像頭，可以識別人臉、物體等；利用智能軟件，可以在不改變燈具位置的前提下，通過手機等終端劃分監(jiān)控警戒區(qū)域。如果有人或物體越過了警戒區(qū)域，系統(tǒng)能夠自動報警。還能在系統(tǒng)中設(shè)置行為分析方式，如可以將“摔倒”等行為儲存到系統(tǒng)中，如果發(fā)現(xiàn)了相關(guān)行動，系統(tǒng)能自動報警[7]。

4.2 LED智能照明系統(tǒng)

現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)已經(jīng)能夠支持LED進行人機交互，其實現(xiàn)的途徑有兩個：一是利用界面進行人機交互，二是利用語音進行人機交互。不管選擇哪種交互方法，都會對用戶體驗產(chǎn)生一定影響。在設(shè)計LED智能照明系統(tǒng)時，一般選擇語音識別技術(shù)作為基礎(chǔ)，利用語音交互技術(shù)實現(xiàn)LED智能照明系統(tǒng)的語音操控[8]。

4.2.1 語音操控功能

國內(nèi)已經(jīng)有很多公司推出了可以語音操控的LED智能照明系統(tǒng)，其中，最先推出語音交互LED智能照明系統(tǒng)的是科大訊飛公司。其擁有較先進的相關(guān)技術(shù)，當(dāng)輸入語音是標準普通話時，相應(yīng)的識別正確率達95%以上。不僅如此，科大訊飛公司還在LED智能照明系統(tǒng)中接入了語音云平臺，用戶能夠免費使用。而且，用戶能在LED智能照明系統(tǒng)上增添智能管家模塊。在初期，用戶可以通過簡單的語音控制，利用智能管家模塊控制LED智能照明產(chǎn)品的調(diào)節(jié)與開啟。對于較危險的詞匯，如“殺”“搶”等，當(dāng)這些詞匯出現(xiàn)時，智能語音系統(tǒng)可以識別，然后自動觸發(fā)LED智能照明系統(tǒng)中的程序，引發(fā)警報。在后期，隨著產(chǎn)品的不斷更新、優(yōu)化，以及相關(guān)語音技術(shù)的越發(fā)純熟，LED智能照明產(chǎn)品甚至能夠提供個性化的語音服務(wù)，如識別方言、識別個性化語言等，為用戶提供更多便利。針對在語言方面有障礙的用戶，其可以不通過語音系統(tǒng)，而是利用短信或者觸控的方式控制LED智能照明系統(tǒng)。

4.2.2 數(shù)據(jù)運算

LED智能照明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)識別與分析建立在計算能力強大的芯片的基礎(chǔ)上，在芯片中能夠進行大量計算并得出相關(guān)結(jié)果[9]。如果數(shù)據(jù)比較復(fù)雜，還需要通過高速網(wǎng)絡(luò)，利用云計算進行分析[10]。利用互聯(lián)網(wǎng)和云計算，可以讓LED智能照明系統(tǒng)接入物聯(lián)網(wǎng)，同時也能整合相關(guān)數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡(luò)進行集中分析與整改，讓LED智能照明系統(tǒng)提供更好的智能服務(wù)[11-12]。

5 結(jié)束語

隨著半導(dǎo)體照明的發(fā)展，與之相關(guān)的控制技術(shù)越發(fā)成熟，人們的要求也越來越高。LED光源擁有的各種優(yōu)點，如擁有可以調(diào)控的光譜、小巧易于攜帶等，均有利于高品質(zhì)光源的實現(xiàn)。根據(jù)LED光源的光譜功率分布，利用智能化手段，能夠擁有具備智能交互新體驗的各種LED照明產(chǎn)品，讓用戶擁有更好的照明體驗。