穿透天窗或窗戶照進室內的日光，對於現今健康生活與節能減碳至關重要。但是如果沒有感測器，就無法採集這些日光。環境光感測器(ALS)能持續地幫助節省能源，並將高效能的固態照明方案加以「綠化」。同時，感測器能自主管理能源與光譜，進而推動更健康的新一代節能照明。

若具備高效能的LED燈，就更能取代相當耗能的白熾燈、HID與CFL燈泡。LED一開始是用來改善智慧型手機背光燈的電池生命週期，接著迅速發展至較大尺寸的電視、監視器與筆記型電腦等螢幕，以降低耗能。而現在這波LED燈趨勢已進入了辦公大樓、學校、醫院、政府機關、大賣場、飯店、餐廳與其他工業設施等，涵蓋商業與工業領域的通用照明市場。雖說LED替代照明可以節省50%的能源，但若藉由採集日光，這些建築環境還能另外節省30%以上的能源。

通用光源擁有顯著不同的能量與頻譜能讓ALS與顏色感測器得以辨識不同的光譜，並測定實際環境光的可用量與品質。當結合了精確控制顏色感測的白光調節器，高整合的智慧日光採集系統就能藉由目前所需的光源類型來達到額外的效率。舉例來說，傍晚的日光仍然充沛、可供給光源至建築物內部，但是較暖的色溫無法支援與中午日光同樣的可見度。可以選擇結合電力照明集中傳輸至色溫較冷的區域，與全光譜相比，整體的能源節省效果與光通量都會較低。

本文章將討論這類高度整合智慧色彩管理環境光感測器，與能快速應用於LED照明系統驅動技術的優點及可行方案。

環境永續成全球趨勢

近年來在建築物設計、建造與維護方面，環境永續性已成為必納入考量的關鍵元素。根據美國能源部資料顯示，全球能源消耗至2035年會增加約40%。為了減緩這個趨勢，各國政府紛紛實行相關政策，以減少能源消耗與溫室氣體的排放。中國政府意識到能源危機迫在眉睫，對高效率改造與新設備的安裝提供各種折扣與獎勵計畫。

降低能源使用能稍微減少設備維護的預算，這項預算約佔平均建築生命週期成本的80%[1]。但是建築物所有者與設備管理員該如何因應現有的照明系統呢？有什麼方法可以讓室內照明系統變得「更聰明」，變成如人類眼睛一樣、可以根據不同光源隨使用者調整？

在電子設計方面，照明設計師需要集中在光本身，而非能源供應。「智慧感知照明」的趨勢會需要獨立的智慧感測器來感測環境，除了供應周圍環境的數據，還能提供如何同時節省能源與增進照明品質的最佳答案。

智慧感知照明優化能源效率

什麼是智慧感知照明呢？目前的照明燈具與系統相對為「非智慧型 」，需要使用者輸入具體的需求才能夠調整照明。然而，阻礙最少的方式僅是讓照明在大部分的時間維持開啟，且不顧使用者的實際需求，燈光即調至最高強度。

而讓感測器驅動照明容易使用的關鍵在於「更優化」與「更節能」。以環境光感測器而言，若能具有像人類一樣範圍很廣的感測力與感應力，能驅動新一代的照明控制。這些控制器可以直接替代照明與燈具，將更多內部照明負擔轉移給可用日光。

有天窗、窗戶與側燈的設施中，可用日光會按照時間或天氣條件來變化，而可獲得可用日光的區域在白天的時候就未必一定需要人工照明，但若是離這樣的光照資源較遠的地方就不同了，這情況會發生在擁有數千平方公尺的大型區域，若要在大型區域內管理每個燈具的光輸出以補足日光不足的量會是非常大的挑戰，無法靠手動設定就能完成。如果將日光採集結合感應器，就能節省相當多的能源。

有些設備管理員趁著白天把外部日光採集感測器附加到燈具組中。這樣的售後服務可以減少能源消耗，但是會導致亮度過高或過低、不和諧跳躍，或是亮度水平下降。

整合感測器的好處

置入燈具內的感測器可以自動回應周圍環境，不論是居住密度、可用日光、當日時間、色溫，或是其他變化因素，皆可提供適當的光線與光譜數量，這會是減少能源消耗與成本的完美方案。比起採用控制器，這種事後內部建置方法可以大幅提高能源效率。

圖一 : 日光採集系統能夠節約照明消耗能源

透過補充所需光量至工作空間中以維持照明一致的環境，與無法因應環境光變化的裝置相比，可大大地降低能源消耗。整體來說，智慧照明控制器可在提供適當照明的同時，節省超過60%的能源。

表一 : 日光採集系統如何節省成本

由光開始才是正途

人性化照明系統的發展關鍵不是「電源供應」，而是從「燈光」的角度設計嵌入式電子。系統單晶片感測器方案提供完整的光線感測子系統，包含從類比讀數轉換成數位I2C輸出訊號。這也涵蓋任何錯誤光閃爍的校正，即使是小至2平方毫米的方形整合電路也能校正，成本並不高。另外，精密的過濾系統自動拒絕由建築物螢光照明系統產生的50-60 Hz波紋，能讓感測到的光照水平更精準地測量進入建築物的日光。

充分地掌握照明環境也能夠節約能源。在建築環境整合控管系統中，結合鄰近/移動照明感測能夠提供內部環境足夠的數據。另外，將日光感測/採集系統與精準控制機制結合，不僅能讓照明系統傳遞足量的光，也能因應空間中的活動與使用者來調整照明。

圖二 : 智慧感知照明管理系統

將自動照明控制器與建築管理系統良好整合

雖然之前早期智慧照明控制器能夠集中，但是現代科技可以讓照明自主思考。把環境光感測器置入每個照明設備裡，可以根據當時的環境光種類與數量立即判定。以像ZigBee這類的低成本及低功率的無線網路，或是有線網路如DALI等，這類群體智慧可以達到半自主控制，它能意識到各自在做的事情，也能隨時自行組織最有效率的照明計畫，而這類輸入集中控制系統已經可以投入實際應用。而最重要的關鍵的就是連結至現有建築管理架構的感測器系統，例如KNX, LONmarks。

圖三 : 整合建築管理智慧感知照明系統

智慧照明市場的驅動力

Pike Research最近的「商業大樓的智慧照明控制器」報告中概述了市場上針對政府節能減碳政策的照明控制驅動器:

在美國，以建設項目為主的照明控制器市場，會因為2013年10月的新聯邦法律所帶動，所有州政府都必須採用如美國製冷與空調工程師協會(ASHRAE)建築規範(90.1-2010)嚴格的法律規範。此建築規範要求大部分空間裝置自動關閉與調暗，也鼓勵許多建築項目進一步將照明系統與建築管理系統連結。

2020年的歐盟目標是促進歐盟成員國對照明控制的採用，所有新的公共建築必須要在2019年之前達到零能耗；私人建築的時限則是在2021年之前。若要達到這個目標，智慧照明控制是絕對必要的。

中國在2011至2015年的第十二次五年計畫針對能源效率方案設定了強大的目標，包含已經開始實行的全都市範圍內路燈控制。其中，我們也預期會有一個類似擴大建築照明控制的方案。中國的照明市場保守估計會在2015年達到5億日幣 。截至2012年3月，已經有多達30萬盞路燈替換為LED燈，2013年預估會替換超過1百萬盞。

照明的非視覺與生物光電效果

商用建築大部分是採用螢光燈照明，不像自然光有一致、完整的光譜。顏色科學與健康領域近期新的研究指出，人類健康與生產力可以藉由自然光改善。此研究也總結，人在自然光下待的時間長，與長期在人工光源下曝曬的相比會有較高的生產力與警覺性。

另外也有證據顯示，有兩條獨立功能路徑在傳遞光資訊到大腦，非視覺路徑會到腦下丘，腦下丘能協調賀爾蒙釋放等諸多功能。褪黑激素是其中最有名的例子，它是調節生理時鐘至與環境同步的化學訊號。褪黑激素會在燈光變暗時分泌，在燈光變亮時被抑制。

光線將人類生理時鐘同步。例如波長456nm藍光會減少我們血液內的褪黑激素，讓我們更加警覺－這就是早晨至中午的陽光。但隨著時間推移，陽光中的藍光光譜下降、紅光與紫光增加，會促使褪黑激素增分泌，幫助進入睡眠與修復身體。光對於褪黑激素、警覺心與認知表現的影響是藍移（blue-shifted），6500K相關色溫的冷光燈具比3000K的CCT暖光燈具更能促使體內分泌褪黑激素，並提高警覺效應。[4]

光會直接影響褪黑激素與其他大腦產生賀爾蒙的分泌量，也會間接影響警覺。人工造成的失調不僅只有睡眠被影響，而是我們幾乎所有的新陳代謝、包括免疫系統反應等都是如此調節，所以也可能帶給健康狀況更嚴重的影響。

現今辦公室內的工業照明固定供應高藍移的光線，促使我們能更清醒地工作，但這也損害了傍晚自然光的暖色光譜，進而影響傍晚在家面對電腦螢幕或是加班到很晚的人們的睡眠周期。其中電腦與FPTV也傳遞了高藍移光線[6]

透過如多通道顏色感測器驅動的可調白光LED照明能創造調諧健康的自然光環境。這樣的照明可以在白天幫助提高警覺與增加生產力，同時適應日夜變化以維持健康的褪黑激素週期，進而促進健康並提升工作表現。

圖四 : 可調白光照明系統調節以適應日夜變化

結論

智慧感測驅動系統能立即對環境與較大的空間反應，並能智慧地透過自主且集中控制來回應使用者與設施的需求，最關鍵的是能夠達到全球政府對於降低能耗、溫室氣體排放所設定的標準。下一代的智慧感知照明系統會利用豐富的照明數據以自動調整建築內部環境，以同時提高舒適度、生產力、安全與效率。環境意識、決策導引、多重感測器網路與優化照明會增加工作區域、員工與群體的生產力，也促進個體健康與表現。

各國的能源需求正在增加，這是必然的，故須減低照明能耗。目前電力設計連結日光採集感測器是透過開關控制，而不是利用光作為起點。然而，必須從不同角度看待光，並了解未來的照明系統如何全面調節，才能真正降低能源消耗與相關費用。

本文作者現任職於奧地利微電子光學感測與照明部門感測驅動照明總監