هوشمند سازی

سیستم روشنایی هوشمند

سیستم روشنایی هوشمند

روشنایی هوشمند

در یک ساختمان، روشنایی 20 تا 60 درصد از کل مصرف انرژی الکتریکی را شامل می شود. برای روشن و خاموش کردن لامپ با کلید، گاهی اوقات افراد هنگام خروج از اتاق فراموش می کنند که آن را خاموش کنند. جایی که لامپها بر اساس نیاز کار نمی کنند، این امر منجر به عدم استفاده بهینه انرژی و تحمیل هزینه اضافی می شود. برای غلبه بر این مشکل ، یک سیستم روشنایی هوشمند با استفاده از مفهوم اینترنت اشیاء طراحی می شود تا بتوان چراغ ها را از راه دور کنترل و نظارت کرد.

این مقاله به بررسی تأثیرات اقتصادی، اجتماعی و محیطی اتخاذ معماری های مختلف روشنایی هوشمند برای اتوماسیون خانه در دو منطقه جغرافیایی و مقرراتی می پردازد. نورپردازی مقدار قابل توجهی انرژی مصرف می کند و دستگاه هایی برای ارائه روشنایی هوشمند جزء پرفروش ترین دستگاه های خانه هوشمند هستند. از آنجا که راه حل های تجاری با ویژگی های متفاوتی ارائه می شوند، ما از طریق این مقاله تأثیر هر یک از ویژگی های مرتبط با انرژی را ارزیابی می کنیم و روشهایی را که سهم بیشتری در صرفه جویی انرژی دارند، ارائه می دهیم. این مطالعه با بررسی پیشرفته ترین راه حل های تجاری تجاری کنترل روشنایی مبتنی بر فناوری اطلاعات و ارتباطات آغاز می شودکه امکان استخراج ویژگی های مرتبط با انرژی را فراهم کرد. بر اساس نتایج این مطالعه، ما سناریوهای شبیه سازی و معیارهای ارزیابی را برای ارزیابی تأثیر کم نور، برداشت نور روز، زمان بندی و تشخیص حرکت انتخاب کردیم.

معرفی سیستم روشنایی هوشمند

بازار ساختمانهای هوشمند با افزایش مداوم محصولات و خدمات جدید در حال رونق است. رقابت در این حوزه بین سهامداران فناوری اطلاعات و ارتباطات (ICT) تهاجمی می شود و شرکت ها دائماً از پتانسیل محصولات خود برای صرفه جویی در انرژی ادعا می کنند.

در حالی که بسیاری به فناوری های خانه هوشمند در ارائه راهکارهای مدیریت انرژی پایدار اعتماد دارند، دیگران هنوز در مورد مزایای واقعی این فناوری ها شک دارند. این مقاله به بررسی (کیفی و کمی) استفاده از فناوری های هوشمند در مدیریت انرژی ساختمانها در حالی که بر سیستمهای کنترل روشنایی و سهم آنها در صرفه جویی در انرژی می پردازد. این مطالعه به برآورد کاهش مصرف انرژی به دلیل سیستم های کنترل نور محدود نمی شود، بلکه تأثیر هر یک از ویژگی های ارائه شده توسط این فناوری ها را نیز بررسی می کند. افزایش جزئیات مطالعه درک عمیق تری از آنچه ممکن است پتانسیل صرفه جویی در انرژی را افزایش دهد، ارائه می دهد. نتایج این مطالعه به محققان، مصرف کنندگان و تولیدکنندگان کمک می کند تا توانایی سیستم های کنترل را در صرفه جویی در انرژی بهبود بخشند.

برخلاف اکثر مطالعات موجود، مطالعه شبیه سازی مقایسه ای ما تنها به اندازه گیری انرژی محدود نمی شود، بلکه مشکل را از جنبه های مختلف از جمله اقتصاد (تجزیه و تحلیل هزینه و فایده)، محیط زیست (کاهش انتشار گازها و صرفه جویی در منابع) و تأثیرات اجتماعی ( افزایش درآمد واگذاری). ما این معیارها را برای خوانندگان بیشتر از میزان صرفه جویی شده انرژی بیان می کنیم. به عنوان مثال “صرفه جویی بیش از 10000 یورو در طول ده سال، صرفه جویی در محیط زیست 2000 کیلوگرم CO2 سالانه با بازپرداخت 6 ماهه” ، درک بهتری از بیان تأثیر چنین راهکار هایی نسبت به مقدار صرفه جویی “5000 کیلووات ساعت” را به دنبال دارد.

در این مطالعه دو شهر با دو ویژگی آب و هوایی متفاوت و محیط های نظارتی در مورد قیمت انرژی که بر مصرف انرژی تأثیر می گذارد مورد بررسی قرار می گیرد: الجزایر در مقابل اشتوتگارت. الجزایر روزهای آفتابی بیشتری دارد (به ویژه در زمستان) ، که این امر پتانسیل برداشت نور روز را افزایش می دهد. آلمان دارای قیمت انرژی بالاتری است که مزایای اقتصادی صرفه جویی در انرژی در اشتوتگارت را افزایش می دهد. تمرکز مطالعه بر کنترل نور است که پس از HVAC (تهویه گرمایش و تهویه مطبوع) دومین سیستم مصرف کننده انرژی در ساختمانهای امروزی است. علاوه بر این، این سیستم تأثیر قابل توجهی بر راحتی و بهره وری ساکنین ساختمانها دارد. لامپ های هوشمند یکی از فناوری های کم هزینه و آسان برای استقرار و یکی از سریع ترین محصولات در حال رشد در بازارهای اینترنت اشیا (IoT) هستند. انتظار می رود در سالهای آینده رشد مداوم داشته باشد و تا سال 2020 در دهها میلیون خانوار نفوذ کند. بررسی حدود 300 دستگاه فناوری اطلاعات و ارتباطات که توسط مصرف کنندگان پذیرفته شده است نشان می دهد که راه حل های روشنایی هوشمند یکی از پرطرفدارترین ها هستند، که انگیزه ای برای انتخاب این مطالعه است.

محصولات کنترل روشنایی در بازار مورد بررسی قرار می گیرند. بر این اساس، ما ویژگی هایی را که بیشترین صرفه جویی در انرژی را از مواردی که باعث بهبود راحتی و امنیت می شوند، استخراج می کنیم. این ویژگی ها عبارتند از: جمع آوری نور روز، کنترل میزان روشنایی، زمان بندی و تشخیص حرکت.

کار مرتبط در زمینه هوشمند سازی روشنایی

با توجه به اهمیت مدیریت انرژی در ساختمانها و پتانسیل آن، این امر برای صرفه جویی در انرژی ارائه می شود، بسیاری از تحقیقات و توسعه به بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمانهای هوشمند اختصاص یافته است. محققان و مهندسان استراتژی های کنترلی را پیشنهاد کردند که محیط هایی را ایجاد می کند که بتوانند نیازهای راحتی سرنشینان خود را برآورده کرده و در عین حال مصرف انرژی را به حداقل برسانند. سیستم های روشنایی و حرارتی با توجه به ردپای انرژی بالا و تاثیر زیاد آنها بر راحتی و بهره وری بیشتر مورد توجه قرار می گیرند. جویدن و همکاران مروری بر راه حل های ارائه شده برای بهینه سازی روشنایی ارائه شده است. آنها متداول ترین روشها برای کاهش مصرف انرژی، مانند تشخیص اشغال اتاقها و برداشت نور روز را شرح دادند. آنها پتانسیل راه حل های مختلف را با درصد صرفه جویی در انرژی اندازه گیری کردند. این مقاله همچنین راه حل هایی را برای تلاش برای بهینه سازی جلوه های غیر بصری نور، مانند کاهش سطح استرس انسان و افزایش سلامت و عملکرد کار، مورد بحث قرار می دهد. علاوه بر بهینه سازی انرژی و روشنایی، جنبه های فنی مانند اتصال بین اجزای مختلف سیستم و ارتباطات نور مرئی (VLC) مورد بررسی قرار گرفته است.

راه حلهای صرفه جویی در انرژی خانگی معمولاً مبتنی بر تشخیص اشغال هستند، که این امر باعث تحریک محققان در ارائه راه حل هایی با تمرکز بر تشخیص دقیق اشغال اتاق می شود. اطلاعات اشغال از تشخیص دوتایی (سرنشین در مقابل خالی) تا سرشماری افراد در زمان واقعی متفاوت است. کنترل روشنایی مبتنی بر اشغال در فضاهای اداری با طرح باز. به دلیل اهمیت اطلاعات مربوط به اشغال بودن، سایر محققان بر استقرار سنسورهای حرکت در ساختمان ها تمرکز کردند. پیشنهاد کرد که یک مرحله یادگیری قبل از استقرار برای تشخیص بیشترین نقاط مورد استفاده در ساختمان اختصاص داده شود و سپس استقرار حسگرهای حرکت در این نقاط متمرکز شود.

نحوه تشخیص حضور در سیستم روشنایی

نحوه تشخیص حضور در سیستم روشنایی

شکاف های میدان دید سنسورهای حرکت مادون قرمز منفعل (PIR) (که حفره های حسگر نامیده می شوند) را در نظر گرفت. در داخل این حفره های حسگر، سنسور قادر به تشخیص حرکات رخ داده نیست، که منجر به اطلاعات کاذب می شود. نویسندگان راه حلی برای همپوشانی مناطق سنجش به روشی برای پوشش این شکاف ها و افزایش دقت ارائه کردند.

سنسور تشخیص حرکت سیستم روشنایی هوشمند

سنسور تشخیص حرکت سیستم روشنایی هوشمند

با وجود پیشرفته ترین فن آوری های موجود در راه حل های ساختمان هوشمند، این حوزه هنوز به بلوغ نمی رسد. بین تحقیقات کنونی و سیستم های تجاری موجود شکاف وجود دارد. این شکاف باعث می شود وعده های ارائه شده توسط رویکردهای پیشرفته در زمینه کاهش انرژی مصرفی با واقعیتی که در راه حل های تجاری ارائه می شود متفاوت باشد. راه حل های تجاری بر زیبایی و کنترل از راه دور با استفاده از رابط های برنامه تلفن همراه تأکید می کند تا به کاربران اجازه دهد پارامترهای خروجی نور را تنظیم کرده و به عنوان اطلاعات ورودی الگوریتم های کنترل خود به این اطلاعات و داده های ابری تکیه کنند. ویژگی های مختلف ارائه شده توسط سیستم روشنایی هوشمند راه حل های تجاری را مورد بررسی قرار می دهد و بر این تفاوت در مقایسه با ادبیات موجود تأکید می کند. اثری که به طور کامل به راه حل های تجاری اختصاص داده شده است، جایی که نویسندگان پایگاه داده ای از بیش از 300 دستگاه را جمع آوری کرده و آنها را در دسته بندی ها گروه بندی کردند. آنها برای هر دسته ویژگی های اصلی دستگاه های خانه هوشمند را مشخص کردند و توضیح دادند که چگونه این ویژگی ها می تواند مصرف انرژی را کاهش دهد. با وجود این که این مطالعه بسیاری از دستگاه ها را مورد تجزیه و تحلیل قرار داد، به مقایسه کیفی محدود می شود و نویسندگان هیچ مطالعه عددی برای برآورد تأثیر ویژگی های مختلف بر مصرف انرژی انجام نداده اند.

تشخیص حضور در سیستم روشنایی هوشمند

تشخیص حضور در سیستم روشنایی هوشمند

ساختمانهای هوشمند را از نظر مشتری با پرسیدن نظرات 29 شرکت کننده پس از زندگی در یک خانه هوشمند مجهز مورد مطالعه قرار داد. این مطالعه شامل تعرفه های متغیر انرژی، اندازه گیری هوشمند، لوازم هوشمند و اتوماسیون خانه بود. نتایج نشان می دهد که انگیزه های اصلی برای پذیرش شامل پس اندازهای پولی و ردپای محیط زیست است. از سوی دیگر، هزینه های زیاد، حریم خصوصی داده ها و پیچیدگی فنی دلایل اصلی امتناع است. دیدگاه نیاز به انجام تجزیه و تحلیل عددی در مورد مزایای فناوری های جدید را با کار حاضر به اشتراک می گذارد. نویسندگان تأثیر جایگزینی روشنایی سنتی با LED در دانشگاه پردیس را ارزیابی کردند. با این حال، محدوده به تأثیر تعویض لامپ با لامپ کارآمدتر (CFL در مقابل لامپ های LED) محدود می شود، بدون در نظر گرفتن ویژگی های ارائه شده توسط لامپ های متصل هوشمند، که در کار ما مورد توجه قرار گرفته است.

مقایسه سیستم روشنایی هوشمند با انواع لامپ

مقایسه سیستم روشنایی هوشمند با انواع لامپ

سیستم های روشنایی تجاری

این بخش به تشریح راه حل های تجاری شده برای سیستم های روشنایی هوشمند مدرن اختصاص دارد. دستگاه های ذکر شده در این بخش یا راه حل هایی برای سیستم های روشنایی هستند، مانند لامپ های هوشمند و سوئیچ ها یا برای اهداف عمومی تری طراحی شده اند، اما می توانند در سیستم های روشنایی هوشمند استفاده شوند. نمونه هایی از این دستگاه ها هاب ها و سنسورهای هوشمند هستند. در ارائه ما برای هر دسته، ما با برآورد ویژگی های مربوط به انرژی و غیر مرتبط با انرژی شروع می کنیم. ما در ادامه پروتکل های ارتباطی مورد استفاده و محدوده قیمت را مورد بحث قرار می دهیم، در حالی که یک لیست کامل از محصولات موجود در پکیج ارائه می دهیم.

دستگاه های کنترل روشنایی هوشمند

این دسته شامل لامپ های هوشمند و سوئیچ شده است که هدف کلی آنها همان لامپ ها و سوئیچ های سنتی است اما دارای ویژگی های اضافی در دو بخش بعدی است.

لامپ های هوشمند

در مقایسه با لامپ های سنتی، لامپ های هوشمند طیف گسترده ای از انتخاب ها را برای کنترل و تعامل ارائه می دهند. این ویژگیها هم باعث افزایش راحتی و هم صرفه جویی در انرژی می شوند. از منظر صرفه جویی در مصرف انرژی، لامپ های هوشمند به تایمرهای برنامه ریزی شده اجازه می دهد تا خودکار بیداری، خواب و زمانبندی را تنظیم کنند. برخی از لامپ ها از GPS برای تشخیص محل دقیق تلفن هوشمند کاربر استفاده می کنند و هنگامی که کاربر به مسافت مشخصی از خانه خود می رسد چراغ ها را به طور خودکار روشن یا خاموش می کند. بسته به سازگاری، برخی از لامپ ها را می توان با سایر وسایل خانه هوشمند مانند دوربین های امنیتی، ترموستات ترکیب کرد، که به آنها امکان می دهد از اطلاعات موجود در این دستگاه ها استفاده کرده و کنترل نور را بهینه کنند.

سیستم روشنایی هوشمند توسط GPS

سیستم روشنایی هوشمند توسط GPS

ویژگی های اصلی مربوط به راحتی که توسط لامپ های هوشمند ارائه می شود، قابلیت تغییر رنگ و کنترل از راه دور آنها است. رنگ بر فضای خانه تأثیر می گذارد: دمای رنگ بالا برای روشنایی دفتر مناسب است و به بیدار ماندن، تمرکز و کار کمک می کند در حالی که دمای رنگ پایین تابشی گرم برای آرامش ایجاد می کند. برخی از لامپ ها حتی می توانند با فیلم ها و برنامه های تلویزیونی خاصی همگام شوند. با این حال، ویژگی تغییر رنگ در همه لامپ های هوشمند موجود نیست بلکه فقط در لامپ های گران قیمت موجود است. یکی دیگر از ویژگی های افزایش راحتی، گزینه کنترل از راه دور دستگاه تلفن همراه است که به کاربر اجازه می دهد روشنایی هوشمند، رنگ یا هر دو را از هر مکان، حتی در خارج از خانه تنظیم کند.

کارایی لامپ های هوشمند هنگامی که بخشی از شبکه حسگرها و سایر دستگاه های هوشمند هستند افزایش می یابد. اطلاعات ارائه شده توسط سایر عناصر موجود در شبکه به آنها امکان می دهد از تغییرات زمان واقعی محیط مطلع شده و در نتیجه خروجی خود را با این تغییرات تطبیق دهند. برخی از لامپ ها شبکه مش خود را ایجاد می کنند که نیاز به وجود یک هاب برای ارتباط با سایر دستگاه ها و تلفن هوشمند کاربر دارد. این عمدتا به دلیل رایج ترین پروتکل روشنایی بی سیم، ZigBee  است. LED های Philips Hue ،Osram Lightify LED ها، Belkin WeMo LED ها نمونه هایی از لامپ های هوشمند موجود در بازار هستند که با ZigBee ارتباط برقرار می کنند. از آنجا که تلفن های هوشمند عموماً با ZigBee فعال نیستند، اتصال بین دستگاه ها مورد نیاز است. از طرف دیگر، لامپ هایی مانند Lifx A19 می توانند مستقیماً به شبکه WiFi متصل شوند. برخی از تولید کنندگان از بلوتوث استفاده کردند تا لامپ های خود را مستقیماً با دستگاه تلفن همراه متصل کند، مانند لامپ های تولید شده توسط GE.

سیستم روشنایی هوشمند Honeywell

سیستم روشنایی هوشمند Honeywell

لامپ ها نیازی به پل یا اتصال به شبکه خانگی ندارند، اما نمی توان آنها را در خارج از محدوده بلوتوث، به عنوان مثال، در خارج از خانه کنترل کرد. استفاده از بلندگوی بی سیم مانند Amazon Echo یا Google Home به عنوان مرکز کنترل نور صوتی را امکان پذیر می کند. با این حال، این ویژگی توسط برخی از برنامه های تلفن همراه لامپ نیز ارائه می شود.

بسته به ویژگی های ارائه شده، قیمت هر لامپ هوشمند از 151 یورو تا 70 یورو متغیر است. اکثر لامپهای موجود لامپهای A شکل با پایه های پیچ دار به شکل E هستند. که سازگاری آنها را با سایر انواع وسایل، به عنوان مثال، لوستر محدود می کند.

سوئیچ های هوشمند

سوئیچ های دیواری هوشمند به جای هوشمند سازی لامپ، به طور خودکار کلیدهای روشن/خاموش دیواری را امکان پذیر می کند. جایگزینی یک سوئیچ تک سیم کشی چند لامپ یا اتوماسیون لامپ های کوچک پیچ دار پایه ای که لامپ های هوشمند برای آنها در دسترس نیست، مفید است. با پیشنهاد تایمر، کاهش نور هوشمند و امکان بهینه سازی کارایی روشنایی در ترکیب با سنسورها، سوئیچ های هوشمند دارای ویژگی های صرفه جویی در انرژی مشابه با لامپ های هوشمند هستند.

سوئیچ های هوشمند پیچیده تر و گران تر، صفحه نمایش لمسی رنگی، بلندگوها و میکروفون های داخلی را برای عملکرد اینترکام ارائه می دهند با این حال، این سوئیچ ها با توجه به قیمت بالایی که دارند، در حالی که گزینه های مشابه یا محدودی را در مقایسه با لامپ های هوشمند ارائه می دهند، به موفقیت مورد نظر سازندگان خود نمی رسند.

مشابه لامپ های متصل، اکثر سوئیچ های هوشمند از طریق WiFi (به عنوان مثال، سوئیچ Belkin WeMo) یا ZigBee (به عنوان مثال، سوئیچ هوشمند GE دیواری) متصل می شوند. سوئیچ هایی که توسط ZigBee ارتباط برقرار می کنند برای اتصال با تلفن هوشمند به یک هاب نیاز دارند.

سیستم روشنایی هوشمند Belkin WeMo

سیستم روشنایی هوشمند Belkin WeMo

Lutron، یک شرکت تخصصی در زمینه روشنایی هوشمند، از سیگنال اختصاصی Lutron خود استفاده می کند.

سیستم روشنایی هوشمند Lutron

سیستم روشنایی هوشمند Lutron

قیمت سوئیچ های هوشمند حدود 50 یورو است که در مقایسه با لامپ های هوشمند آنها را انتخاب گرانتری می کند. افزایش سیستم روشنایی خانه با کلیدهای هوشمند به اندازه لامپ های هوشمند مقرون به صرفه نیست مگر اینکه از آنها برای کنترل چندین لامپ استفاده شود. استفاده از سوئیچ های هوشمند ممکن است صرفه جویی در مصرف انرژی کمتری را در مقایسه با لامپ ها حتی با استفاده از همان استراتژی کنترلی در مواردی که لامپ های مورد استفاده توسط سوئیچ ها کارآمد نیستند، به عنوان مثال، استفاده از سوئیچ هوشمند برای کنترل لامپ رشته ای 60 وات. از سوی دیگر، لامپ های هوشمند همه لامپ های کم مصرف LED با توان کمتر از 11 وات هستند. به همه این دلایل، ما در مطالعه شبیه سازی خود لامپ های هوشمند را در نظر می گیریم.

سیستم روشنایی هوشمند Lutron

سیستم روشنایی هوشمند Lutron

هاب هوشمند و بلندگوهای بی سیم

Bluetooth LE ،Lutron Clear Connect ،WiFi ،Z-Wave و ZigBee پروتکل های ارتباطی هستند که در راه حل تجاری سازی اتوماسیون خانگی گنجانده شده اند. نقش یک مرکز اتوماسیون خانگی این است که دستگاه های متصل را متحد کرده و آنها را با یکدیگر صحبت کند. هاب ها همچنین با گروه بندی همه آنها در یک برنامه هوشمندانه، جذاب و بصری به جای استفاده از رابط اختصاصی برای هر دستگاه، کنترل این دستگاه ها را آسان می کنند. قیمت هاب هوشمند از 49 یورو شروع می شود و ممکن است تا 350 یورو برای کسانی که از استانداردهای زیادی پشتیبانی می کنند و دارای امنیت بالاتری هستند، دارای رابط کاربری و سخت افزار گسترده است. پشتیبانی از IFTTT (If This Then That) نیز مفید است، زیرا روشهای مختلفی را برای پیکربندی و راه اندازی دستگاه های متصل ارائه می دهد. بلندگوهای بی سیم مانند Google home و Amazon alexa به کاربر اجازه می دهد دستگاه های سازگار خود را با دستورات صوتی کنترل کند.

سیستم روشنایی هوشمند با فرامین صوتی

تشخیص زمان واقعی با استفاده از سنسورها: سنسور حرکت و نور

اگر خانه بتواند بسته به پویایی محیط، اجزای کنترل شده (مانند سیستم روشنایی) را تنظیم کند، هوشمندتر است. حسگرها چشمانی هستند که اجازه می دهند داخل ساختمان “ببینند” و به تغییرات واکنش نشان دهند. بازار مجموعه ای کامل از سنسورها را برای خانه های هوشمند با اهداف مختلف اعم از انرژی، راحتی و امنیت ارائه می دهد. ما ممکن است به آشکارسازهای نشت و یخ از Roost و Honeywell، سنسورهای دمای اتاق Eco bee و اشغال و سنسورهای آب و هوا اشاره کنیم. با این حال، در این بخش، ما بر مواردی که بر عملکرد نور هوشمند تأثیر می گذارد تمرکز می کنیم: حسگرهای اشغال و نور. در خانه های هوشمند، سنسورهای باز شدن درها و پنجره ها محبوب هستند. سنسورهای باز/بسته شدن را می توان به در یا پنجره متصل کرد و در صورت باز شدن پنجره یا درب به کاربر هشدار می دهد. این سنسورها برای امنیت استفاده می شوند، اما در کنترل نور نیز کاربرد دارند و ممکن است برای روشن شدن چراغ ها در صورت ورود و خاموش شدن کاربر پس از مدتی بدون حرکت استفاده شوند.

سیستم روشنایی هوشمند Honeywell

سیستم روشنایی هوشمند Honeywell

رایج ترین سنسورهای حرکت، سنسور PIR (مادون قرمز منفعل) است. آنها می توانند اجسامی را که از نظر فیزیکی انرژی (گرما) ساطع می کنند، در حین عبور از محدوده حساسیت خود تشخیص دهند. انواع دیگر سنسورهای حرکت شامل امواج میکرو و اولتراسونیک و گاهی ترکیبی از انواع مختلف است. سنسورها ممکن است به صورت جداگانه یا به عنوان بخشی از مجموعه خریداری شوند، به عنوان مثال، Ring و حسگر حرکت Samsung Smartthings. اکثر سنسورهای حرکتی که بررسی کردیم از پروتکل Z-Wave برای برقراری ارتباط استفاده می کنند. پوشش حرکت و حساسیت از عوامل حیاتی برای کارایی حسگرها هستند. برخی از سنسورهای حرکت، مانند سنسور حرکت Everspring Compact Z-Wave، دارای حساسیت قابل تنظیم هستند. بسته به فضای تحت نظارت، داشتن محدوده قابل تنظیم می تواند بسیار مفید باشد. برخی نیز دارای ویژگی ای به نام “ایمنی حیوان خانگی” هستند که حرکتی را از حداکثر اندازه مشخص شده تشخیص نمی دهد. به عنوان مثال،سنسور تشخیص حرکت Ecolink Z-Wave Plus در برابر حرکت حیوانات خانگی کمتر از 25 کیلوگرم مصون است. کاربر باید در قرار دادن سنسورهای خود دقیق باشد تا از هشدارهای مثبت و منفی کاذب اجتناب کند.

سیستم روشنایی هوشمند Samsung Smartthings

سیستم روشنایی هوشمند Samsung Smartthings

در نهایت، برخی از سنسورهای حرکت برای کارهای خاصی در نظر گرفته شده اند. به عنوان مثال، سنسور حرکت Philips Hue [37] منحصر به فرد برای فعال کردن چراغ ها در هنگام تشخیص حرکت طراحی شده است. سنسورهای نور با توجه به سطح نور محیط داخلی می توانند خاموش و روشن شوند، اما کمتر مورد استفاده قرار می گیرند و کمتر در بازار موجود هستند. جدول 1 به طور خلاصه لوازم خانگی هوشمند مربوط به کنترل سیستم روشنایی (از آنها در کنترل سیستم های حرارتی نیز استفاده می شود)، ویژگی های پیشنهادی آنها و اینکه چگونه این ویژگی ها می توانند در صرفه جویی در انرژی کمک کنند، ارائه شده است.

سیستم روشنایی هوشمند Philips Hue

سیستم روشنایی هوشمند Philips Hue

نتیجه

ساختمانها فن آوریهای مدیریت انرژی دارای پتانسیل فنی برای ارائه مزایای صرفه جویی در انرژی برای کاربران و خدمات شهری هستند. این محصولات با استفاده از اطلاعات زمینه ای مانند اشغال بودن و نور روز، تقاضا را کاهش می دهند و می توانند با ارسال اعلان ها و نمایش مصرف انرژی، از کاربران در کاهش یا تغییر بارها پشتیبانی کنند. محصولات پیشنهادی در حال حاضر در بازار، از هر دو دستگاه خانه های هوشمند مرتبط با انرژی و غیر انرژی استفاده می کنند. این ترکیب ارزش فناوری خانه های هوشمند را برای مصرف کنندگان ارائه می دهد و مدیریت انرژی خانه را در عین افزایش امنیت و راحتی، امکان پذیر می کند، به عنوان مثال، قادر به کاهش بار سبک هنگام کنترل صوتی آن است.

این تحقیق بینش مدیریت انرژی را از هر یک از رایج ترین ویژگی های مرتبط با انرژی برای کنترل روشنایی ارائه کرد. بر خلاف مطالعات موجود، مطالعه ما اولین موردی است که به تجزیه و تحلیل دقیق تر انتخاب های فناوری پرداخته است. ما تجزیه و تحلیل را که به طور کلاسیک بر کاهش انرژی متمرکز است به ملاحظات اقتصادی ، زیست محیطی و اجتماعی بزرگ می کنیم. تفکیک ویژگی ها به شما امکان می دهد عملکردهای انرژی و غیر انرژی را از هم جدا کنید و نشان می دهد که چقدر در صرفه جویی در انرژی نقش دارند. نتیجه نشان داده است که فناوری های خانه های هوشمند مزایای مختلفی را به همراه دارد ، اما بسته به مشخصات کاربران، هزینه انرژی و منطقه جغرافیایی، میزان انرژی ذخیره شده برای هر ویژگی تغییر می کند. به عنوان مثال، کم نور شدن و جمع آوری نور روز برای خانواده هایی که اعضای آنها در طول روز غایب هستند، مفیدتر نیست و زمان بندی می تواند یک راه حل کارآمد و کم هزینه برای خانواده هایی با دوره های معمول اشغال و خالی باشد. در حالی که تولیدکنندگان و دولتها به شدت از مزایای احتمالی صرفه جویی در مصرف انرژی استفاده می کنند، مطالعه ما نشان می دهد که نگرانی های اقتصادی و زیست محیطی می تواند به عنوان یک انگیزه قوی برای مشارکت در اتوماسیون ساختمان عمل کند.

از آنجا که مهمترین عامل زمان کار است، که به شدت به کاربر مربوط است، مفید است که در دستگاههای تجاری دارای قابلیت نظارت و پیگیری دقیق رفتار کاربران و سپس بر این اساس باشد. فعال سازی بهینه اتصال دستگاه های سنجش با هوش مصنوعی (AI) دقت تشخیص را افزایش داده و منجر به افزایش صرفه جویی در انرژی می شود. در حالی که محصولات پیشرفته چنین راه حل هایی را ارائه می دهند، اما در مقایسه با دیگر سیستم های خانه هوشمند مانند ترموستات ، دوربین مداربسته امنیتی ، بلندگوهای بی سیم و غیره در دستگاه های روشنایی تجاری کمتر حضور دارند. رفتارها نسبت به عادات دوستدار محیط زیست از طریق خدمات تشویقی مبتنی بر فناوری های پیشرفته مانند هوش مصنوعی (AI)، اینترنت اشیا، ارتباطات بی سیم و شبکه، که به تغییر اتوماسیون فعلی ساختمان به سمت ساختمان های دیجیتالی و نرم افزاری کمک می کند.

سوالات متداول درباره سیستم روشنایی هوشمند

سیستم روشنایی هوشمند در صرفه جویی در هزینه ها موثر است؟

پاسخ به این سوال قطعا مثبت است. این سیستم هوشمند می تواند به کامل ترین شکل هزینه های ناشی از مصرف انرژی و روشنایی را مدیریت کرده و در بهینه ترین حالت ممکن نگه دارد.

هدف از هوشمند سازی سیستم روشنایی ساختمان چیست؟

به کمک این سیستم شما قادر خواهید بود تنها در زمان های مورد نیاز از روشنایی استفاده کنید و به لطف سنسورهای دقیق این سیستم، ضمن جذابیتی که در ساختمان شما ایجاد می شود، هزینه ها نیز به طور محسوس کاهش پیدا می کند.

رایج ترین پروتکل اجرای سیستم روشنایی هوشمند کدام است؟

اگرچه همه پروتکل ها برای این بخش از هوشمند سازی، برنامه ای مدون دارند، اما به لطف پروتکل Z-Wave می توان این ساختار را به شکلی مطلوب اجرایی نمود.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

smart home, home automation

Smart Lighting

سیستم روشنایی هوشمند

smart lighting system

In a building, lighting contributes 20-60% of the total consumption of electrical energy usage. To turn on and off the lamp with the switch manually sometimes people forget to turn it off when leaving the room. This resulted in the inefficiency of energy and cost, where the lamps work not based on need. To overcome this problem designed a lighting control system using internet of things concept so that the lights can be controlled and monitored remotely.

This work investigates the economic, social, and environmental impact of adopting different smart lighting architectures for home automation in two geographical and regulatory regions. Lighting consumes a considerable amount of energy, and devices for smart lighting solutions are among the most purchased smart home devices. As commercialized solutions come with variant features, we empirically evaluate through this study the impact of each one of the energy-related features and provide insights on those that have higher energy saving contribution. The study started by investigating the state-of-the-art of commercialized ICT-based light control solutions, which allowed the extraction of the energy-related features. Based on the outcomes of this study, we generated simulation scenarios and selected evaluations metrics to evaluate the impact of dimming, daylight harvesting, scheduling, and motion detection.

Introduction of smart lighting

The market of smart buildings is booming with the constant proliferation of new products and services. The competition in this domain between Information and communication technology (ICT) stockholders becomes aggressive, and companies constantly claim the potential of their products for energy savings.

While many trust the smart home technologies on providing sustainable energy management solutions, others are still doubting about the real benefits of these technologies. The present study investigates (qualitatively and quantitatively) the use of smart technologies in buildings’ energy management while focusing on lighting control systems and their contribution to energy saving. This study is not limited to the estimation of reduction in energy consumption due to the light control systems, but it also explores the impact of each feature offered by these technologies. Increasing the granularity of the study provides a deeper understanding of what may increase the energy-saving potential. The results of this study help the researchers, consumers, and manufacturers to improve the capability of the control systems in saving energy.

Contrary to most studies of existing literature, our comparative simulation study is not limited to energy measurement but investigates the problem from different facets including the economy (cost-benefit analysis), the environment (reducing emissions and sparing resources), and the social impacts (increase in the disposal income). We find these metrics more expressive and appealing to the readers than the amounts of saved energy. For instance “saving more than €10 000 over ten years, sparing the environment 2000kg of CO2 yearly with a payback period of 6 months” drives a better understanding of the impact of such solutions than the value of saving “5000 kWh”.

This study considers two cities with two different weather characteristics and regulatory environments regarding energy prices that impact energy usage: Algiers vs. Stuttgart. Algiers has more sunny days (notably in winter), which increases the potential of daylight harvesting. Germany has higher energy prices, which raises the economic benefits of energy saving in Stuttgart. The focus of the study is on light control, which is the second most energy consuming system in today’s buildings after HVAC (heating ventilation and air conditioning). Moreover, this system has a visible impact on the comfort and productivity of buildings occupants. Smart bulbs are one of the low-cost easy to-deploy technologies and one of the fastest growing products in the internet of things (IoT) markets. It is expected a constant growth over the next years, with penetration in tens of millions of households by 2020. A survey of nearly 300 ICT devices adopted by consumers shows that smart lighting solutions are amongst the most demanded, which motivates the choice for this study.

Light control products in the market are explored. We accordingly extract the features contributing most in saving energy from those improving comfort and security. These features are daylight harvesting, dimming, scheduling, and motion detection.

Related Work in smart lighting

Due to the importance of energy management in buildings and the potential, it presents for energy saving, many research and development efforts have been devoted to optimizing energy usage in smart buildings. Researchers and engineers proposed control strategies that create environments able to satisfy their occupants’ comfort needs while minimizing energy consumption. Due to their high energy footprint and their high impact on comfort and productivity, lighting and thermal systems are the most considered. Chew et al. provided a review of solutions proposed for the optimization of lighting. They described the most common methods to reduce energy use, such as detecting the occupancy of rooms and daylight harvesting. They measured the potential of different solutions by the percentage of energy savings. The paper also discusses solutions trying to optimize the non-visual effects of light, such as reducing the human stress levels and increasing health and work performance. In addition to energy and lighting output optimization, technical aspects such as the connectivity between different components of the system and Visible Light Communication (VLC) have been discussed.

Home energy saving solutions are typically occupancy-detection-based, which motivates researchers proposing solutions focusing on the accurate detection of room occupancy. The occupancy information varies from binary (occupant vs. vacant) detection to a head-counting of people in real time. considered occupancy-based lighting control in open-plan office spaces. Because of the importance of occupancy information, other researchers focused on the motion sensors deployment in buildings. proposed to dedicate a pre-deployment learning phase to detect the most used spots in a building and next concentrated the motion sensors deployment in these spots. considered the gaps in Passive Infrared (PIR) motion sensors’ field of view (called sensing-holes).

نحوه تشخیص حضور در سیستم روشنایی

Inside these sensing holes, the sensor is incapable of detecting occurring motions, which leads to false negatives. The authors proposed a solution to overlap sensing areas in a way to cover these gaps and increase the accuracy.

سنسور تشخیص حرکت سیستم روشنایی هوشمند

Despite the rich state-of-the-art in smart building solutions, this domain is far from reaching maturity. There is a gap between current research and the existing commercialized systems. This gap makes the promises made by the state-of-the-art approaches in terms of reducing consumed energy different from the reality in gain provided by the commercialized solutions. Commercial solutions emphasis on aesthetics and remote control by including mobile application interfaces to allow users to adjust light output parameters and rely on this information and cloud data as input for their control algorithms. addresses the different features proposed by lighting commercialized solutions and emphasizes this difference compared to the existing literature. A work that is wholly dedicated to commercialized solutions is, where the authors collected a database of over 300 devices and grouped them into categories. They specified for each category the main features of the smart home devices and described how these features might reduce energy consumption. Despite that this study analyzed many devices, it is limited to qualitative comparison, and the authors did not conduct any numerical study to estimate the impact of different features on energy use.

تشخیص حضور در سیستم روشنایی

studied smart buildings from customer perception by asking 29 participants about their opinions after living in a fully equipped smart house. The study included variable energy tariffs, smart metering, smart appliances, and home automation. The results show that the main incentives for adoption include monetary savings and the environmental footprint. On the other side, the high expenses, data privacy, and technical complexity are the main reasons for refusal. shares with the present work the vision of the need for conducting numerical analysis on the benefits of new technologies. The authors evaluated the impact of replacing traditional lighting with LEDs in a campus university. However, the scope was limited to the effect of replacing a lamp with a more efficient one (CFL vs. LED lamps), without considering the features provided by the smart connected lamps, which are considered in our work.

مقایسه سیستم روشنایی هوشمند با انواع لامپ

Commercialized Lighting Systems

This section is dedicated to describing commercialized solutions for modern lighting systems. The devices cited in this section are either solutions dedicated for lighting systems, like smart bulbs and switches or designed for more general purposes but can be used in smart lighting systems. Examples of these devices are smart hubs and sensors. In our presentation for each category, we start by enumerating the energy related and non-energy related features. We discuss next the used communication protocols and price ranges while giving a non-exhaustive list of products in the category.

Smart Light Control Devices

This category includes smart bulbs and switched, which have the same general goal as traditional bulbs and switches but with additional features explained in the next two sections.

Smart Bulbs

Compared to traditional bulbs, smart bulbs offer a wider range of choices for control and interactivity. These features serve both comfort enhancement and energy saving. From the energy-saving perspective, smart bulbs allow scheduled timers to set up the wake, sleep, and away automation. Some bulbs use GPS to detect the user’s smartphone exact location and automatically switch the lights on or off when the user reaches a certain distance from his house. Depending on the compatibility, some bulbs can also be combined with other smart home devices such as security cameras, thermostats, which allows them to benefit from the available information in these devices and optimize the light control.

سیستم روشنایی هوشمند توسط GPS

The mains comfort-related features offered by smart bulbs are their color-changing and remote-control capabilities. Color impacts the home’s atmosphere: high color temperatures are suitable for office lighting and helps in staying awake, focusing, and working while low color temperatures generate a warm glow perfect for relaxing. Some lamps even can synchronize with certain movies and TV shows. However, the color-changing feature is not available in all smart lamps but only in high price ones. Another comfort increasing feature is the remote-control option from a mobile device which allows the user to adjust the brightness, the color, or both from any location, even outside the house.

Smart lamps’ efficiency increases when being part of a network of sensors and other smart devices. Information provided by other elements in the network allows them to be aware of real-time changes in the environment and consequently adapt their output to these changes. Some bulbs create their mesh network requiring the existence of a hub to communicate with other devices and the user’s smartphone. This is mainly due to the most common wireless lighting protocol, ZigBee. Philips Hue LEDs, Osram Lightify LEDs, Belkin WeMo LEDs are examples of smart bulbs in the market that communicate with ZigBee. Because smartphones are generally not enabled with ZigBee, a hub bridging between the devices is required. On the other side, lamps like Lifx A19 can directly connect to the WiFi network. Some manufacturers opted for Bluetooth to pair their lamps directly with the mobile device, like those produced by GE.

سیستم روشنایی هوشمند Honeywell

The lamps do not require a bridge or to connect to the home network, but they cannot be monitored outside the Bluetooth range, e.g., outside the house. Using a wireless speaker like Amazon Echo or Google Home as a hub allow vocal light control. However, this feature is also offered by some bulb’s mobile application.

Depending on the offered features, the price per bulb ranges from €151 mark up to €70. Most available lamps are A-shape bulbs with standard-size E-shape screw-in bases; which limits their fitting compatibly to other types of fixtures, e.g., candelabrum.

Smart Switches

Smart wall switches allow automating the on/off wall switches instead of automating the bulb. It is useful to replace a single switch wiring multiple bulbs or to automate small-size screw-in bases bulbs for which smart bulbs are not available. Smart switches have similar
energy savings features as those of smart bulbs, by proposing timers, smart dimming, and the possibility to optimize lighting’s efficacy when combined with sensors.

More sophisticated, and expensive, smart switches offer full-color touch screen displays, built-in speakers and microphones for intercom functionality. However, these switches are not achieving the success desired by their manufacturers due to the high prices they come with while proposing similar or limited options compared to smart bulbs.

Similarly to connected bulbs, the majority of smart switches connect either through WiFi (e.g., Belkin WeMo switch) or ZigBee (e.g., GE wall-in smart switch). Switches communicating by ZigBee requires a hub to connect with the smartphone.

سیستم روشنایی هوشمند Belkin WeMo

Lutron, a company specialized in smart lighting, uses its own proprietary Lutron signal.

سیستم روشنایی هوشمند Lutron

Smart switches cost around €50, which makes them a pricier choice compared to smart bulbs. Scaling up the house lighting system with smart switches is not as cost efficient as with smart bulbs unless they are used to control multiple bulbs. Using smart switches may result in less energy saving compared to bulbs even by applying the same control strategy in case the used lamps controlled by the switches are not efficient, e.g., using a smart switch to control a 60W incandescent lamp. On the other side, smart bulbs are all LED energy efficient lamps with wattage less than 11W. For all these reasons, we consider smart bulbs in our simulation study.

سیستم روشنایی هوشمند Lutron

Smart Hub and Wireless Speakers

Bluetooth LE, Lutron Clear Connect, WiFi, Z-Wave, and ZigBee are communication protocols included in commercialized home automation solution. The role of a home automation hub is to unify the connected devices and making them talk to each other. Hubs also facilitate the control of these devices by grouping them all in a smartly designed, attractive, and intuitive application instead of using a dedicated interface for each device.

The price of a smart hub starts from €49 and may reach up to €350 for those supporting many standards and endowed with higher security, displaying interfaces and extended hardware. The support for IFTTT (If This Then That) is also useful, as it offers different ways to configure and trigger the connected devices. Wireless speakers such as Google home and Amazon alexa allow the user to control their compatible devices by voice commands.

سیستم روشنایی هوشمند با فرامین صوتی

Real Time Detection Using Sensors: Motion and Light Sensor

A home is smarter if it is capable of adjusting the controlled components (such as lighting system) depending on the dynamic of its environment. The sensors are the eyes that allow to ”see” within the building and respond to changes. The market offers a full band of sensors for smart homes with goals different goals ranging from energy, comfort, and security. We may cite water leak and freeze detectors from Roost and Honeywell, Eco bee’s Room temperature, and occupancy sensors, and weather sensors. However, in this section, we focus on those affecting the performance of the smart light: occupancy and light sensors. In smart homes, doors and windows opening sensors are popular. Open/close sensors can be attached to a door or window and alert the user should it detect either a window or a door being opened. These sensors are used for security, but also have applications in light control and may be used to turn the lights on in case of user’s entrance and off after a while with no motion.

سیستم روشنایی هوشمند Honeywell

The most common motion sensors are the PIR (passive infrared) sensor. They can detect bodies that physical emit energy (heat) as they cross their sensing ranges. Other types of motion sensors include micro and ultrasonic waves, and sometimes a combination of multiple types. Sensors may be purchased individually or as part of a bundle, e.g., Ring and Samsung Smartthings motion sensor. Most of the motion sensors we reviewed use the Z-Wave protocol to communicate. Motion coverage and sensitivity are vital factors for the efficiency of sensors. Some motion sensors, e.g., the Everspring Compact Z-Wave Motion Sensor, have an adjustable sensitivity. Having an adjustable range can be hugely beneficial, depending on the monitored space. Some also come with a feature called ’Pet immunity,’ which do not detect a movement from being under a noted maximum size. For example, the Ecolink Z-Wave Plus Motion Detector is immune to movement from pets less than 25kg. The user must be accurate in placing its sensors to avoid false positive and negative alerts.

سیستم روشنایی هوشمند Samsung Smartthings

Finally, some motion sensors are meant for specific tasks. For instance, the Philips Hue motion sensor is uniquely designed to activate lights when a movement is detected. Light sensors can turn off and on the light according to the indoor ambient light level, but they are less commonly used and less available in the market. Table 1 summarizes the smart home appliances related to the control of lighting system (they are also used in controlling thermal systems), their proposed features, and how these features may contribute in energy saving.

سیستم روشنایی هوشمند Philips Hue

انرژی در سیستم روشنایی هوشمندConclusion

Buildings Energy management technologies have the technical potential to provide energy saving benefits for both users and utilities. These products deliver demand reductions by using contextual information such as occupancy and available daylight and can support users in reducing or shifting loads by sending notifications and displaying energy usage. The currently proposed products on the market incorporate both energy and non-energy related smart home devices. This combination presents the value of smart home technology for consumers, enabling home energy management while increasing security and comfort, e.g., being able to reduce light load while controlling it vocally.

This research provided insights into the energy management gain from each one of the most common energy-related features for light control. Contrary to the existing studies, our study is the first to investigate into a more fine-grained analysis of technology choices. We enlarge the analysis which classically focuses on energy reduction to economic, environmental and social considerations. Separating features allows to separate energy and non-energy functionality and shows how much they are contributing to energy saving. The result has shown that smart home technologies deliver a variety of benefits, but depending on users profiles, energy cost, and the geographical region, the amount of saved energy for each feature changes. As an example, dimming and daylight harvesting are less useful for a family whose members are absent during daytime, and scheduling can be an efficient, low-cost solution for a family with regular occupancy and vacancy periods. Whereas producers and governments strongly Hight light the potential benefit in terms of energy savings, our study shows that including economic and environmental concerns can act as a strong motivator to engage into building automation.

Because the most impacting factor is the time of operation, which is highly related to the user (comparing Profile 1 and Profile 2), it is beneficial to include in commercialized devices the ability to monitor and track the users’ behavior accurately, and then accordingly optimize actuation. Coupling sensing devices with artificial intelligence (AI) improves the accuracy of detection and leads to increased energy savings. While state-of-the-art products provides such solutions, they are less present in commercialized lighting devices compared to other smart home systems such as thermostats, security cameras, wireless speakers, etc. Shortly, modern solutions expected to contribute in changing behaviors towards ecological friendly habits through incentive services based on advanced technologies such artificial intelligence (AI), IoT, wireless communications and networking, which will contribute to shifting the current building automation towards digital and software-defined buildings.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *