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        基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的住宅室內(nèi)智能照明研究

        2022-11-24 11:44:11蘇子杰
        城市建筑空間 2022年5期
        關(guān)鍵詞:色溫照度使用者

        蘇子杰,彭 嶸

        (西安工程大學(xué)服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院,陜西 西安 710048)

        0 引言

        隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和國民生活品質(zhì)逐年提升,在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與消費升級大趨勢的多重影響下,半導(dǎo)體光源照明逐步進(jìn)入我們的生活,智能家居背景下的智能照明應(yīng)用日益普及,其可調(diào)可變性能可滿足不同使用人群對光環(huán)境的需求。部分學(xué)者從技術(shù)層面研究了智能家居在照明領(lǐng)域的應(yīng)用,當(dāng)下對于智能家居場景的研究集中于自動化等技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域[1]。在設(shè)計學(xué)方面,多為單一的產(chǎn)品設(shè)計研究[2],而從使用者舒適性角度出發(fā),結(jié)合智能照明技術(shù),對于不同情境下的智能照明調(diào)節(jié)方法研究較少。

        1 智能家居及照明系統(tǒng)發(fā)展

        智能家居系統(tǒng)往往有一致的家庭網(wǎng)關(guān)和系統(tǒng)平臺,同一系統(tǒng)平臺在軟件中以無線連接的方式,利用一定的通信協(xié)議,集合家庭智能化電器功能,從而完成檢核網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換與信息共享。目前智能家居行業(yè)已步入迅速交融的演變期,預(yù)計在未來的3~5年,智能家居將進(jìn)入一個相對快速的成長階段。

        照明的首要目的在于創(chuàng)設(shè)較好的能見度及舒適的空間環(huán)境。隨著人類對于照明的要求不斷提高,照明行業(yè)也逐漸從如何獲取更多的光,到如何創(chuàng)造更節(jié)能的光,再到如今如何布置更智能化的光不斷演變。

        傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)中燈具的啟動關(guān)閉控制缺少靈活性,且燈具亮度無法自動調(diào)節(jié)[3]。無線物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展,使“物物互聯(lián)”愈發(fā)便捷,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特征鮮明,可較好地滿足居家生活在智能控制方面的具體需求,同時成本也大大降低,不再需用復(fù)雜瑣碎的設(shè)置,對普通使用者十分友好。智能家居會提供更友善的人機(jī)交互界面,隨著Wi-Fi、藍(lán)牙、半導(dǎo)體光源技術(shù)的發(fā)展,以及智能遙控、智能感應(yīng)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用,為室內(nèi)智能照明技術(shù)提供了可靠的技術(shù)支持?,F(xiàn)在可通過手機(jī)APP操控,更先進(jìn)的方法是使用無線智能音箱作為語音交互的媒介,智能系統(tǒng)將語音轉(zhuǎn)變成為相關(guān)指令,最終達(dá)到精準(zhǔn)控制燈光的效果。隨著LED光源的發(fā)展,控制光色和照度分布已更加容易,依托LED照明所具有的優(yōu)勢,通過調(diào)光、調(diào)色等技術(shù)手段,根據(jù)人體生理和心理的不同需求,使用現(xiàn)代設(shè)計方法,可獲得集照明、藝術(shù)于一體的不同效果的環(huán)境情景模式照明[4]。

        2 照明對使用者的影響分析

        現(xiàn)代照明設(shè)計不僅要滿足人們工作生活的基本需求,而且要從使用者角度出發(fā),最大限度發(fā)揮光對用戶所產(chǎn)生的心理和生理作用,為其營造能夠提升其生活舒適度的空間環(huán)境。

        2.1 生理影響

        2.1.1 睡眠質(zhì)量

        褪黑素的分泌將直接影響人體警覺和疲倦的節(jié)奏,當(dāng)人處在黑暗空間中一段時間后,褪黑素的分泌就會增加,相反在高照度的白色光下一段時間后,褪黑素的分泌會受到阻礙。因此理論上褪黑素的分泌量會在人們睡覺時增加,但即便在夜間,假如處在高照度、白色光的環(huán)境中,也將不能正常促進(jìn)褪黑素的分泌,人們也就無法得到正常的睡眠休息。此外,SCOTT L D等[5]通過檢測受試者24h內(nèi)褪黑素的分泌情況,研究光源光照強(qiáng)度變化對人體晝夜節(jié)律所產(chǎn)生的影響,試驗表明,夜間光源照度變化對晝夜節(jié)律的相對位移存在影響。因此,人們可通過增加或減少褪黑素的分泌量調(diào)節(jié)自身身體節(jié)律。另外有研究表明,紅光對褪黑素分泌的抑制力較弱,而藍(lán)光和綠光對松果體分泌褪黑素的抑制力較強(qiáng),藍(lán)光過多可使人警覺,讓人保持興奮狀態(tài)。因而,選用偏紅色光譜的光源照明益于高質(zhì)量的睡眠,而偏藍(lán)綠色光譜的光源則不利于睡眠質(zhì)量的提高。

        因此,為促進(jìn)褪黑素更好地分泌,獲得充足的睡眠,白天應(yīng)該盡量多照射色溫高、照度高的自然光。從傍晚到深夜可逐漸調(diào)低燈光色溫,睡前應(yīng)盡量將所處環(huán)境中的照明設(shè)備設(shè)置為低照度狀態(tài)。

        2.1.2 工作效率

        有研究表明,良好的室內(nèi)環(huán)境能提升15%~20%的工作效率,根據(jù)使用者對照度的不同要求將光源照度設(shè)置在適配狀態(tài)對提高使用者學(xué)習(xí)工作效率起到非常重要的作用[6-7]。中等色溫(4 000K)的光源與低色溫(2 800K)的光源相比,前者可明顯提高人們對三維物體的辨識能力和多任務(wù)處理能力。同時,孫寶石等[8]的研究表明,在一定光照條件下,中等色溫(4 000K)的環(huán)境中,人們的學(xué)習(xí)效率最高,同時疲勞程度最低。

        郭西雅等[9]研究表明,較長時間的工作學(xué)習(xí)中,照度為350lx時效率最佳。雖然高照度下會刺激視覺及大腦從而激發(fā)更高的閱讀效率,但ROSENFIELD M[10]研究證明長時間處在高照度的光照環(huán)境中會引起眼干等不適癥狀,因此在高照度下視覺疲勞度也是最大的。因此,當(dāng)長時間工作學(xué)習(xí)時,光源照度控制在350lx左右,色溫4 000K左右,能達(dá)到較高的學(xué)習(xí)工作效率。

        馬秀峰等[11]的研究表明,受試者對照度條件為300~850lx的照明環(huán)境有較好的適應(yīng)性。短時間內(nèi),高照度、一般工況照明的整體滿意度較高,原因可能是高照度的環(huán)境會給人以明亮輕松的感覺[12],同時,在色溫為4 000K的工況下工作效率最高,疲勞度最低。因此,短時間工作學(xué)習(xí)時,推薦使用中性色溫(4 000K)、高照度(750lx左右)的照明方案,能夠有效提高人的專注度,適合細(xì)致的工作場景。

        2.2 心理影響

        不同的照明條件會讓使用者產(chǎn)生不一樣的心理感受。相同照度條件下,色溫的變化會對使用者的心理情緒產(chǎn)生不同的影響。一般來講,光源色溫在3 300K以下屬于暖色光,會給人溫和舒適的心理感受,光源色溫在3 300~5 300K可較好地反映被照射物體自身的顏色,能使人專注,讓人有振奮及清新的感受。當(dāng)色溫在5 300K以上時,通常屬于中高色溫,色溫偏冷,空間整體氛圍會顯得嚴(yán)肅、冷清,使人產(chǎn)生壓抑、煩躁、緊張的心理感受。光源在同一色溫條件下如果照度過低,則會使人產(chǎn)生幽暗、抑郁的感受;如果照度過強(qiáng),則會讓人感到煩躁。

        3 不同居住環(huán)境中智能照明的應(yīng)用

        雖然影響室內(nèi)照明環(huán)境有很多不同的要素,但對于光照自身而言,首要考慮的是照度及色溫。住宅各部分有不同的使用功能,因此照明設(shè)計時需根據(jù)不同空間的使用需求調(diào)節(jié)適宜的照度及色溫。隨著智能照明的發(fā)展,控制色溫和照度分布更容易,用戶可通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)精確調(diào)整室內(nèi)不同空間、時間、應(yīng)用場景下燈光的照度和色溫。智能照明控制系統(tǒng)包括多個照度傳感器用于采集室內(nèi)的照度,各點光源照度及色溫可自由設(shè)置,用戶可通過手機(jī)、智能音箱等智能設(shè)備根據(jù)使用的時間、場景等不同情況調(diào)節(jié)照度及色溫,營造不同的室內(nèi)照明效果[13-14]。

        3.1 書房

        書房是日常工作學(xué)習(xí)的場所,因此對照明設(shè)計要求較高。我國和很多其他國家都規(guī)定教室的照度不應(yīng)低于300lx,同時有研究表明,高亮度燈光可有效提升使用者的專注力,增強(qiáng)活力,提升興奮度。但也有研究表明,過度照明也是造成身體不適感和眩光的原因之一,因此建議工作照明控制在1 000lx以下。

        在書房照明設(shè)計中,光源需提供充足的照度,房間整體照度應(yīng)該保持在100lx,如果使用者將進(jìn)行短時間的工作學(xué)習(xí),可將桌面照度相應(yīng)調(diào)高(750lx左右),如果使用者將進(jìn)行較長時間的工作學(xué)習(xí),可將桌面光源照度適當(dāng)調(diào)低(350lx左右),色溫保持在4 000K左右,能夠達(dá)到較高的學(xué)習(xí)工作效率。

        在信息化高度發(fā)達(dá)的今天,視覺作業(yè)的中心慢慢向操作電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)移,這也常導(dǎo)致用眼過度而造成眼部疲勞。CHANG P C等[15]的研究表明,在弱光環(huán)境下,電子書閱讀時保護(hù)眼部、保持舒適度的最低照度為200lx。因此,當(dāng)用戶使用電子書等設(shè)備工作學(xué)習(xí)時,環(huán)境光過強(qiáng)或是過弱,致使電子屏幕亮度與外界形成強(qiáng)烈對比,均易對眼睛造成刺激,此時桌面照度可控制在245lx左右,色溫可適當(dāng)調(diào)低,調(diào)節(jié)至3 000K左右,能夠達(dá)到較高的學(xué)習(xí)工作效率,緩解視覺疲勞。

        兒童與成人不同,需要提供充足的光照,否則有可能導(dǎo)致近視。因此,兒童桌面照度應(yīng)保持在550lx左右,如使用計算機(jī)等電子設(shè)備桌面的照度應(yīng)保持在350lx左右,并選用4 000K左右色溫的白色燈光照明。目前也有很多廠家嘗試將學(xué)習(xí)時長和燈光照明綁定,調(diào)整光源照度保護(hù)兒童健康。

        3.2 客廳

        客廳是日常家庭活動中最常使用的空間之一,因而客廳照明設(shè)計的重點在于營造空間環(huán)境氛圍的同時適應(yīng)多用途需求。經(jīng)過改變照明的組合與調(diào)光可改變空間氣氛,客廳的照度可根據(jù)不同的行為需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

        日常生活中,用戶可將客廳照度調(diào)節(jié)至100lx左右,色溫控制在3 500~4 000K;當(dāng)接待訪客時,應(yīng)創(chuàng)造明亮舒適的照明環(huán)境,客廳整體照度應(yīng)保持在150lx左右;當(dāng)有讀寫需求時,可使用落地?zé)艋蚺_燈用作重點局部照明,茶幾上方及沙發(fā)周圍保證300~500lx的照度供用戶讀寫使用。

        再如看電影聽音樂時,需將客廳光源調(diào)暗,使用低照度的間接光照,可營造和睦輕松的氛圍;當(dāng)暫停觀影時,需將光源調(diào)亮。這些自然的活動在傳統(tǒng)家居照明中步驟繁瑣、操作不便,甚至達(dá)不到預(yù)期效果。而借助物聯(lián)網(wǎng)半導(dǎo)體照明技術(shù),當(dāng)將客廳作為家庭影院時,可改變燈光顏色,以彩光作為主體,營造沉浸式照明體驗,并適當(dāng)降低空間照明照度,提高整體空間的體驗感和享受度。智能照明光源可呈現(xiàn)豐富的照明效果,也可模擬色彩斑斕的舞臺燈光,先前模擬舞臺照明設(shè)備通常尺寸較大且操作復(fù)雜,很難在家中安裝使用,而隨著半導(dǎo)體照明、物聯(lián)網(wǎng)軟硬件技術(shù)的發(fā)展,使此類照明體驗可擴(kuò)展到居家環(huán)境中。

        3.3 餐廳與廚房

        餐廳區(qū)域的照明質(zhì)量會直接影響使用者的食欲,因此餐廳照明設(shè)計在考慮功能性的同時,要注重就餐氛圍的營造。餐廳照明應(yīng)將餐桌上的直接照明與提高空間氛圍感的間接照明相結(jié)合。餐廳中的行為主要是圍繞餐桌展開,突出餐桌及其周圍進(jìn)行局部照明,有助于促進(jìn)就餐和談話的輕松氛圍。采用暖白色燈光(3 000K左右)相比冷色燈光和低照度燈光更適合餐廳就餐時使用,能提升人的食欲,餐廳整體亮度控制在50lx,餐桌則為300lx左右。餐桌周圍可配合間接照明使用,如落地?zé)簟⒈跓舻?,照度?yīng)控制在50lx左右,可營造更親切融洽的氣氛,提高居家生活舒適度。同時可通過調(diào)節(jié)燈光照度改變餐廳氛圍,如將餐廳整體照度降低,可營造出高雅溫馨的用餐氛圍。

        廚房是家務(wù)活動較密集的場所,該區(qū)域的照明通常光源柔和明亮,易于操作。廚房照明由一般照明和局部重點照明組成,廚房整體照度應(yīng)控制在150lx左右,而且高照度的環(huán)境會讓人味覺更靈敏。同時廚房應(yīng)首先滿足洗菜做飯等基本功能需求,操作臺周圍應(yīng)選用白色光源照明(4 000~5 000K),讓使用者精力更集中,不會產(chǎn)生色差,并保證200~400lx的局部照度,清除暗部死角,讓廚房空間更有清潔感。

        3.4 臥室及衣帽間

        臥室是供使用者休息、放松的空間,需要安靜放松柔和的空間氛圍,臥室的照明設(shè)計需滿足不同的使用需求,如閱讀、休息等。通常臥室照度可保持在20~100lx,在床頭寫字臺、梳妝臺等局部可設(shè)置150~400lx照度的光源以供用戶讀寫及起夜使用。已有研究表明,在同樣照度條件下,隨光源色溫的升高,燈光顏色逐漸由偏黃向藍(lán)白過度,大腦興奮度會隨之增加。此外低照度的光源也會促進(jìn)褪黑素的分泌,有助于提高睡眠質(zhì)量。因此,低色溫低照度的照明能夠更好地營造促進(jìn)睡眠的空間環(huán)境,臥室可將色溫調(diào)節(jié)至2 000~3 200K,尤其是中老年的臥室,特別要注意采用低照度、低色溫光照。此外,還可通過智能照明系統(tǒng)控制光源照度逐漸降低并延遲關(guān)燈。

        衣帽間和儲物間照明最重要的是讓使用者可清楚地看到儲藏的物品,而且能清楚辨識物品的顏色,所以燈光的色溫應(yīng)該選用與自然光光色比較接近的白色光(4 500K),照明照度在30lx左右。

        3.5 衛(wèi)浴空間

        衛(wèi)生間不僅是使用者清潔、洗浴、方便的空間,而且是人們身心得到放松的地方,所以衛(wèi)生間所創(chuàng)設(shè)的照明條件應(yīng)在滿足照明功能需求的同時,確保使用的舒適度。衛(wèi)生間應(yīng)考慮用暖色燈光營造輕松的氛圍,整體照度應(yīng)保持在100lx左右。在洗漱間,人們要對著鏡子梳妝打扮,因此,洗手池上方及化妝鏡應(yīng)該采用重點照明,可安裝鏡前燈,讓光源均勻照射使用者的面部,避免陰影對洗漱、化妝等日?;顒拥挠绊?。將照度控制在300~500lx,色溫應(yīng)選用接近自然光的白色光(4 500K)。

        使用者在深夜去廁所時,如果燈光照度過高,明暗對比過強(qiáng),人眼將無法較快適應(yīng)空間的明暗變化,而且隨著年齡增長,會減弱人對明暗變化的調(diào)節(jié)適應(yīng)能力,且過高的照度會對使用者的睡眠質(zhì)量產(chǎn)生影響,還易發(fā)生摔倒等事故。因此在居家環(huán)境中應(yīng)注重明暗環(huán)境過渡的照明調(diào)節(jié)設(shè)計,采用“緩和照明設(shè)計”方法,照度控制區(qū)分晝夜,這樣能讓使用者較好地適應(yīng)光線的強(qiáng)弱變化,白天和夜晚的光照亮度可通過智能照明系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)預(yù)設(shè),白天照度控制在75~150lx,夜晚照度應(yīng)控制在10lx左右。

        3.6 走廊和樓梯間

        樓梯屬于房屋中較危險的區(qū)域,經(jīng)常會有踩空或摔倒等意外情況發(fā)生。因此,樓梯照明的關(guān)鍵是要讓人看清每個臺階的高度和位置,通常選用壁燈或筒燈用作走廊照明,考慮到深夜會偶爾去衛(wèi)生間等情況,需在走廊安裝腳邊燈,所以走廊和樓梯白天整體照度應(yīng)保持在50lx左右,夜晚為2lx左右。走廊和樓梯間色溫應(yīng)保持在3 500~4 000K。

        4 結(jié)語

        與傳統(tǒng)使用固定開關(guān)控制照明的方式相比,使用物聯(lián)網(wǎng)、智能調(diào)光技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)住宅照明更加便捷舒適。基于Wi-Fi、藍(lán)牙技術(shù)的照明系統(tǒng)不僅使燈具控制更方便智能,且對比功能形式較單一的傳統(tǒng)照明,其功能更多樣,使用也更便捷,使照明成為家居生活中的亮點之一。隨著人工智能技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展完善,以及社會共識的有力推動,智能家居照明將會給用戶帶來更多、更好的體驗。

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