穿透天窗或窗户照进室内的日光，对于现今健康生活与节能减碳至关重要。但是如果没有感测器，就无法采集这些日光。环境光感测器(ALS)能持续地帮助节省能源，并将高效能的固态照明方案加以「绿化」。同时，感测器能自主管理能源与光谱，进而推动更健康的新一代节能照明。

若具备高效能的LED灯，就更能取代相当耗能的白炽灯、HID与CFL灯泡。 LED一开始是用来改善智慧型手机背光灯的电池生命周期，接着迅速发展至较大尺寸的电视、监视器​​与笔记型电脑等萤幕，以降低耗能。而现在这波LED灯趋势已进入了办公大楼、学校、医院、政府机关、大卖场、饭店、餐厅与其他工业设施等，涵盖商业与工业领域的通用照明市场。虽说LED替代照明可以节省50%的能源，但若藉由采集日光，这些建筑环境还能另外节省30%以上的能源。

通用光源拥有显著不同的能量与频谱能让ALS与颜色感测器得以辨识不同的光谱，并测定实际环境光的可用量与品质。当结合了精确控制颜色感测的白光调节器，高​​整合的智慧日光采集系统就能藉由目前所需的光源类型来达到额外的效率。举例来说，傍晚的日光仍然充沛、可供给光源至建筑物内部，但是较暖的色温无法支援与中午日光同样的可见度。可以选择结合电力照明集中传输至色温较冷的区域，与全光谱相比，整体的能源节省效果与光通量都会较低。

本文章将讨论这类高度整合智慧色彩管理环境光感测器，与能快速应用于LED照明系统驱动技术的优点及可行方案。

环境永续成全球趋势

近年来在建筑物设计、建造与维护方面，环境永续性已成为必纳入考量的关键元素。根据美国能源部资料显示，全球能源消耗至2035年会增加约40%。为了减缓这个趋势，各国政府纷纷实行相关政策，以减少能源消耗与温室气体的排放。中国政府意识到能源危机迫在眉睫，对高效率改造与新设备的安装提供各种折扣与奖励计画。

降低能源使用能稍微减少设备维护的预算，这项预算约占平均建筑生命周期成本的80%[1]。但是建筑物所有者与设备管理员该如何因应现有的照明系统呢？有什么方法可以让室内照明系统变得「更聪明」，变成如人类眼睛一样、可以根据不同光源随使用者调整？

在电子设计方面，照明设计师需要集中在光本身，而非能源供应。 「智慧感知照明」的趋势会需要独立的智慧感测器来感测环境，除了供应周围环境的数据，还能提供如何同时节省能源与增进照明品质的最佳答案。

智慧感知照明优化能源效率

什么是智慧感知照明呢？目前的照明灯具与系统相对为「非智慧型 」，需要使用者输入具体的需求才能够调整照明。然而，阻碍最少的方式仅是让照明在大部分的时间维持开启，且不顾使用者的实际需求，灯光即调至最高强度。

而让感测器驱动照明容易使用的关键在于「更优化」与「更节能」。以环境光感测器而言，若能具有像人类一样范围很广的感测力与感应力，能驱动新一代的照明控制。这些控制器可以直接替代照明与灯具，将更多内部照明负担转移给可用日光。

有天窗、窗户与侧灯的设施中，可用日光会按照时间或天气条件来变化，而可获得可用日光的区域在白天的时候就未必一定需要人工照明，但若是离这样的光照资源较远的地方就不同了，这情况会发生在拥有数千平方公尺的大型区域，若要在大​​型区域内管理每个灯具的光输出以补足日光不足的量会是非常大的挑战，无法靠手动设定就能完成。如果将日光采集结合感应器，就能节省相当多的能源。

有些设备管理员趁着白天把外部日光采集感测器附加到灯具组中。这样的售后服务可以减少能源消耗，但是会导致亮度过高或过低、不和谐跳跃，或是亮度水平下降。

整合感测器的好处

置入灯具内的感测器可以自动回应周围环境，不论是居住密度、可用日光、当日时间、色温，或是其他变化因素，皆可提供适当的光线与光谱数量，这会是减少能源消耗与成本的完美方案。比起采用控制器，这种事后内部建置方法可以大幅提高能源效率。

图一 : 日光采集系统能够节约照明消耗能源

透过补充所需光量至工作空间中以维持照明一致的环境，与无法因应环境光变化的装置相比，可大大地降低能源消耗。整体来说，智慧照明控制器可在提供适当照明的同时，节省超过60%的能源。

表一 : 日光采集系统如何节省成本

由光开始才是正途

人性化照明系统的发展关键不是「电源供应」，而是从「灯光」的角度设计嵌入式电子。系统单晶片感测器方案提供完整的光线感测子系统，包含从类比读数转换成数位I2C输出讯号。这也涵盖任何错误光闪烁的校正，即使是小至2平方毫米的方形整合电路也能校正，成本并不高。另外，精密的过滤系统自动拒绝由建筑物萤光照明系统产生的50-60 Hz波纹，能让感测到的光照水平更精准地测量进入建筑物的日光。

充分地掌握照明环境也能够节约能源。在建筑环境整合控管系统中，结合邻近/移动照明感测能够提供内部环境足够的数据。另外，将日光感测/采集系统与精准控制机制结合，不仅能让照明系统传递足量的光，也能因应空间中的活动与使用者来调整照明。

图二 : 智能感知照明管理系统

将自动照明控制器与建筑管理系统良好整合

虽然之前早期智慧照明控制器能够集中，但是现代科技可以让照明自主思考。把环境光感测器置入每个照明设备里，可以根据当时的环境光种类与数量立即判定。以像ZigBee这类的低成本及低功率的无线网路，或是有线网路如DALI等，这类群体智慧可以达到半自主控制，它能意识到各自在做的事情，也能随时自行组织最有效率的照明计画，而这类输入集中控制系统已经可以投入实际应用。而最重要的关键的就是连结至现有建筑管理架构的感测器系统，例如KNX, LONmarks。

图三 : 整合建筑管理智能感知照明系统

智慧照明市场的驱动力

Pike Research最近的「商业大楼的智慧照明控制器」报告中概述了市场上针对政府节能减碳政策的照明控制驱动器:

在美国，以建设项目为主的照明控制器市场，会因为2013年10月的新联邦法律所带动，所有州政府都必须采用如美国制冷与空调工程师协会(ASHRAE)建筑规范(90.1-2010)严格的法律规范。此建筑规范要求大部分空间装置自动关闭与调暗，也鼓励许多建筑项目进一步将照明系统与建筑管理系统连结。

2020年的欧盟目标是促进欧盟成员国对照明控制的采用，所有新的公共建筑必须要在2019年之前达到零能耗；私人建筑的时限则是在2021年之前。若要达到这个目标，智慧照明控制是绝对必要的。

中国在2011至2015年的第十二次五年计画针对能源效率方案设定了强大的目标，包含已经开始实行的全都市范围内路灯控制。其中，我们也预期会有一个类似扩大建筑照明控制的方案。中国的照明市场保守估计会在2015年达到5亿日币 。截至2012年3月，已经有多达30万盏路灯替换为LED灯，2013年预估会替换超过1百万盏。

照明的非视觉与生物光电效果

商用建筑大部分是采用萤光灯照明，不像自然光有一致、完整的光谱。颜色科学与健康领域近期新的研究指出，人类健康与生产力可以藉由自然光改善。此研究也总结，人在自然光下待的时间长，与长期在人工光源下曝晒的相比会有较高的生产力与警觉性。

另外也有证据显示，有两条独立功能路径在传递光资讯到大脑，非视觉路径会到脑下丘，脑下丘能协调贺尔蒙释放等诸多功能。褪黑激素是其中最有名的例子，它是调节生理时钟至与环境同步的化学讯号。褪黑激素会在灯光变暗时分泌，在灯光变亮时被抑制。

光线将人类生理时钟同步。例如波长456nm蓝光会减少我们血液内的褪黑激素，让我们更加警觉－这就是早晨至中午的阳光。但随着时间推移，阳光中的蓝光光谱下降、红光与紫光增加，会促使褪黑激素增分泌，帮助进入睡眠与修复身体。光对于褪黑激素、警觉心与认知表现的影响是蓝移（blue-shifted），6500K相关色温的冷光灯具比3000K的CCT暖光灯具更能促使体内分泌褪黑激素，并提高警觉效应。 [4]

光会直接影响褪黑激素与其他大脑产生贺尔蒙的分泌量，也会间接影响警觉。人工造成的失调不仅只有睡眠被影响，而是我们几乎所有的新陈代谢、包括免疫系统反应等都是如此调节，所以也可能带给健康状况更严重的影响。

现今办公室内的工业照明固定供应高蓝移的光线，促使我们能更清醒地工作，但这也损害了傍晚自然光的暖色光谱，进而影响傍晚在家面对电脑萤幕或是加班到很晚的人们的睡眠周期。其中电脑与FPTV也传递了高蓝移光线[6]

透过如多通道颜色感测器驱动的可调白光LED照明能创造调谐健康的自然光环境。这样的照明可以在白天帮助提高警觉与增加生产力，同时适应日夜变化以维持健康的褪黑激素周期，进而促进健康并提升工作表现。

图四 : 可调白光照明系统调节以适应日夜变化

结论

智慧感测驱动系统能立即对环境与较大的空间反应，并能智慧地透过自主且集中控制来回应使用者与设施的需求，最关键的是能够达到全球政府对于降低能耗、温室气体排放所设定的标准。下一代的智慧感知照明系统会利用丰富的照明数据以自动调整建筑内部环境，以同时提高舒适度、生产力、安全与效率。环境意识、决策导引、多重感测器网路与优化照明会增加工作区域、员工与群体的生产力，也促进个体健康与表现。

各国的能源需求正在增加，这是必然的，故须减低照明能耗。目前电力设计连结日光采集感测器是透过开关控制，而不是利用光作为起点。然而，必须从不同角度看待光，并了解未来的照明系统如何全面调节，才能真正降低能源消耗与相关费用。

本文作者现任职于奥地利微电子光学感测与照明部门感测驱动照明总监