人因光與可見光通訊智慧照明系統應用：材料世界網

傅瀚葵／工研院電光所

LED已經取代傳統照明成為現今照明市場光源主力，國際大廠紛紛投入具有高價值的智慧照明產業。本文先以智慧照明近年來的趨勢發展做為介紹，接著佐以智慧健康教室人因光環境應用研究，說明智慧健康教室系統對使用者喜好度由原本狀態54%提升為75%，並做可見光通訊介紹與應用，讓讀者能快速了解產業發展現況及方向，期望有興趣的讀者能共同努力為智慧照明產業盡一份心力。

【內文精選】

智慧健康教室人因光環境應用研究

因應智慧照明市場發展，教室為人口密度高的室內場域，且需長期使用精密視覺，照明光環境品質將影響視覺績效、視覺舒適與視覺低疲勞。工研院以「智慧健康教室人因光(Human Factors Lighting)環境」為議題進行研究。教室照明光環境影響視覺績效與健康，光照度要求>500 lux (CNS 12112)、照度均勻度>50% (ANSI/IES RP-3-13)、UGR <19 (CNS 12112)。教室場域一般為左右開窗，戶外自然光為全頻譜健康光源，一般建議教室場域需存在日光，日光為動態變化，隨太陽與對外窗方位，左右窗邊的日光變化大，易造成亮暗變化大與均勻度變差，這將導致視覺疲勞與不舒適。教室內的人工照明除了可隨日光變化調節照明強度，另外，因投影機已成為教室必備教學工具，人工照明亦需搭配投影機使用，調控適合照明光環境。照明色溫影響情緒，高色溫具有冷靜與專注效益，低色溫具放鬆紓壓，教室照明色溫可依上課、下課、午休與上課內容不同，由照明色溫變化調節情緒。教室內CO₂濃度太高會影響精神狀況（室內CO₂ <700 ppm定義為乾淨空氣，參考GB/T18883-2002標準），室內溫/濕度也會影響舒適度，考量節能與舒適度，臺灣室內的溫度建議夏天為26~28˚C、濕度30~60%RH，冬天則建議溫度為15~19˚C、濕度30~60%RH。教室內的光品質、空氣品質與溫/濕度若考量環境因子、使用者需求，需以可感測環境品質並回饋調控系統，才能提供兼具健康與舒適學習環境。

智慧健康教室照明系統安置於教室場域，此系統可隨窗外日光自動調節室內照明強度、感測室內CO₂濃度與溫/濕度並主動調控空調系統，維持教室場域環境品質在標準建議內。依時序自動調控上課照明色溫(5,000K~6,000K) (500 lux)、課堂休息模式(4,000K) (250 lux)、午休色溫(3,000K) (250 lux)，此系統依上課情境設定為一般上課、投影機課程、自修模式、創意課程的光環境品質。智慧照明燈具空間佈置如圖二所示，於長8.76m、寬8.41m的教室內共安裝13盞可調光強度與色溫的照明燈具，紅色為燈具、黑色為空調出口、藍色為風扇。此照明燈具共成5個群組控燈，群組1為黑板燈、群組2為教室前1/3的燈（搭配投影機課程可調控此區亮度）、群組3與群組5分別為左右靠窗的照明燈具（可依左右窗的日光強度自動調控此區照明燈具亮度）、群組4為教室中後區的照明燈具。圖三為此教室在晴天與陰天下室內桌面的自然光強度。自然光強度分布於窗邊變化大，當自然光不足500 lux時，可依群組3、4、5區分別調整人工光；當窗邊自然光超過500 lux，可適時以窗簾遮擋過亮自然光，這樣可維持桌面照度在500 lux與整體光環境均勻度>80%。隨日光強度調整人工光照明，於晴天條件下可節能達到50%。

圖二、教室內智慧照明系統空間示意圖

可見光通訊介紹與應用

白光LED功耗更低、工作電壓更低、壽命更長、尺寸更小、發熱更少。最重要的是LED還具有高速點燈、滅燈的發光響應特性。一些有遠見的科學家和工程師藉此提出了一種大膽而創新的思維：讓LED點亮、熄滅切換的夠快，以致於人眼無法分辨，從而用它們來傳送數據。這種構想便是可見光通訊(Visible Light Communications; VLC)的理論基礎，將該信號調整到LED上，在可見光用以照明或顯示的同時，進行數據傳輸。可見光通訊是一種無線通訊技術，主要是利用發光二極體(LED)等發出高速明暗閃爍信號來達成訊息的傳輸。VLC主要利用頻率400~800THz（波長750~375nm）的可見光作為通訊媒介，光源可採用白光LEDs、RGB LEDs、LDs等，如圖四所示。VLC在2003年由日本慶應大學的Nakagawa實驗室實作出來。2011年10月，Harald Haas教授在當年的全球科技娛樂設計大會(TED Global)上首次公開提出Li-Fidelity (Li-Fi)概念，如圖五所示。

全球有200億個LED燈泡可以做為上網的熱點，具有最高的密度，是繼有線網路與無線網路後，第三代通訊網路技術。VLC適合用於射頻禁用環境，如飛機、化學工廠、電廠與醫院等。VLC具備獨特技術特性，與其他技術具互補性，如圖六所示。VLC的頻譜寬度（約 400THz）是Wi-Fi的10,000倍、傳輸速度是 Wi-Fi速度的100倍。VLC能提供的資料密度(Data Density)是Wi-Fi的100倍，可補足無線射頻網路Wi-Fi/5G等頻寬的不足。相較於無線電波容易被擷取通訊資訊，VLC光訊號具指向性且不可穿越障礙物…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。