Lịch sử phát triển của chiếu sáng nhân tạo đã trải qua 3 giai đoạn:

Ngày 2/10/1879 Thomas Alva Edison đăng ký bản quyền phát minh nguồn sáng nhân tạo đầu tiên là đèn sợi đốt, từ đây nhân loại bước sang kỷ nguyên Ánh sáng điện. Mục tiêu của chiếu sáng lúc này nhằm thỏa mãn tiện nghi thị giác, đảm bảo điều kiện nhìn rõ trong môi trường lao động.

Có thể coi giai đoạn thứ hai của công nghệ chiếu sáng bắt đầu từ sự ra đời của các nguồn sáng là các đèn phóng điện chất khí như đèn huỳnh quang, đèn Sodium...

Với các nguồn sáng này tiện nghi nhìn tốt hơn, công suất tiêu thụ cho chiếu sáng giảm đi đáng kể, tuy nhiên chiếu sáng chiếm tới 20% điện năng tiêu thụ, từ đây vấn đề cần quan tâm là chiếu sáng là hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

Năm 2014 các nhà khoa học Nhật Isamu Akasaki, Hiroshi Amano và Shuji Nakamura đoạt giải Nobel vật lý về phát minh đèn LED. Từ đây kỹ thuật chiếu sáng chuyển sang một mới. Giai đoạn thứ ba của công nghệ chiếu sáng có thể coi được bắt đầu từ năm 2017 với giải Nobel Y học dành cho ba nhà khoa học Mỹ Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash và Michael W. Young về tác động của ánh sáng đối với nhịp sinh học (hình 1) và đời sống tinh thần của con người. Từ đây công nghệ chiếu sáng không chỉ tích hợp các thành quả của chiếu sáng thông minh nhằm mục tiêu thỏa mãn đời sống vật chất mà còn nâng cao đời sống tinh thần và sức khỏe của con người.

Chiếu sáng lấy con người làm trung tâm thực chất là chiếu sáng nhằm giúp con người đạt được thể chất sinh học và sức khỏe tinh thần tốt nhất. Điều này chỉ có thể thực hiện được là nhờ công nghệ chiếu sáng thông minh bằng đèn LED kết nối mạng công nghệ IoT tái tạo ánh sáng nhân tạo tự nhiên như ngoài trời.

Từ xa xưa mọi hoạt động của con người luôn chịu ảnh hưởng của ánh sáng. Mặt Trời là nguồn gốc sự sống, nhịp sống (nhịp sinh học) của con người phụ thuộc vào thời gian xuất hiện và lặn của Mặt Trời và nhịp sống đó được di truyền đến các thế hệ sau. Ánh sáng có bản chất là sóng điện từ có bước sóng khác nhau. Mắt người chỉ cảm nhận được ánh sáng trong dải tần từ 380 đến 760 nanomet.

Bộ não con người cảm nhận ánh sáng qua cơ quan thị giác là đôi mắt. Ánh sáng phản xạ từ các vật thể quan sát đi tới mắt, qua giác mạc, đi qua đồng tử và khúc xạ qua thủy tinh thể để hội tụ trên võng mạc. Tại đáy võng mạc, nơi tập trung khoảng 6 triệu tế bào thần kinh thị giác hình nón cảm nhận ánh sáng màu còn vùng ngoại vi tập trung khoảng 120 triệu tế bào hình que chỉ cảm nhận được màu đen trắng. Các tế bào này biến tín hiệu quang thành tín hiệu điện và truyền đến bộ não giúp tái tạo hình ảnh của đối tượng.

Hình 4 thể hiện cách ánh sáng ảnh hưởng đến hoạt động của con người thay đổi theo thời gian. Ta nhận thấy tùy theo thời gian làm việc hay nghỉ ngơi mà yêu cầu về độ rọi và màu sắc của môi trường chiếu sáng cần phải thay đổi cho phù hợp. Thực tế, ngày nay ánh sáng nhân tạo đã thay thế ánh sáng tự nhiên trong nhiều hoạt động. Tiếp xúc với ánh sáng nhân tạo càng lâu sẽ càng ảnh hưởng đến sức khỏe thị giác của con người và có thể phá vỡ nhịp sinh học tự nhiên. Chiếu sáng đặt trọng tâm vào con người HCL là giải pháp cho chiếu sáng nhân tạo thông minh. Nhờ khả năng tái hiện ánh sáng tự nhiên tối đa, HCL giảm nguy cơ bị rối loại nhịp sinh học cho con người, giúp trạng thái thần kinh của con người trở nên sảng khoái. Bản chất của HCL sử dụng công nghệ chiếu sáng thông minh có thể điều chỉnh linh hoạt ánh sáng về cường độ, phổ màu và thời gian tác động. Điều này được thực hiện bởi đèn LED, bộ nguồn LED Drivers và cơ cấu điều khiển LED Controllers. Công nghệ này giúp đem lại nguồn sáng linh hoạt, có thể điều chỉnh nhiệt độ màu, độ rọi của ánh sáng từ đó điều chỉnh ánh sáng tái tạo ánh sáng tự nhiên ở mọi thời điểm trong ngày.

Hình 5 cho thấy công nghệ chiếu sáng HCL là trung tâm và có liên quan đến các hoạt động vật chất và tinh thần của con người như: nhịp tim, năng suất lao động, tiêu thụ năng lượng, hoạt động thị giác.

Đầu tiên cần nhận rõ hệ thống chiếu sáng lấy con người làm trung tâm HCL không phải là hệ thống mới nhưng là hệ thống chiếu sáng thông minh định hướng thỏa mãn đời sống sức khỏe và tinh thần của con người.

Nghiên cứu một hệ thống chiếu sáng thông minh theo 4 mức (hình 6):

Mức 1 là mức nhúng (Embedded Level) đóng vai trò giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng gồm Giám sát thông minh (Smart Monitoring) các cảm biến môi trường chiếu sáng (Ambient ligh Sensors), các bộ định thời nhằm tiết giảmmánh sáng (Dimming Ligh Schelduling) và điều khiển (Control). Mức này gồm các bộ điện tử giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng.

Mức 2 là mức hệ thống (System Level) và Mức 3 là mức lưới (Grid Level) gồm nguồn (Power Source) nguồn từ lưới, Ăcquy hay panel mặt trời (Power Grid, Batteries, Solar Panel). Các bộ biến đổi điện tử công suất (Power Conversion) AC/AC AC/DC và bộ nguồn cho LED (Driver LED). LED là điôt bán dẫn biến đổi điện năng thành ánh sáng với hiệu quả rất cao (> 100 lumen/W), tuổi thọ cao (> 50.00h), độ bền cơ học cao, Driver cho phép tiết giảm công suất từ 0 đến định mức, thay đổi màu dễ dàng vì thế hệ thống chiếu sáng LED đã và đang chiếm vai trò chủ đạo. Các LED thường được chế tạo theo modul tạo thành mảng (LED Array).

Mức 4 là mức truyền thông (Communication Level).

- Kết nối có dây bao gồm các công nghệ sau: DALI (Digital Addressable Lighting Interface); Ethernet; BACnet (Building Automation and Control networks); Lonworks. Trong đó DALI được sử dụng phổ biến trong các hệ thống chiếu sáng.

- Kết nối không dây bao gồm các công nghệ: ZigBee; Wi-fi; Bluetooth. Zigbee là một tiêu chuẩn được định nghĩa: là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp, tiêu thụ ít năng lượng. 

ZigBee được hỗ trợ trong các dải tần số 784MHz (Trung Quốc), 868MHz (châu Âu), 915MHz (Mỹ và Úc), 2.4GHz (ở hầu hết các nước). ZigBee hỗ trợ ba kiểu cấu trúc mạng: mạng hình sao, mạng hình cây và mạng hình lưới. Bluetooth là chuẩn công nghệ không dây ứng dụng để trao đổi thông tin giữa các thiết bị trong một khoảng cách ngắn sử dụng băng tần ISM từ 2.4 đến 2.485 GHz được phát triển bới tổ chức Bluetooth Special Interest Group (SIG). Công nghệ mạng di động Wi-Fi, hiện nay phổ biến là mạng 4G, 5G.

Để thiết lập một hệ thống chiếu sáng lấy con người làm trung tâm HCL thường thực hiện các bước sau đây:

Bước 1: Tìm hiểu các đặc tính của đối tượng được chiếu sáng

Bước đầu tiên là tìm hiểu các yêu cầu, kết quả mong muốn, nhiệm vụ và hoạt động của đối tượng được chiếu sáng. Ví dụ chiếu sáng phục vụ môi trường y tế chăm sóc sức khỏe, thăm khám, điều trị bệnh tật. Các hoạt động có thể thường đòi hỏi đánh giá trực quan, xét nghiệm, chẩn đoán và giao tiếp giữa các cá nhân. Chiến lược thiết kế kiến trúc và chiếu sáng cảnh quan chung tạo tâm lý thân thiện, bình yên và sảng khoái cho người làm việc và bệnh nhân. Tuy nhiên yêu cầu về chiếu sáng rất khác nhau đối với từng bộ phận làm việc của bệnh viện như phòng đón tiếp, phòng bệnh nhân, phòng xét nghiệm, phòng mổ thường phải thỏa mãn các tiêu chuẩn…

Bước 2: Xác định chu trình hoạt động của các cá nhân trong môi trường chiếu sáng.

Cần xác định cụ thể chu trình hoạt động của các cá nhân như làm việc ca ngày, ca đêm hoặc cả hai. Những người làm việc theo chu trình khác nhau cần được điều chỉnh ánh sáng với cường độ và màu sắc thích hợp. Làm việc ca ngày có lợi vì ánh sáng tự nhiên tác động sinh học cao vào buổi sáng và ban ngày, tác động sinh học thấp vào buổi tối và càng thấp càng tốt vào ban đêm. Trái lại những người làm việc ca đêm cần được chiếu sáng tăng cường để thực hiện tốt và an toàn công việc đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực do chu kỳ ngủ-thức ngược với nhịp sinh học bình thường. Vì vậy ngoài việc luân phiên ca làm việc còn phải thực hiện các giải pháp thiết kế chuyên biệt do hệ thống điều khiển thông minh có thể tạo môi trường chiếu sáng linh hoạt.

Bước 3: Xác định nhu cầu làm việc, nghỉ ngơi, ngủ của người lao động

Bóng tối giúp giấc ngủ dễ dàng và không gian để ngủ phải càng tối càng tốt nhưng cũng cần đủ ánh sáng an toàn. Đối với những người hoạt động cả ngày, giấc ngủ chủ yếu xảy ra vào buổi tối và suốt đêm điều này có thể yêu cầu các biện pháp xử lý bằng cửa sổ để chặn ánh sáng xâm nhập. Đối với những người hoạt động về đêm, giấc ngủ chủ yếu diễn ra vào ban ngày và cần sử dụng cửa sổ ngăn sáng. Các yêu cầu này cần được thực hiện theo lịch trình cụ thể.

Bước 4: Tìm hiểu yêu cầu về chiếu sáng qua các chỉ dẫn của các Hội chuyên ngành về Chiếu sáng , Kiến trúc - Xây dựng, Y tế, Khí hậu, Thời tiết 

Các hội chuyên ngành liên quan đến chiếu sáng đều có các tiêu chuẩn riêng. Việc thiết kế chiếu sáng lấy con người làm trung tâm cần tham khảo tiêu chuẩn của các hiệp hội chuyên ngành có liên quan, giải quyết các xung đột nhằm thu hẹp khoảng cách.

Trung tâm R&D Rạng Đông