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建筑百科丨探秘智能家居(二)

文化交流
2018-02-07

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每个经历过新房装修的人或许都或多或少有过这样的体验:装修设计阶段,装修公司给出的效果图非常高端大气上档次,各处设置的LED筒灯射灯营造出华丽炫目的效果,为房屋创造出温暖迷人的氛围。旨在让你在归家时感受到温馨,在都市的喧嚣中体会到宁静。新房装修好后带三两好友参观新居,各处灯一打开,明亮新颖,赢得不少称赞,心里美滋滋的。然而,一年甚至半年后,这些装饰性的灯具就被遗忘在外太空了。偶尔心血来潮想再体验一次入住新家的感动,却发现好些灯已经因为长久不用而损坏,原本应该绚丽的电视墙上出现了几处不协调的阴影,满心的期待被一盆冷水兜头浇灭。于是不禁扪心自问:自己花费颇多的装修难道就只是为了赢得朋友几个赞?

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生活回归平凡,渴望变化的内心却无法平息。人们想要家里的灯光能够随自己的心意而变,在不同的心情下可以感受到不同的氛围。需求,永远是技术发展的源动力。时至今日,随着照明控制相关理论技术的不断发展,灯光随心而变已不再是遥不可及的梦了。

展开后文前,先介绍两个小概念:DMX协议和DALI协议。

DMX协议,一种常见的有线协议,产生动态照明效果的技术协议,刷新率很高,比较适合于舞台灯光控制,从技术角度来讲,它是一个单向传输协议。DALI协议,也是一种常见的有线协议,更多是为静态照明控制所作的协议,非常合适室内照明。它是双向通信协议,可以查询解码器的状态。在DALI协议里可以接入多个传感器及控制器。DALI协议的显著优点是抗干扰能力强。通常在大型酒店,我们都能看到DALI的身影。DMX512总线需采用差分线材,手拉手总线形结构,最长距离达1.2公里;DALI采用普通的2x1.5mm线材,支持手拉手总线和星形结构,最长距离为300米,并要求最远两端的总线电压降不能超过2V。

通过上面的简单介绍,不难发现,在家居环境中,使用DALI协议进行照明控制是比较合适的,系统的布线成本也不会太过高昂。然而,不管是DMX还是DALI,都有一些共同特点:即需要设计,需要布线,安装成本较高且技术复杂。无线协议就完全不需要这些,这是无线协议相较于有线协议的显著优势。常见的无线协议有:RF射频技术、蓝牙(Bluetooth)、WiFi、Zigbee、Z-Wave,Enocean等。

客厅作为会客用房及家庭成员的主要活动场所,对照明的便捷美观要求较高,家庭影院等设备的使用也需要照明控制系统的配合才能达到最好的效果。此外,复数灯具的亮度控制如果仅依靠传统开关面板,既破坏墙面装修的美观又无法提供足够的便利。针对这一问题,一些灯具厂商也开发出了设备的遥控开关功能。但一方面,这类遥控开关灯具种类较少,限制了用户选择的范围;另一方面,这样的遥控功能也只是实现了对多组灯具进行分组开关,并不能照顾到每一个用户对灯光的独特需求。每个人对于环境的感官都会有所差异,要想完美解决这个问题,需要分两步走:第一步,提升用户控制照明的便利度;第二步,方便高效地控制各灯具。 

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对于照明的控制,可以视具体场合,采取固定端(开关面板、触摸屏)为主,移动端(手机、平板电脑)为辅的方式进行。例如,在卧室的床头、书房的座位旁等方便触及且相对私人的区域,可以采用固定端方式对场所灯具进行控制;而在客厅等容积较大且多人使用的场所,则应在使用固定端保证基本照明功能的同时,辅助移动端进行个性化的亮度调节。

灯具的控制又分为可调光和不可调光两大类。其中,不可调光灯具指的是现在市面上常见的通过分组开断、或直接开断的LED灯。这类灯具可以考虑使用遥控的方式由家居系统进行控制。而可调光的灯具,如支持DALI的LED灯,则依然需要信号线从家居系统核心板铺设到灯具处。DALI灯具的亮度调节需要通过0-5V的PWM波实现,而STM32芯片的I/O口就具备0-5V的PWM波输出功能。

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常见客厅灯具布置图

以上图(常见客厅灯具布置图)为例。图中共有a、b、c三种灯具,其中a为吊顶内嵌LED射灯,b为提供主要照明的吊灯,c为电视墙装饰LED射灯。日常使用翘板双控开关控制b灯,单控开关控制a灯组和c灯组。需要使用家庭影院时,通过手机或者平板的蓝牙功能连接STM32核心板,发送控制指令。核心板根据控制指令发出遥控指令(控制b灯)或者在相应端口输出PWM波(控制a、c灯组)。在实际使用中,客厅的辅助照明亮度不需要从0-254级逐级调整,可以预设不同模式下阈值,然后一键切换照明模式,同时保留对单灯的调整功能。

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在书房环境中,常常会遇到这样的尴尬:虽是白天,但光线不太明亮,看书只能开大灯,又觉得很浪费电。智能家居系统可以有效地解决这个问题。设置在白天打开开关时通过光照检测,将书房内照度自动调节到合适的程度;傍晚和夜间时,则设置开关直接开断灯具。若用户有要求,也可配置旋钮开关或触摸屏手动调节灯具照度。

卧室环境主要考虑夜间关灯后下床活动的弱光照明。现在市面上也有一些独立的带红外检测功能的小夜灯产品,这类产品一般直接装设在插座处,所能提供的照明区域并不一定能满足用户需求。由智能家居系统通过红外检测的方式控制卧室的玄关灯e及小夜灯d(见下图),使其在夜间主灯关闭时低照度启动,可以方便地为临时起夜的用户提供照明。

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常见卧室灯具布置图

综上,智能家居系统中智能照明控制功能包括三种输入信号:来自于用户通过移动设备控制的信号、用户通过固定开关手动控制的信号、以及系统自动采集的光照信息。通过结合开发板外接的时钟芯片,输出方式采用红外遥控方式开关成组LED灯、PWM波调节支持DALI的LED单灯亮度,可以灵活有效地改善家居环境,长久保持新家入住时的那份新奇与感动,同时实现家居的节能与环保。第三建筑设计院刘涛/文