CC BY
171
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ УМНОГО ОСВЕЩЕНИЯ Рябчиков Р.В. Email: Ryabchikov674@scientifictext.ru
Рябчиков Роман Вадимович - кандидат технических наук, инженер-программист 1 категории, Акционерное общество Научно-производственное предприятие «Рубин», г. Пенза
Аннотация: в статье рассмотрены подходы и приведены примеры использования системы умного освещения, принципы построения таких систем, их применения, а также тенденции развития. Дана оценка рыночным перспективам внедрения данной технологии. Рассмотрена концепция «Безопасный город», а также применимость умного освещения в ней. Рассмотрена новая система беспроводной передачи данных для систем умного освещения, основанная на передаче информации через световой поток. Дана оценка возможностей системы. Рассмотрены преимущества и недостатки по сравнению с классической передачей данных через радиоканал. Ключевые слова: свет, умный дом, безопасный город.
PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF SMART LIGHTING
SYSTEMS Ryabchikov R.V.
Ryabchikov ROMAN VADMOVICH - CANDIDATE OF TECHNICAL SCIENCES, SOFTWARE ENGINEER OF THE 1ST CATEGORY, JOINT-STOCK COMPANY SCIENTIFIC-PRODUCTION ENTERPRISE "RUBIN", PENZA
Abstract: the article discusses approaches and gives examples of the use of smart lighting systems, the principles of constructing such systems, their application, as well as development trends. An assessment of the market prospects for the implementation of this technology. The concept of "Safe City" is considered, as well as the applicability of smart lighting in it. A new wireless data transmission system for smart lighting systems based on the transmission of information through a light stream is considered. An assessment of the capabilities of the system. The advantages and disadvantages in comparison with the classical data transmission via a radio channel are considered. Keywords: light, smart city, light fidelity.
УДК 628.931
На сегодняшний день термин «умный» приписывается практически ко всем аспектам человеческого быта. По большей части он связан с автоматизацией рабочих процессов и возможностью взаимодействия с объектом по сети. Термин «умный свет» относится к сфере управления системами контроля освещения. Эти системы учитывают различные факторы, такие как присутствие людей в помещении, уровень освещенности и время суток, чтобы контролировать работу осветительных приборов, тем самым экономя электроэнергию и средства пользователя. Рынок умного света является самым быстрорастущим в индустрии, занятой производством осветительного оборудования. Ожидается, что к 2020 году его стоимость составит $8,14 млрд при среднегодовом темпе роста 22,07% в период с 2015 по 2020 годы [1]. Этому в немалой степени способствуют законы правительств разных стран об экономии электричества, так же всемирный тренд на энергоэффективность.
Система «Умный свет» в своей концептуальной архитектуре представляет собой классическую автоматизированную систему регулирования, в которой управляющее воздействие генерируются на основе алгоритма регулирования f(sj,s2,s3..s„), принимающего в качестве входных параметров результаты измерения набора
гетерогенных датчиков {s1,s2,s3..sn} и оказывающая влияние на силовые линии питания осветительных приборов {l1,l2,l3..ln}.
Осветительные приборы представлены различными видами: флуоресцентные, диодные, ксеноновые лампы и другие. Датчиками системы чаще всего являются датчики освещенности, различные типы датчиков присутствия, GPS-приемники.
Системы умного освещения обеспечивают принципиально иные возможности по контролю. Из-за того, что они, зачастую, используют технологии беспроводного обмена информацией, а также собраны в единую сеть, пользователь в состоянии управлять светом из любого места на Земле, используя мобильные устройства или персональный компьютер.
Объединение беспроводных сетевых технологий и осветительных приборов в одном решении дает возможность принципиально изменить привычный порядок вещей. Световые сценарии - это огромное поле для дизайна интерьеров. Выделяя светом одни элементы интерьера и скрывая в полумраке другие, можно построить сразу несколько вариантов дизайна в одном помещении. Помимо этого, можно изменить подход к освещению улиц, помещений, дорог, внедрить световые сценарии в охранные системы, системы оповещения и т.д.
Помимо этого, термину «умное освещение» можно придать различный смысл, в зависимости желания иметь гибкое и полнофункциональное самостоятельное решение или интегрировать осветительные устройства в более масштабную систему автоматизации. Что касается первого случая, то в сфере самостоятельно функционирующих устройств существует большой выбор продуктов от разных производителей.
На рынке представлено достаточное количество подобных устройств. К примерам можно отнести лампу Philips Hue [2] позволяет удаленно контролировать освещение, создавать и настраивать нужную атмосферу в помещении с помощью приложения на вашем смартфоне или планшете.
По своему функционалу лампочки LIFX [3] похожи с Philips Hue, но им не нужен специальный передатчик (мост hue). Устройства подключаются к домашнему Wi-Fi-роутеру напрямую, без посредников. При наличии в помещении сразу нескольких осветительных элементов от LIFX, они передают сигнал по цепочке, чтобы не перегружать роутер.
Устройство Vocca [4] не является лампочкой - это умный патрон для них. Устройство выступает в роли посредника между обычной лампочкой и обычным патроном. Устройство обладает распознаванием речи, предоставляя пользователю возможность управлять освещением с помощью голосовых команд.
Что касается ситуации, когда есть необходимость интегрировать устройства в общую систему умного дома, то лампочки чаще всего не обладают «умными» составляющими, а управляются контроллерами. Недостатком беспроводных ламп является цена, поскольку она достаточно высока: самая дешевая лампа стоит не менее $15, а стоимость ламп, меняющих цвет, может достигать $80 (и больше) [3]. Более того, если будут заменены все обычные лампочки в квартире на умные, то смартфон станет единственным способом управления - это не самое практичное решение. Более грамотным будет использование беспроводные переключателей и диммеров. Они работают точно так же, как обычные устройства этого типа - пользователь может вручную отрегулировать яркость освещения - но к тому же имеется возможность управления на расстоянии с помощью мобильных устройств.
Все рассмотренные решения предназначены для использования внутри помещений, хотя все большую популярность обретают системы, позволяющие реализовать концепцию «безопасного города».
«Безопасный город» - это автоматизированная система для удовлетворения основных потребностей города, основанная на комплексе программно-аппаратных средств и организационных мер для обеспечения видеоохраны и технической
безопасности, а также управления объектами жилищно-коммунального хозяйства и другими распределенными объектами в масштабах города.
Структурно «Безопасный город» представляет собой древовидную схему, которую мы рассмотрим на примере жилого сектора. Каждый объект оборудован целым комплексом подсистем: видеонаблюдение, датчики учета ресурсов, охранная и пожарная сигнализации, подсистема контроля доступа и т. д. Все данные с каждого объекта поступают в единый узел. Такой узел может объединять и несколько объектов - это определяется масштабом города, удобством сбора данных и решением инсталлятора. Из опорных узлов информация передается в оперативно-технический центр. Возможен и другой вариант топологии системы: опорных узлов нет, данные со всех объектов поступают непосредственно в ОТЦ. Естественно такое количество информации говорит о серьезной загруженности сети, к тому же необходимо организовать саму инфраструктуру. Поэтому поиск новых возможностей передачи данных является актуальным на сегодняшний день. Одним из носителей информации могут стать светодиодные элементы уличного освещения.
Light Fidelity (Li-Fi) [5] - новая технология передачи данных, которая принципиальным образом может изменить беспроводную передачу данных в будущем, создаёт возможности, созревшие для использования уже сегодня. В настоящее время уже достигнута скорость 3 Гбит/с, которая превосходит показатели сверхбыстрого широкополосного доступа. Термин Li-Fi был придуман профессором Харальдом Хаасом из Эдинбургского университета и обозначает способ передачи информации при помощи света, который обеспечивает высокоскоростную двунаправленную связь, подобную Wi-Fi. Может применяться как для разгрузки существующих сетей, работающих на радиочастотах, так и для увеличения их пропускной способности. Для связи используется видимая часть электромагнитного спектра. Это отличает данную технологию от такой устоявшейся формы беспроводной коммуникации, как Wi-Fi, в которой используются традиционные радиочастоты.
В Li-Fi данные передаются модуляцией интенсивности источника света, принимаются фотоприёмником, и сигнал преобразуется в электрический. Модуляция производится таким образом, что человеческий глаз её не воспринимает. Технология высокоскоростной оптической связи Li-Fi относится к категории беспроводной коммуникаций, которая, кроме видимого света, включает инфракрасный и ультрафиолетовый спектры.
Технология основана на принципе работы светодиода. Когда постоянный ток подаётся на LED-лампу, она испускает стабильный поток фотонов видимого света. При уменьшении или увеличении тока яркость свечения меняется. Поскольку LED-лампы являются полупроводниками, ток и оптический выход можно модулировать с очень высокой скоростью. Он может быть принят фотоэлементом и преобразован обратно в электрический ток. Модуляция яркости незаметна для человеческого глаза и так же удобна, как и радио. При использовании этой техники светодиодная лампа способна передавать информацию с высокой скоростью [6].
Радиочастотная связь предполагает под собой наличие антенн и сложных приёмников, в то время как Li-Fi-технология гораздо проще. В ней применяются прямые методы модуляции, подобные тем, которые задействованы в инфракрасных коммуникационных устройствах - пультах дистанционного управления. Li-Fi в перспективе может превратить любую LED-лампу в беспроводную точку доступа по аналогии с маршрутизатором Wi-Fi.
Распространение IoT порождает появление всё большего числа приборов, использующих радиочастоты для взаимного обмена информацией: холодильников, часов, фотоаппаратов, сотовых телефонов и даже чайников с кухонными комбайнами, является причиной ухудшения качества передачи данных. Li-Fi использует частоты световых волн, которых в 10 000 раз больше, чем радиочастот. Радиоволны создают
электромагнитные помехи, которые мешают работе приборов и оборудования самолетов, больниц и потенциально опасны на таких производствах, как ядерная энергетика, бурение нефтяных и газовых скважин. Li-Fi использует свет, искробезопасный и не создающий помех. Развитию данной технологии способствовал резкий рост использования светодиодов в целях освещения. Тем более, что технология производства светодиодов дешевеет с каждым годом. Уже производятся фары, задние фонари автомобилей, уличные светильники, вывески и светофоры, в которых используются LED-элементы. Благодаря этому появляется возможность взаимодействия автомобилей между собой и дорожной инфраструктурой в системах обеспечения безопасности и управления дорожным движением. Одними из главных преимуществ, кроме низких затрат на реализацию, является то, что эта технология поможет избежать поглощения радиоволн, а также, что на ее использования не требуется лицензия. Видимый свет не вступает в противоречие с другими частотами, поэтому его можно безопасно использовать в общественных местах, на борту самолета или в качестве коммунальной услуги в системе «умного города».
Как и Wi-Fi, Li-Fi использует протоколы, аналогичные IEEE 802.11 [7], но он использует электромагнитные волны диапазона видимого света (вместо волн радиодиапазона, аналогичные IEEE 802.3, но без использования оптоволокна), который имеет гораздо более широкую полосу пропускания.
Стандарт IEEE 802.15.7 определяет физический уровень (PHY) и уровень управления доступом к среде (MAC).
Стандарт определяет три физических (PHY) уровня с разными пропускными способностями:
• PHY I был создан для наружного применения и работает на скоростях от 11.67 Кбит/с до 267.6 Кбит/сек.
• PHY II позволяет достигать скоростей передачи данных от 1.25 Мбит/с до 96 Мбит/сек.
• PHY III предназначен для множественных источников с определённым методом модуляции: Color Shift Keyring (CSK), что можно перевести как «Манипуляция смещением длины волны». PHY III может достигать скорости от 12 Мбит/с до 96 Мбит/сек [8].
Но опять же, применение данной технологии на сегодняшний день ограничивается использованием в помещении. Исследования для наружного использования проводились в гораздо меньшей степени. Если же не фиксировать внимание на большом объеме данных, а ограничиться объемами IoT, то вполне можно передавать управляющие сигналы в достаточно «зашумленной атмосфере». В соответствии с этим, есть возможность организации взаимного обмена информацией между элементами уличного освещения, оборудованными LED-элементами и фоточувствительными элементами. Подобный подход может оказаться наиболее применимым в условиях загородного использования, а также в условиях автомобильных межгородних и межрегиональных дорог.
Список литературы /References
1. Shelly Singh Smart Lighting Market worth $28.0 billion in 2025 with a growing CAGR of 19.1% // Smart Lighting Market, 2018. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.marketsandmarkets.com/PressReleases/smart-lighting.asp/ (дата обращения 22.10.2019)
2. [Электронный ресурс]. Phillips Hue Website. Режим доступа: https://www2.meethue.com/en-us/ (дата обращения: 22.10.2019).
3. [Электронный ресурс]. Режим доступа: LIFX Website: https://www.lifx.com/ (дата обращения 22.10.2019).
4. Vocca Website. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.vocca.shop/ (дата обращения 22.10.2019).
5. Sherman Joshua. How LED Light Bulbs could replace Wi-Fi. Digital Trends, 2013 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.digitaltrends.com/mobile/light-bulb-li-fi-wireless-internet/ (дата обращения 22.10.2019).
6. Kavehrad М., Amirshahi P. "Hybrid MV-LV Power Lines and White Light Emitting Diodes for Triple-Play Broadband Access Communications," IEC Comprehensive Report on Achieving the Triple Play: Technologies and Business Models for Success, ISBN 1-931695-51-2. Рp. 167-178, January 2006.
7. Степутин А.Н., Николаев А.Д. Мобильная связь на пути к 6G. В 2 Т. 2-е изд. Москва-Вологда: Инфра-Инженерия, 2018. 804 с.
8. Рыжков А.Е., Лаврухин В.А. Гетерогенные сети радиодоступа: учебное пособие. СПб: СПбГУТ, 2017. 92 с.
