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智慧照明應用趨勢暨系統設計實務特別報導

先進控制/通訊技術就位 智慧照明應用大放光芒

文‧黃耀瑋 發布日期:2013/12/09 關鍵字:智慧照明先進控制通訊技術燈具

智慧照明市場將更加蓬勃。隨著LED線性驅動、數位調光和光電一體設計技術更趨成熟,加上照明系統有線及無線通訊方案逐一到位,智慧照明系統無論在體積、功耗、聯網及操控性能上皆突飛猛進,因而已快速滲透數位家庭、建築及公共設施等領域。

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智慧照明(Smart Lighting)可視為智慧電網(Smart Grid)的延伸,在整個智慧化能源管理產業及智慧家庭的發展上皆扮演重要角色。  

與傳統照明方案相比,智慧照明最大差異在於可引進發光二極體(LED)、通訊、自動化控制及環境感測功能,因此新的燈具系統設計也增添不少技術挑戰,如何在相容傳統燈具的前提下,循序漸進朝智慧照明發展,已成為供應鏈業者首要努力方向。  

NEMA/IEC推燈具標準 智慧照明時代加速來臨

著眼於此,美國電器製造商協會(NEMA),以及國際電工委員會(IEC)等標準組織皆已相繼投入研擬新一代智慧照明燈具系統標準,並可望於2014年揭露技術架構及功能性安全等規範雛型,將有助具通訊與自動控制功能的智慧照明應用加速成形,為照明產業及通訊供應鏈引來新商機。  

UL台灣工程部專案經理劉耀文
圖1 UL台灣工程部專案經理劉耀文提到,各國照明政策將是影響當地導入智慧照明系統快慢的關鍵。

除燈具系統外,該標準還將一併納入智慧照明控制軟體、連接介面和功能性安全等考量,以建立智慧照明共通平台,加速擴大市場規模,同時也避免消費者全面換裝智慧照明系統而墊高成本。  UL台灣工程部專案經理劉耀文(圖1)表示,智慧照明發展風潮勢不可當,各大國際標準組織正馬不停蹄展開智慧照明系統相關規範的探討,其中,尤以北美的NEMA協會進展最快,該協會的核心成員UL已計畫於今年底前提案,並於2014年起草智慧照明燈具標準。  

劉耀文強調,NEMA標準一向扮演照明產品進入北美市場的把關者,且歐洲、日本等國家也多以此做為該國標準的依據,足見其影響力不容小覷。現階段,該協會正廣泛涉足建築、公共設施、路燈/交通號誌及家庭的智慧照明燈具及互通機制研究,將成串連照明與ICT產業的重要推手。  

除了NEMA以外,IEC近期也已成立TC34小組委員會,加緊研擬新一代燈具系統標準。儘管目前該小組還停留在定義智慧照明系統的初步階段,但包括測試驗證方法、應用覆蓋範圍,甚至是能源採集(Energy Harvesting)等周邊應用技術都已納入小組會議排程,未來幾年可望成為全球重要的智慧照明標準參考來源,對相關解決方案商用化將有極大的助益。  

劉耀文認為,隨著兩大國際標準組織開始勾勒智慧照明願景,包括國際照明大廠、LED燈源、封裝與驅動電路解決方案供應商,以及通訊晶片業者皆已競相加碼投資,將使整個智慧照明產業鏈活絡起來,並促進照明技術不斷翻新。  

智慧照明蓄勢待發 LED驅動器/封裝掀革

為與傳統照明系統燈具架構相容,智慧照明的LED驅動器與封裝技術變革已率先啟動。由於智慧照明系統電路板設計空間極為有限,因此LED驅動器與封裝業者已加速研發整合驅動電路及LED光源的光電一體化方案,以及DOB(Driver on Board)和COB(Chip on Board)等新式封裝技術。  

NPD DisplaySearch分析師佘慶威
圖2 NPD DisplaySearch分析師佘慶威認為,日本和美國市場對智慧照明系統的需求正持續上升。


不過,LED智慧照明除須增加通訊、感測及智慧化自動控制功能外,更重要的是要相容傳統燈具,以避免大幅度的照明系統變動而影響消費者採用意願,同時降低整體安裝成本。佘慶威強調,在照明系統的體積限制下,LED驅動晶片商與封裝業者已將整合驅動電路及光源的光電一體化LED設計視為布局重點,緊鑼密鼓開發新的LED驅動IC,以及DOB和COB等微型化封裝解決方案。  NPD DisplaySearch分析師佘慶威(圖2)表示,北美、日本及中國大陸正全力推廣節能政策,並以補貼方式鼓勵民眾及企業換裝LED燈具,遂給予LED照明破舊立新的動能,加快整個產業的發展腳步。隨著LED產品價格逐漸逼近傳統照明方案,滲透率與日俱增,更前瞻的智慧照明概念也應運而生,已吸引飛利浦(Philips)、歐司朗(OSRAM)、東芝(Toshiba)及Rambus等照明方案供應商競相發動新產品攻勢。  

佘慶威分析,以飛利浦最新推出的智慧照明解決方案--hue為例,即採光電一體化的設計,並結合ZigBee、LED燈及行動裝置應用程式,提供調光及無線網路控制功能。攤開hue物料清單(BOM)成本列表,非驅動電路的LED光源與散熱機構僅占15%左右,而整合通訊與控制方案的驅動電路則高達75%,足見驅動電路設計將是推進智慧照明發展的重心。  

據悉,目前包括德州儀器(TI)、快捷(Fairchild)及戴樂格半導體(Dialog Semiconductor)皆致力研發低功耗、小尺寸及更高功能整合度的LED驅動IC,並將搭配ZigBee、低功耗藍牙(BLE)或數位可定址介面(DALI)等相關控制技術。  

至於LED封裝廠則加碼投資中高功率LED的DOB、COB產線,以直接將LED驅動IC、印刷電路板與燈具結合,協助系統業者實現光電一體化架構,滿足智慧照明系統的要求。  

智慧照明不僅牽動LED驅動器架構轉變,也將促進新的電路布局及調光(Dimming)技術陸續現身,從而實現更便利、更低成本的數位化控制方案。  

加速照明數位化 LED驅動/調光技術升級

達鑫電子市場行銷部產品行銷專案經理張君源
圖3 達鑫電子市場行銷部產品行銷專案經理張君源表示,LED驅動電路設計將加速朝光電一體架構邁進。

張君源強調,由於LED驅動器設計愈趨複雜,加上各種新功能需求陸續浮現,因此新一代非隔離線性驅動方案可望順勢崛起。該技術有助簡化LED驅動器電路布局,並可省略電解電容及隔離元件,從而加速實現光電整合設計,使所有LED驅動電路元件及組成的PCB板都做到LED燈具內,並相容現有的照明系統。  達鑫電子市場行銷部產品行銷專案經理張君源(圖3)表示,LED驅動器係實現智慧照明重要元件,除了基本的晶片體積、功耗和效能要求外,還須加入自動調光及低成本設計考量,方能讓照明系統真正智慧化,且有足夠吸引力刺激消費者埋單。  

事實上,隨著LED光源功率不斷攀升,終端產品價格持續下降,LED驅動IC占整體照明燈具成本的比重愈來愈突顯,遂刺激晶片商競相加碼開發更高整合度的線性驅動方案,方能符合系統廠縮減物料清單(BOM)成本的需求。張君源也透露,目前飛利浦及歐司朗等照明大廠皆已計畫改搭線性驅動或類似解決方案,促進終端產品價格更加親民。  

戴樂格固態照明產品行銷總監Hubie Notohamiprodjo
圖4 戴樂格固態照明產品行銷總監Hubie Notohamiprodjo指出,LED數位調光技術可望全面取代傳統Phase-cut調光方案

Notohamiprodjo特別強調,DLT方案基於IEC62756的開放性標準,支援數位可定址多通道通訊協定,可延展既有採用相切(Phase-cut)技術的LED系統調光精準度及電源效率,同時解決各種調光技術挑戰,將成為下世代商用建築、家庭智慧照明自動化的重要推手。  至於LED調光技術方面,戴樂格固態照明產品行銷總監Hubie Notohamiprodjo(圖4)則指出,在照明供應商全速推動智慧照明之際,傳統TRIAC調光方案將逐漸式微,並將由脈衝寬度調變(PWM)、無線區域網路(Wi-Fi)/ZigBee/6LoWPAN無線調光,以及LEDOTRON DLT(Digital Load Side Transmission)等數位調光技術接替其地位。  

據悉,歐司朗為DLT控制技術主要支持者,近期該公司已宣布旗下LED照明產品未來將全面導入DLT方案,以增添智慧照明系統利用價值。Notohamiprodjo認為,未來1?2年將是LED照明邁向數位調光的關鍵期,相關的LED驅動晶片及系統解決方案可望大量出爐,成為供應鏈業者新的技術戰場。  

看好DLT未來發展,包括戴樂格、Maxim Integrated等LED驅動器晶片商亦相繼啟動DLT設計案,並計畫於2014?2015年導入量產。其中,戴樂格將搶先於2013年第四季發布DLT產品,協助LED模組及燈具系統業者達成更高效率、更低成本的智慧照明控制方案。  

另一方面,通訊機制則是晶片與照明供應商實現智慧照明系統另一大研發焦點,現階段,各種有線及無線技術正處於百家爭鳴的局面,包括電力線通訊(PLC)、Wi-Fi 802.11n/ac、ZigBee、Z-wave、藍牙低功耗,甚至GPRS行動通訊等技術陣營皆亟欲搶占智慧照明商機,使市場頓時硝煙瀰漫。  

全面滲透智慧照明 ZigBee加Wi-Fi設計火紅

鉅景科技無線通訊事業處資深協理劉尚淳
圖5 鉅景科技無線通訊事業處資深協理劉尚淳認為,SiP封裝對LED控制與通訊晶片的整合將大有助益

劉尚淳認為,考量布線複雜度及使用方便性,現階段以無線通訊技術實現智慧照明的呼聲較高,特別是具備超低功耗且支援數萬節點的ZigBee,以及在行動裝置市場發展極為成熟的Wi-Fi更是系統廠最關注的兩大焦點。不僅如此,更有業者開始投入布局ZigBee加Wi-Fi整合型方案,以兼具ZigBee的低功耗網狀網路架構,以及Wi-Fi裝置的超高滲透率優勢,加速智慧照明應用成形。  鉅景科技無線通訊事業處資深協理劉尚淳(圖5)表示,智慧照明係家庭自動化的一環,須符合中長距離、低功耗連接及主控端/受控端雙向溝通等設計要求,才能與各種家庭聯網設備協同運作,對系統廠而言,選擇合適的有線或無線通訊方案至為關鍵。  

劉尚淳分析,ZigBee網狀網路的設計概念非常好,甚至其標準組織還針對智慧照明的應用量身打造ZigBee Light Link標準,然而,其一直以來的市場發展卻陷入牛步,主要原因就是缺乏與外部通訊網路連結的能力,導致系統廠縮手投資或持觀望態度。也因此,ZigBee與Wi-Fi融合設計正逐漸走紅,進而牽動照明應用通訊晶片的設計轉變。  

然而,由於智慧照明燈具必須在原先的燈泡尺寸中,再加入LED驅動器、微控制器(MCU)、交流對直流(AC-DC)轉換器及有線/無線收發器,因此設計空間相當局限,若要在通訊晶片內同時支援ZigBee與Wi-Fi通訊協定,勢必要改搭系統級封裝(SiP)技術,以實現更微型化的晶片設計。  

著眼於此,劉尚淳透露,鉅景正致力擴充ZigBee加Wi-Fi的SiP模組產品陣容,同時將針對智慧照明的應用開發各種加值軟體,將有助推升照明市場對智慧照明系統的接受度。此外,為滿足各國市場不同需求,該公司還計畫將產品觸角拓展至更多元的無線通訊晶片堆疊設計,包括Wi-Fi加藍牙(Bluetooth)、Wi-Fi加近距離無線通訊(NFC)等。  

擴張照明控制範圍 PLC/802.11ah異軍突起

除了無線技術相互融合外,有線與無線技術的結合在智慧照明應用領域亦備受矚目,SiP方案供應商和無線通訊晶片業者正醞釀結合有線電力線通訊(PLC)與ZigBee方案,以減輕系統整合商大舉擴張無線節點的高成本,並增加智慧照明系統布建靈活性。  

 高通創銳訊資深業務發展經理任威
圖6 高通創銳訊資深業務發展經理任威強調,802.11ah將與802.11ac、Miracast組成更強大的Wi-Fi生態系統

高通創銳訊(Qualcomm Atheros)資深業務發展經理任威(圖6)表示,PLC在北美、歐洲等先進國家的數位家庭應用市場已行之有年,儘管該技術的滲透率不如乙太網路(Ethernet)等解決方案普及,但近來各種家用嵌入式系統智慧化浪潮興起,加上Gbit/s傳輸速率等級的晶片已蓄勢待發,PLC可望捲土重來,全面進駐家庭。  

任威認為,智慧照明即是PLC較佳的切入點,原因在於照明控制可望與智慧電網或家庭智慧能源管理系統整合,形成龐大的家庭異質網路,在各個應用環節中將存在不同的有線或無線技術,且系統須因應資料容量無縫切換高/低速傳輸機制以節省功耗;對此,PLC在國際電機電子工程師學會(IEEE)1905.1標準的推波助下,可望躍居串連家庭異質網路的核心角色,重要性與日俱增。  

據悉,AT&T、中國電信及歐洲主要電信商正密集布建家庭PLC網路。其中,AT&T可望於今年底正式擴大採購,而中國電信則將於2014年決定採行HomePlug或G.hn標準,至於歐洲電信商則已開始投入HomePlug PLC網路建置,足見PLC在智慧家庭的帶動下已逐漸翻紅。  

另一方面,Wi-Fi也藉由在行動裝置市場建立的穩固基礎,開始擴張智慧家庭的應用版圖,特別是近期已開始商用的高速802.11ac規格,以及正逐漸萌芽的中長距離802.11ah新標準,均將在未來的智慧家庭影音串流或家電控制領域占有一席之地。  

任威強調,802.11ac首度將無線通訊速率推升至媲美Gbit/s有線方案的層級,有助打破以往802.11n的限制,讓智慧家庭應用展現更多創意(圖7)。至於新一代的802.11ah標準部分,IEEE已於2013年7月提出第一版標準草案,2014年將再發布更完整的版本,並可望於2015年正式底定規範;其採用Sub-GHz頻段,僅須1?1.5伏特(V)的電壓運作,並支援約2.5公里的中長距離傳輸範圍,勢將掀動新的無線網路技術汰換潮。  

802.11ah網路架構概念圖
圖7 802.11ah網路架構概念圖

任威也透露,高通創銳訊將於2014?2015年搶先發表802.11ah晶片,以配合802.11ac、HomePlug AV2等高速通訊方案,持續壯大該公司在感測器網路(Sensor Networking)及物聯網(IoT)市場的實力。  

除了通訊和控制系統設計以外,智慧照明另一個重要元素則是感測方案。  

感測器加雲端控制平台 智慧照明商用方案出爐

佘慶威提到,許多照明大廠已將微機電系統(MEMS)、CMOS影像感測器(CIS),甚至是手勢辨識等感測機制納入智慧照明系統設計的一環;而Panasonic更提出LED光通訊的概念,可結合手機的全球衛星定位系統(GPS),提供室內導航的創新應用,在在可望掀動另一波龐大智慧照明市場商機。  

資策會智通所研發協理蔡坤成
圖8 資策會智通所研發協理蔡坤成提到,感測器對智慧照明系統設計成敗影響重大,系統廠必須依建置環境慎選感測方案。

資策會智通所研發協理蔡坤成(圖8)則表示,智慧照明概念將快速延展至情境照明等更加人性化的使用模式,以及大規模道路照明管理層面,因此搭配感測器依環境變化調整照度、色調的設計已勢不可當。目前照明系統整合商在感測器的選擇上,多以低成本的紅外線感測器為主,亦有廠商選用微波感測器、MEMS加速度計,動態調整燈光。  

蔡坤成透露,近來台灣公家機關與資策會已成功推行停車場及道路智慧照明應用,可協助管理單位即時診斷LED照明設備是否故障,並透過PLC路由器(Router)統一管理,進而縮減維運人力開支。  

安提亞科技總經理吳定豐(圖9)補充,要完整發揮智慧照明的自動化控制、通訊功能及感測系統價值,還須搭配智慧插座、雲端控制器與用戶操作平台。因此,安提亞已透過獨家iPLC控制器專利,利用現行的寬頻PLC技術基礎,實現更能適應家中複雜通訊環境且具備配線彈性的智慧照明網路架構,且數位調光功能可達到1%的電流控制精準度。  

安提亞科技總經理吳定豐
圖9 安提亞科技總經理吳定豐指出,智慧照明已成市場大勢所趨,台灣照明產業上下游供應鏈業者須加緊展開卡位。

吳定豐認為,無線方案雖有便利性,但網路布建成本一定高於有線架構,對初期智慧照明進駐家庭極為不利,因此低成本且具靈活性的PLC方案才是快速擴大智慧照明市場規模的利器。目前該公司的iPLC方案正大舉在商用智慧照明市場攻城掠地,包括高雄國際貿易廳、各種商辦大樓及會議室均可見其蹤跡,未來則計畫進軍消費性家用市場。  

無庸置疑,智慧照明發展已明顯增溫,據市場研調機構NPD DisplaySearch最新報告指出,智慧照明市場產值將於2013年達到9,100萬美元的規模,並將於2014年翻倍成長至2億5,000萬?3億美元,發展到2019年更將上看14億7,100萬美元的規模(圖10),無疑為LED照明供應鏈創造出新的藍海市場。

2013~2019年智慧照明市場產值預估
圖10 2013~2019年智慧照明市場產值預估
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