Oświetlenie LED – trendy, standardy oraz parametry
| TechnikaOświetlenie LED oraz związane z tą technologią systemy typu smart przykuwają coraz większą uwagę inwestorów oraz konsumentów. Możliwość integracji źródeł światła z innymi układami elektronicznymi stwarza ogromne możliwości użytkowe oraz wpisuje się w filozofię Internetu Rzeczy. Warto przyjrzeć się standardom wykorzystywanym w branży oraz różnym rodzajom platform i zintegrowanych rozwiązań oferowanych przez producentów.
Technologia LED pozwala na połączenie źródeł światła z czujnikami, algorytmami sterowania oraz komunikacją bezprzewodową, co w efekcie umożliwia tworzenie rozbudowanych systemów zarządzania oświetleniem w sposób efektywny, wysoce energooszczędny i dobrze dopasowany do aktualnych potrzeb użytkownika.
Efektywność energetyczna oświetlenia LED wzrasta z każdym rokiem rozwoju tej technologii, przy jednoczesnym spadku cen tego typu urządzeń. Powszechnie uznaje się, że technologia LED to najbardziej przyjazny dla środowiska rodzaj oświetlenia – nie tylko ze względu na wysoką energooszczędność, ale także korzystanie w procesie produkcji z materiałów o niskim negatywnym wpływie na ekosystem.
Inteligentne oświetlenie
Inteligentne oświetlenie to termin o szerokim znaczeniu, obejmujący wiele różnych technologii oświetleniowych opartych o układy półprzewodnikowe, takich jak LED oraz OLED. Systemy typu smart znajdują zastosowanie zarówno w pomieszczeniach (rozwiązania indoor), jak i w otwartej przestrzeni (outdoor). Składają się one nie tylko ze źródeł światła, ale także z czujników oraz różnego rodzaju układów sterowania, kontroli oraz komunikacyjnych. Jednym z najczęściej spotykanych funkcjonalności tego systemu jest możliwość dostosowywania barwy oraz jasności oświetlenia, zarówno manualnie, jak i w sposób automatyczny – w zależności od pory dnia oraz warunków atmosferycznych. Do najpopularniejszych standardów komunikacyjnych wykorzystywanych w tego typu systemach zaliczyć można DALI (Digital Addressable Lighting Interface), Ethernet, ZigBee oraz Bluetooth. Bardziej szczegółowo zostaną one omówione w dalszej części tekstu.
Zasada działania – generowanie światła białego przez źródło LED
Dla podstawowego zrozumienia zasady pracy technologii LED warto przyjrzeć się sposobowi, w jaki generowane jest światło białe w tego typu źródłach oświetlenia. Zdolność do generowania światła barwy białej jest jedną z podstawowych i niezbędnych funkcjonalności każdego systemu oświetlania, ponieważ światło to jest najbardziej pożądane w codziennym funkcjonowaniu organizmu człowieka.
Organizm ludzki zbudowany jest w taki sposób, że najlepiej funkcjonuje w środowisku, którego oświetlenie odwzorowuje promieniowanie słoneczne docierające na powierzchnię naszej planety. Najdokładniejszym przybliżeniem tego promieniowania jest właśnie światło barwy białej. Może ono zostać wytworzone w diodzie LED na kilka sposobów.
Jeden z nich polega na zastosowaniu kombinacji źródeł światła o podstawowych barwach – czerwonej, zielonej oraz niebieskiej (RGB), tak jak pokazano to na rysunku 1.
Diody LED RGB wykonane są z użyciem różnych rodzajów materiałów – diody czerwona (AlGaAs, arsenek aluminiowo- galowy), zielona (InGaN, azotek indowo-galowy) oraz niebieska (AlGaN, InGaN, GaN-on-Si, azotek galu w różnych konflguracjach) wspólnie emitują strumień światła barwy białej. Stosunkowy udział poszczególnych barw określa chromatyczność (barwę) uzyskanego w ten sposób światła białego. Przykładowo, wzrost udziału składnika niebieskiego powoduje powstanie bardziej "zimnej" barwy, zaś wzrost udziału składnika czerwonego odpowiada za "ciepłą" barwę emitowanego sygnału świetlnego.
Technika ta pozwala na uzyskanie sygnału o skorelowanej temperaturze barwowej (CCT, Correlated Color Temperature) w zakresie od 2700 do 6500 K. Współczynnik oddawania barw (CRI, patrz ramka 1) może zaś wynosić od 80 do 100.
|
CRI (colour rendering index) – wskaźnik oddawania barw charakteryzujący jakość źródła światła. Wyrażony jest liczbą z zakresu od 0 do 100. Określa, jak dobrze postrzegane są barwy oświetlonych przedmiotów. Im wyższa wartość tego wskaźnika, tym lepiej oddawane są barwy, zaś oświetlane przedmioty wyglądają naturalniej. Wskaźnik CRI równy 100 oznacza, że przedmioty oglądane w tym świetle mają kolory odwzorowane tak, jakby były oświetlone światłem słonecznym lub promieniowaniem ciała doskonale czarnego. Zgodnie z normami branżowymi minimalny wskaźnik CRI dla źródeł światła przeznaczonych do stosowania we wnętrzach pomieszczeń powinien wynosić nie mniej niż 80. |
Układy zasilaczy LED
Głównym zadaniem układów zasilaczy oraz sterowników dla systemów oświetlenia LED jest sterowanie poziomem natężenia prądu zasilającego diody LED. Schemat przykładowego sterownika do systemów IoT przedstawiono na rysunku 2. Pierwsze dwa stopnie tego układu związane są z konwersją oraz kształtowaniem sygnału zasilania – odpowiadają za poprawę współczynnika mocy oraz konwersję DC-DC. Rolą kolejnego stopnia jest kontrola natężenia prądu wyjściowego, realizowana za pomocą układów liniowych lub impulsowych.
Współczesne układy sterowników (zasilaczy) LED są w stanie osiągnąć sprawność na poziomie od 85% do 95%, w szerokim zakresie napięcia zasilania. Jednym z problemów tego typu układów jest wysoki poziom generowanych zaburzeń elektromagnetycznych powodowany przez cykliczne przełączanie sygnału z wysoką częstotliwością. Obniżenie częstotliwości przełączania może z kolei doprowadzić do widocznego migotania oświetlenia przy niskich poziomach jasności.
Czujniki do systemów inteligentnego oświetlenia
Niezbędnym elementem systemów inteligentnego oświetlenia są różnego typu czujniki porozumiewające się z innymi elementami systemu za pomocą określonych protokołów komunikacyjnych. Jednym z podstawowych zadań systemów smart lighting jest dostosowywanie parametrów oświetlenia w zależności od zmieniających się warunków środowiskowych. Na rysunku 3 przedstawiono różne rodzaje sensorów wykorzystywanych w tego typu systemach. Czujniki natężenia światła oraz fotokomórki są w stanie wykrywać niewielkie zmiany poziomu natężenia światła, co pozwala m.in. na rozróżnianie pomiędzy dniem a nocą. Czujniki koloru RGB mogą badać skład widma promieniowania emitowanego przez źródło światła, dzięki czemu możliwa jest kalibracja tego elementu, pozwalająca na uzyskanie określonej barwy emitowanego światła. Detektory promieniowania podczerwonego mogą być wykorzystywane do detekcji obecności osób w pomieszczeniu, co skutkować może automatycznym załączaniem oraz wyłączaniem odpowiednich stref oświetleniowych.
Bardziej zaawansowane systemy korzystać mogą nawet z mikroskopijnych spektrometrów, pozwalających na dokładne dopasowanie parametrów oświetlenia do rytmu dobowego oraz na korekcję niedokładności emitowanego sygnału świetlnego, wynikającą m.in. ze zmian starzeniowych diod LED.
Przykładowe systemy oraz platformy inteligentnego oświetlenia
W ofercie większości wiodących producentów oświetlenia znaleźć można nie tylko moduły oświetleniowe LED, ale również systemy oraz platformy pozwalające na tworzenie gotowych rozwiązań dla całego budynku lub obszaru. W dalszej części tekstu przedstawione zostaną najpopularniejsze rozwiązania dostępne obecnie na rynku.
Philips Hue
Philips Hue to system inteligentnego oświetlenia składający się z czterech głównych komponentów: modułów świetlnych LED, bramki połączonej z Internetem, serwisu internetowego oraz aplikacji mobilnej. Platforma udostępnia API pozwalające na przesyłanie oraz odbieranie komend od poszczególnych elementów systemu. Wchodzące w skład systemu lampy LED wyposażone są w diody LED RGB, zdolne do wytwarzania oświetlenia w szerokim zakresie kolorów oraz jasności. Komunikacja w systemie może odbywać się w topologii kraty – poszczególne komponenty mogą pełnić funkcję węzłów przekazujących wiadomości w obrębie systemu, co zwiększa niezawodność oraz zasięg całego rozwiązania.
Wykorzystywane w systemie technologie komunikacyjne obejmują stos Ethernet (na poziomie bramki) oraz protokół ZigBee Light Link. Sterowanie oświetleniem odbywa się za pomocą API (Application Program Interface) zgodnego ze specyflkacją REST oraz opartego na protokole HTTP. Każde ze źródeł światła obecnych w systemie ma własny adres URL, unikatowymi URL oznaczone są również sterowalne parametry poszczególnych komponentów. Sterowanie wartościami tych parametrów odbywa się zatem poprzez przesyłanie nowych wartości na jego adres URL.
Platforma Lifx
Platforma Lifx wykorzystuje komunikację w standardzie Wi-Fi. Jest przeznaczona przede wszystkim do rozwiązań domowych. System składa się ze źródeł światła, bramki oraz aplikacji mobilnej. Poszczególne komponenty systemu komunikują się za pośrednictwem standardu Wi-Fi. Pewną nowością jest możliwość sterowania oświetleniem za pomocą aplikacji zainstalowanej na urządzeniach noszonych, jak np. smartwatch. System zintegrowany jest z wieloma popularnymi platformami do obsługi automatyki domowej, jak np. Nest, SmartTh ings, Harmony oraz Scout Alarm. Ma kilka dodatkowych funkcjonalności, jak możliwość odtwarzania muzyki czy kreator motywów oraz schematów oświetlenia. Komponenty systemu przeznaczone są przede wszystkim do użytku wewnątrz pomieszczeń, mogą być jednak montowane na zewnątrz, jeśli nie są narażone na bezpośredni kontakt z wodą. Nadają się też do montażu w łazienkach oraz innych miejscach o podwyższonym poziomie wilgotności. System LIFX pozwala także na integrację z kamerami monitoringu, m.in. poprzez opcję night vision, czyli nocny tryb pracy.
Belkin WeMo
WeMo Smart to kolejny system do sterowania pracą lamp LED do zastosowań domowych. Komunikacja w systemie oparta jest na standardzie Wi-Fi – za pomocą tego protokołu odbywa się zarówno wymiana danych pomiędzy bramką a oświetleniem, jak i połączenie bramki z Internetem. Wchodząca w skład systemu aplikacja mobilna dostępna jest dla urządzeń z system operacyjnym Android, iOS oraz Kindle. Pozwala na ręczne oraz automatyczne sterowanie oświetleniem, w tym tworzenie harmonogramów czasowych. Pełniące funkcję bramki urządzenie WeMo Link pozwala na jednoczesne sterowanie 50 źródłami światła. Aplikacja WeMo pozwala na integrację z serwisem IFTTT, co umożliwia tworzenie bardziej rozbudowanych reakcji obejmujących inne urządzenia oraz systemy. Przykładowo, możliwe jest otrzymanie wiadomości SMS lub e-mail po wykryciu otwarcia drzwi frontowych lub załączenie świateł po zachodzie słońca.
Cree Connected
Platforma opracowana przez flrmę Cree oferuje lampy LED zdolne do komunikacji z urządzeniem (hubem) ZigBee Wink. Praca oświetlenia może być zarządzana za pomocą aplikacji mobilnej dla systemów iOS oraz Android. Cechą charakterystyczną tej platformy jest możliwość integracji z wieloma różnymi systemami sterowania automatyką domową, jak np. Wink, SmartTh ings oraz WeMo.
Flux Smart LED
Lampy LED systemu Flux komunikują się za pomocą interfejsu Bluetooth. Do konstrukcji systemu niezbędne są jedynie moduły świetlne oraz urządzenie mobilne wraz z zainstalowaną aplikacją. System przeznaczony jest do zastosowań domowych i pozwala na tworzenie szerokiej palety barw. Możliwe jest jednoczesne kontrolowanie do 50 urządzeń za pomocą jednego urządzenia mobilnego.
SiteWorx/Digital Lumens
Platforma SiteWorx autorstwa firmy Digital Lumens to bezprzewodowe rozwiązanie do sterowania oświetleniem w aplikacjach przemysłowych. Komponenty systemu wyposażone są we wbudowany czujnik obecności, oferują ponadto możliwość monitorowania zużycia energii oraz optymalizacji jej wykorzystania. System pozwala na nadzorowanie pracy jego elementów w czasie rzeczywistym oraz automatyczne wprowadzania rozwiązań mających na celu poprawę efektywności energetycznej. W skład systemu wchodzi aplikacja mobilna oraz dla komputerów biurowych, wyposażona w szereg narzędzi analitycznych oraz statystycznych. Za pomocą jednej aplikacji możliwe jest jednoczesne sterowanie pracą oświetlenia w wielu oddzielnych lokalizacjach.
Samsung smartThings
Oświetlenie LED produkowane przez flrmę Samsung przeznaczone jest do pracy w systemie smartTh ings, będącym rozbudowaną platformą do obsługi urządzeń IoT oraz automatyki domowej. Platforma wspiera wymianę danych za pomocą standardów ZigBee, DALI oraz Bluetooth. Pozwala na tworzenie rozległych sieci urządzeń, przetwarzanie pochodzących z nich danych oraz programowanie odpowiednich reakcji na wykryte zdarzenia. Otwarta architektura systemu pozwala na dołączanie nowych typów modułów. Do podstawowych funkcjonalności systemu zaliczyć można także monitorowanie zużycia energii elektrycznej w czasie rzeczywistym oraz możliwość aktualizacji flrmware poszczególnych węzłów systemu drogą radiową (OTA, Over the Air).
Ledmotive IoT
Firma Ledmotive produkuje lampy LED o modyflkowalnym widmie promieniowania. Platforma przeznaczona do zarządzania tymi układami wyposażona jest w bramkę systemu, aplikację mobilną oraz usługi w chmurze. Komunikacja pomiędzy modułami w systemie odbywać się może poprzez protokół Bluetooth, Wi-Fi oraz DALI. System oferuje użytkownikom możliwość precyzyjnego sterowania parametrami oświetlenia oraz implementację własnych algorytmów automatyzacji.
Witold Zadumińskikierownik działu B+R w Centrum Badawczo-Produkcyjnym Systemów Fotowoltaicznych Masters
Podstawowym kryterium doboru źródła LED, poza oczywiście ceną, jest moc i ewentualnie temperatura barwowa. Niestety nijak się to nie wiąże w świadomości zamawiających z wymaganą wielkością banku energii (pojemność akumulatorów). Widzę to w tym, że klient często umieszcza w specyfikacji silne źródło światła (np. 50 W), pojedynczy moduł PV o mocy rzędu 100–200 Wp i akumulator 100 Ah jednocześnie wymagając kilkudniowej autonomii nie dostrzegając, że to razem się nie jest w stanie zbilansować energetycznie. Liczy się również konstrukcja – wysokość umieszczenia źródła światła, czas pracy autonomicznej oraz moc oprawy. |
Interfejsy komunikacyjne
Kluczem do sukcesu podczas konstrukcji systemu sterowania oświetleniem jest zapewnienie odpowiedniego sposobu wymiany danych pomiędzy elementami systemu. Istnieje wiele standardów komunikacyjnych, zarówno przewodowych, jak i bezprzewodowych. W przypadku infrastruktury o znaczeniu krytycznym oraz systemów oświetlenia ulicznego ze względu na wymaganą niezawodność bardzo często konieczne jest korzystanie z komunikacji przewodowej, zazwyczaj opartej na standardzie DALI, Ethernet lub liniach zasilania.
Systemy oświetlenia domowego oraz inne niekrytyczne aplikacje mogą swobodnie korzystać z interfejsów bezprzewodowych. Do najbardziej popularnych zaliczyć można BLE (Bluetooth Low Energy), ZigBee Light Link, VLC oraz Wi-Fi w przypadku instalacji wewnątrz pomieszczeń, a także 6LoWPAN w przypadku instalacji na bardziej rozległych obszarach. Najpowszechniej wykorzystywane standardy przedstawiono w tabeli 1.
Współcześnie jednym z kłopotów branży oświetleniowej pozostaje brak jednomyślności co do standardu wymiany danych, co wywołuje spore problemy z interoperacyjnością poszczególnych modułów LED. Od kilku lat trwają prace nad wprowadzeniem większej standaryzacji – jest to głównym celem projektu OpenAIS, deflniującego otwartą architekturę dla systemów IoT, w tym dla układów oświetlenia.
Komunikacja VLC
Współczesne pomysły na wykorzystanie światła widzialnego do komunikacji koncentrują się przede wszystkim na technologii Li-Fi. Standard Li-Fi (Light Fidelity) po raz pierwszy zaprezentowany został w 2011 r. Transmisja danych odbywa się za pomocą modulacji światła widzialnego sygnałem o wysokiej częstotliwości, na tyle szybko, że zmiany te nie są widoczne dla ludzkiego oka, nie wywołują zatem efektu migotania. Podczas transmisji nadajnik (źródło światła) musi pozostać włączony, może być on jednak przyciemniony do poziomu niewidzialnego dla ludzkiego oka, wciąż jednak wystarczającego do realizacji transmisji. Technologia Li-Fi pozwala na transfer danych z prędkością sięgającą ok. 200 Gbit/s, jednak przy dość mocno ograniczonym zasięgu. Modulacja sygnału odbywa się poprzez cykliczne przełączanie prądu zasilania diody LED z bardzo wysoką częstotliwością.
Koncepcja transmisji danych z wykorzystaniem światła widzialnego wydaje się szczególnie atrakcyjna w przypadku systemów sterowania oświetleniem. Zauważyć można coraz więcej eksperymentalnych oraz prototypowych rozwiązań wykorzystujących tę technologię – zapewne w najbliższym czasie należy się spodziewać wzrostu zainteresowania tą gałęzią komunikacji.
Podsumowanie
Należy oczekiwać, że systemy inteligentnego sterowania oświetleniem będą cieszyć się w nadchodzących latach coraz większą popularnością, związaną m.in. z ciągłym rozwojem nowych platform oraz ekosystemów. Rozwiązania te znajdują zastosowanie zarówno w aplikacjach domowych, jak i w przemyśle, sferze biurowej oraz obiektach publicznych.
Na obecnym etapie rozwoju branży trudno jeszcze mówić o standaryzacji stosowanych technologii oraz protokołów komunikacyjnych. Producenci oświetlenia często na własną rękę rozwijają swoje platformy, przystosowane do obsługi oferowanych przez siebie produktów. Wiele modeli modułów LED charakteryzuje się również kompatybilnością z bardziej rozbudowanymi systemami IoT, integrującymi wiele różnych rodzajów układów oraz czujników.
Damian Tomaszewski
