照明控制技术的发展及应用现状

张钰唯 叶炜 许煜

(浙江大学控制系，杭州 310027)

1 引言

照明是利用各种光源照亮工作和生活场所或个别物体的措施，利用太阳和天空光的称“天然采光”，利用人工光源的称“人工照明”。照明控制是对照明使用光的质和量的驾驭，对包括人工光源和自然光源在内的各种光源的使用状态进行调整，以实现更舒适、更优美、更节能的照明环境的具体手段。当我们把多个调整照明的手段整合在一起，并使它们之间互相协调工作，以达到控制照明这一目的时，就组成了一个照明控制系统。

随着科技的发展和人们物质、精神生活水平的提高，照明不仅仅是满足人们视觉上明亮的要求，还要满足艺术性要求，要创造出丰富多彩的意境，给人们以视觉享受。自1973年世界上发生第一次能源危机以来，国际上对照明节能的逐渐重视起来，并提出了“绿色照明”理念，在发展绿色照明工程的过程中照明控制起到了非常重要的作用，这也在很大程度上促进了照明控制技术的发展。目前，照明已经从一种功能性安排转变为实现功能、创造艺术、改善环境、引导行为的复杂系统，因而要求照明控制兼顾安全、可靠、灵活、经济等诸多方面。

2 照明控制方式

照明对人类的重要性不言而喻，但目前摆在人类面前更大的困惑是日益枯竭的能源，以及发电、生产过程中对环境造成的污染，选择一个合适的照明控制方式是非常重要的。正确的照明控制方式是实现照明艺术性和舒适性的有效手段，是节约能源的有效措施［1］。

(1)跷板开关控制

跷板开关设置于门口，对于面积较大、灯具较多的房间，采用双联、三联、四联开关或多个开关控制。对于楼道和楼梯照明，多采用双控方式，使得在任意入口处都可以控制照明灯具。

(2)空气开关控制

小型空气开关控制在本质上类似于跷板开关控制，主要用于灯具容量、数量较大的场所或者室外环境，如停车库、大教室、室外路灯、景观照明等。

(3)定时开关、声光控开关等节能型开关控制

对于住宅、公寓楼梯等公共区域的照明开关适宜采用红外移动探测加光控开关。也可采用智能定时器，按照工作时间及非工作时间不同的时间段切换不同的灯光组合，在满足需要的前提下投入最少的灯。

(4)手动遥控控制

通过红外线遥控器，实现在正常状态下对各区域内的照明灯具进行手动控制和区域场景控制。

(5)场景控制

用户预设多种场景，按下一个按键，即可调用到想要的场景，可实现根据场景需要投入适量的灯具工作，避免浪费。

(6)动静探测控制

在特定场所或整栋楼宇，根据人员走动情况对照明灯具进行控制的一种方式。通过调光模块和动静探测器等电气元件实现照明灯具的自动开关控制。

(7)恒照度控制

通过调光模块和照度动态检测器等电气元件来控制照明场所内相关灯具的开或关，保持场所的照度不会随日照等外界因素的变化而改变，始终维持恒定。

3 照明灯具的控制技术

照明灯具的控制可分为开关控制和调光控制，实际上“开”和“关”控制是调光控制中的两个极端，从这个意义上讲开关控制也可属于调光控制范围。调光控制可调节灯具的亮度，调光的软启动和限压技术可保护昂贵的灯具不受电冲击损害，延长灯具的工作寿命，降低运行成本和维护费用，同时调光还可节省大量电能。

按发光原理划分，照明光源通常可分为热辐射光源和气体放电光源，其典型的光源分别为白炽灯和荧光灯。对于热辐射光源来说，只需要调节供给光源的电压即可调节光通量的输出;而对气体放电光源来说，实现调光控制并非那么简单，不能简单地通过控制供电电压来调光，这类光源都有匹配的镇流器，通过控制镇流器输出电压的频率和幅值来调节光源的光通量输出。随着各种新型灯具的不断涌现，微电子技术、电力电子技术以及计算机技术的蓬勃发展，调光设备已从小功率单灯家用调光器发展到如今用微处理器控制的可对各类电光源进行稳定调光的大功率多通道调光控制器，常用的调光技术因电光源技术性能的不同可分成前沿相控调光，后沿相控调光和正弦波电压调光三种。

最早使用照明调光的剧场舞台灯光采用可变电阻调光、调压器调光等笨重的调光方式，操作控制十分不便。1962年英国开始将可控硅用于调光，这是调光方式的一个重大革新，由于可控硅体积小、重量轻、控制方便，至今仍被不少调光器制造商沿用［2］，可控硅调光是一种前沿相控方式 (Phase-on)的调光器。为了解决带有容性负载灯具的调光问题，又出现采用MOS晶体管组成的后沿相控调光方式(Phase-cut)的调光器，在这种后沿相控方式中，调光器相控斩割的电压正弦波下降时间可通过修改晶体管驱动电路来增大，减少电磁干扰和噪声。然而前面二种相控方式调光器总是解决不了正弦波形被斩割和产生高次谐波干扰这两大问题，而且由于相控斩割方式的工作电流不是在整个正弦波周期内流过控制器件的，因而电能的利用效率较低［3］。澳大利亚邦奇电子公司开发了一种正弦波电压调光方法，它的功能等效于可以调控电压输出有效值的变压器，输出电压波形不会因被斩割造成波形畸变或者产生高次谐波干扰，不会污染电网，能量转换效率高，可以调节各类灯光。新一代的正弦波调光设备采用了脉宽调制技术 (PWM)，通过调节灯具的输入功率达到改变其输出光通的目的，调光的效率很高，电流控制也非常精准。可调光电子镇流器就是使用这种技术，目前荧光灯可调光电子镇流器已比较成熟，金卤灯的可调光电子镇流器还在发展中，同时利用PWM控制是降低LED光线输出的最佳方法，可在保持控制器高效工作的同时，提供一个相对稳定的颜色输出［4，5］。

4 照明系统的控制技术

照明控制系统以实现显著的节能效果为主要目的。有效的控制可以延长光源寿命，改善工作环境，提高照明质量，实现多种照明效果。

(1)传统照明控制系统

传统照明系统将照明分为一般照明、局部照明、混合照明等，按照一定的照度标准与其他指标进行设计。在照明的控制方式上多以手动为主，仅能实现简单的开关控制与调光控制。如利用设置在灯具配电回路中的手动开关元件控制配电回路的通断，实现开关控制;利用设置在灯具配电回路中的手动调节元件调节配电回路的电气参数 (电压、电流、频率等)，实现调光控制。

传统照明控制方式，功能简单，有效直观，造价低廉，但布线复杂，当采用双控方式或三联控制方式时，照明回路中布线的复杂度随着控制开关数量增多而成倍增加;动力线按需分线，用机械开关通、断电源，系统固定后无法再改动，系统扩展维护困难;动力线与控制线重叠，不存在控制信息流的概念，控制相对分散，无法有效管理，过多依赖控制者的个人能力。

(2)自动照明控制系统

随着照明技术的发展，建筑空间布局经常变化，照明控制要适应和满足这种变化，如果用传统控制方式，势必到处放置跷板开关，不美观也不方便。随着电气技术的发展，照明控制达到了第二阶段—自动控制阶段，利用数字控制技术来遥控灯具的开关。通常是控制中心发出信号，通过直接数字控制器 (DDC)来控制配电回路中交流接触器的分合，从而控制配电回路的通断，实现灯具开关控制。

采用该种方式，解决了传统方式控制相对分散和无法有效管理等问题，易于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时间的选择上可以统一调度安排，自动化程度相对提高。但由于DDC系统本身固有的技术特点，使得自动照明控制系统也表现出不足:无法实现调光控制，而且也很难实现灯光场景等预设置和场景管理等功能;对控制器本身要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性。尽管DCS逐步取代DDC系统，而且实现了分散控制与集中管理功能，但对于底层的设备来说仍然是传统的DDC技术。

(3)智能照明控制系统

智能照明控制系统是利用计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、微电子技术等现代化的科学技术，实现可根据环境变化、客观要求、用户预定等条件而自动采集系统中的各种信息，并可对所采集的信息进行相应的逻辑分析、判断，同时对结果按特定的形式存储、显示、传输，以及反馈控制等处理，以达到最佳的控制效果［6］。目前的智能照明控制系统多数采用现场总线技术，具有数字化分布式控制的特点和开放性。

随着智能照明控制技术被越来越广泛地认可和使用，相关产品层出不穷，需求量也逐渐加大，一些厂商已经开始设计符合一定标准的照明网络系统构架，制造相应的灯光网络产品。现有的智能照明控制标准根据其开发背景和功能特点可分为以下两类:一类是智能家居协议中的灯光控制部分，这类照明系统多依托于楼宇设备管理系统。下面是其中一些主流协议。

●X-10［7］

X-10是电力载波的国际通用协议，它是将120KHz的编码信号加载到60Hz(我国是50Hz)的电力线上，由发射端将一串 X-10信号 (地址码和操作码)以广播的形式发送给网络，然后网络中的每个接收端可以收到X-10信号，首先甄别地址码，如果地址码匹配则执行后面的操作码，因此每个接收端都必须预先设定一个地址码。电力线将电能传到各个电器，同时也将所有的电灯、电器连成了网络。

X-10是世界上最早出现的，也是最简单的家庭自动化网络系统。它合理的利用了电力线的网络资源，使电力线除了传送电流之外还能起到了网线的作用，省去了大量的开槽布线的费用，是这套系统的最大的一个优势。在智能家居20余年的发展历程中，X-10技术是最耀眼的明星，但照明控制仍是其最具特色的方面。

●CEBus［8］

CEBus的全称是消费电子总线 (Consumer Electronics Bus)，它的发展可以追溯到1984年，直到1992年，所有的CEBus规格说明书才得以发布。

参照ISO的OSI网络协议建议书，CEBus可划分为物理层、数据链路层、网络层和应用层，其物理层是开放的，目前支持的媒介有电力线、双绞线、同轴电缆、红外线和无线电等。特别是电力线，利用了家庭中已有的走线，不需要另外布线，因而对于现有住宅的改造非常方便，同时不同的媒介能满足不同设备对通讯量的要求。总线中的每个节点的地位是平等的，不需要一个主控设备。对于多节点竞争访问网络资源的解决方法是采用冲突检测和冲突解决 (CSMACD/CR)，网络中各节点的控制关系通过绑定来实现，从而使整个智能建筑中的电器系统能成为一个智能的整体。

CEBus在很多方面弥补了X-10的不足，它的物理层几乎定义了所有的传输介质，寻址能力也得到了很大的加强。

●Lonworks［9、10］

在80年代后期，埃施朗公司 (Echelon)开始开发LonWorks技术平台。LonWorks控制网是以对等方式工作，监控传感器、控制执行器之间可靠地通信，并管理网络操作，提供对网络数据全面接入的任何装置集合。LonTalk通信协议是LonWorks技术的核心，该协议提供一套通信服务，使装置中的应用程序能对其他装置发送和接收报文而无需知道网络拓扑、名称、地址或其他装置的功能。

基于Lonworks智能节点的照明控制系统主要是以Neuron芯片作为智能控制节点控制下属的各类执行单元。智能节点Neuron芯片一方面可以进行现场照明信息的采集和处理，另一方面也可以通过传输线路与其他控制节点连接，与上位控制机进行通信，实现规模扩展。

LonWorks总线技术拥有支持电力线载波收发等独特优势，并降低了布线复杂度，可直接实现与Ethemet的互联，具有通讯速率高、通信距离远的特点，在应用层给用户很大的自由度，有很好的灵活性，目前在世界范围内应用广泛。

●EIB［11］

EIB是欧洲安装总线 (European Installing Bus)的简称，1990年，欧洲主要电气制造商共同制定了EIB协议标准。EIB出现较晚，但发展比较迅速，目前在全球已经拥有110多家生产厂商。

和CEBus类似，EIB网络也是一个完全对等的分布式网络。网络上的每个设备都具有相等的地位。EIB中每个Domain最多可以有15个域 (Area)，每个域最多可以有15条线 (Line)，而每条线最多可容纳255个设备。EIB的元器件均为模块化元件，主要分为传感器和执行器两类，分散安装在建筑的不同区域，通过总线连接起来。每个传感器及执行器均内置微处理器及存储器，故这些元器件可分别独立工作，任何一个元件的损坏不会影响系统其他部分运行，因此具有高度的安全性。

在EIB电气安装总线的标准上，ABB开发出一套i-bus智能系统［12］。系统的所有功能都通过一条总线来控制，可以完成照明、电动百叶窗、供暖系统和空调系统的控制，尤其在灯光照明控制上，其具有很强的灵活性，可实现照明的开关控制、调光控制、场景控制、远程控制、延时控制、定时控制、光线感测控制、红外线遥控、移动感测控制、与其他设备系统的联动控制等，充分体现了EIB的特点。

T-bus也是基于 EIB标准的两线网络，其最大的特点就是在大型建筑内只需一根T-bus总线即可通过电缆传输信号，凭借专业的网络转换设备，实现不同接口和不同设备之间的连通。

●HBS［13、14］

家庭总线系统 (Home Bus System，HBS)是由日系企业:日立、三菱、松下、东芝等联合提出的概念，由日本电子工业联合会/无线工程电子协会HBS标准委员会制定。协议主要用于电器开关量以及简单模拟量的控制，采用专用总线，具有抗干扰强、响应速度快、开发成本及风险较低的特点。

HBS对开放系统互连七层模型做了精简，由三层结构组成，分为物理层、数据链路层和命令层。HBS以双绞线和同轴电缆为通讯介质，介质的最大长度为200m，HBS总线上的信号采用脉宽编码方式。协议的数据链路层主要是通讯帧结构的设计，在介质访问子层，HBS采用带冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD)协议。命令层定义所有传送信息，使网络上传送的信息在整个系统中有唯一解释。

另一类协议是著名的灯光设备制造商单独开发出来的，或者是某一领域的厂商联合起来专门设计的实用性很强的调光系统。

●DALI［15、16］

数字化可寻址调光接口 (Digital Addressable lighting interface， 简 称 DALI)，1994 年 列 入IEC60929标准，得到国际主要芯片、灯具、镇流器和夹具制造商的支持，商业化应用开始于1998年。

DALI是照明控制设备之间数据通信的接口标准，利用它可以将不同厂家生产的电子镇流器、调光控制设备和传感器等构成一个照明控制系统，每个DALI控制系统可通过双绞线连接最多64个电子镇流器，而这个 DALI控制系统又可以和另一个DALI控制系统级连构成更大控制范围的照明控制系统，并且通过DALI控制协议确保每只灯负载和DALI数控可调光电子镇流器的工作状态信号反馈回DALI控制系统，从而实现对整个照明系统的控制;同时也可以监测镇流器甚至光源的工作状态和故障信息，这给例行维护和集中管理带来极大的便利。

该技术的最大特点是可对单个灯具独立寻址并进行精确控制，即所谓单灯控制，这一理念为控制带来极大的灵活性，用户可根据需要随心所欲地设计满足其需求的照明方案，甚至在安装结束后的运行过程中仍可任意修改控制参数，而无需对线路做任何改动，同时，可保留传统的布线方式，结构简单，中间模块少，简化安装，调试也十分便捷，降低成本，可实现许多基于回路控制的智能照明控制系统无法实现的功能。

●DMX-512［17］

DMX-512协议是美国剧场技术协会 (USITY)制定的数字多路复用协议，适用于一对多的主从式控制系统，其互连形式采用了多点总线结构，不存在信息通路阻塞问题，其连线简单，可靠性高。协议对数据的格式、数据的传输、连接电缆和连接方式、联结器等做了规定。现在北美地区呼声较高的ACN协议和欧洲地区的ART-net协议均在此基础上发展而来［18、19］。

ACN是旨在提供下一代灯光控制网络数据传输的先进控制网络标准。ACN要完成包括DMX协议的更多工作。ACN将统一灯光控制网络，允许单一网络传输很多不同种类与灯光有关的数据，并且可以连接来自不同厂家的调光设备;它可以应用于任何支持TCP/IP协议的网络中。

Art-Net是一个用10 BaseT技术，基于 TCP/IP的以太网协议。其目的是用标准网络技术远程传输大量的DMX-512数据。它由Artistic Licence发明且已公布出版，采用这一标准的联盟成员不断扩大。

●C-Bus［20］

C-Bus照明管理系统是澳大利亚 Gerard Industries Dty Ltd于20世纪90年代初研发出来的智能型、可编程的照明管理系统。系统中各元件均内置微处理器，以数据信号方式来传送、辨识及记忆信息，并通过一对非屏蔽双绞线作为总线制架构使系统的各单元可互相联系工作，对室内外照明及其他设施进行控制。

C-Bus系统总线上协议为CSMA/CD，每个网段可以接100个单元，各网段之间可以灵活连接，如采用网络桥、集线器、交换机等，网段数量不受限制。系统采用自由拓扑结构，可设计成线形、树形、星形等拓扑结构，组网非常方便。

●Dynet［21］

Dynet协议是澳大利亚邦奇电子工程公司在Dynalite智能灯光控制系统中使用的协议。Dynalite系统是一个真正的分布式控制系统。Dynet网络上的所有设备都是智能化的，并以点到点方式进行通信。

Dynet网络由主干网和子网构成。每个子网都可以通过一台网桥与主干网相连，主干网最多可联接64个子网，每个子网可连接64个模块，系统最多可连接4 096个模块。数据在子网的传输速率为9.6kbps，主干网的传输速率可根据网络的大小设定，最高可以达到57.6kbps。Dynalite系统可以通过Dlight软件来进行设定和调整，Dlight软件还可以对系统的运行情况进行监控，自动检测损坏灯具及报告灯具寿命、工作运行状态等，从而管理整个系统。

上述协议在照明控制领域都有自己的特色，如DMX-512常用于户外的灯光表演，ACN和 Art-net协议是在DMX-512协议基础上发展起来的，在娱乐业调光领域运用较广;EIB是一个在欧洲占据主导地位的楼宇自动化标准，在国内的一些大型工程中也逐渐得到应用，如厦门国际会展中心、上海新国际博览中心等，但由于其价格方面的原因，在普通家庭的照明设计中尚不多见;别墅型场所适合采用HBS系统;DALI协议主要是对可调光电子镇流器进行控制，可以将控制落实到单只灯具;CEBus多用于铁路站场的智能化照明系统［22］;C-bus和 Dynet协议是专门的调光网络协议，在调光功能上均有自己的特色。这些协议在各自的领域均有自己的优势，占据一定的市场，所以在短时期内无法将照明网络统一到一种协议上，在设计照明控制系统的时候应该根据使用场所、控制范围、用户要求、外部衔接系统等选择适当的协议。

5 无线照明控制技术

纵观各种现有的照明控制系统，采用计算机网络技术、现场总线技术构成一个完整的集通信、设备控制、安全防范等功能于一体的智能系统，控制范围和应用范围都越来越广泛，却难以脱离各种线缆的羁绊。当用户需要增加新的功能或者进行技术升级和设备更换时，每次都要重新布线、安装、组态和调试，大大增加了时间和成本的投入。在这种情况下无线技术开始慢慢渗透到照明控制系统中，无线通信技术和照明控制网络结合，发挥两者优势实现智能、高效、便捷的照明控制。

GPRS(General Packet Radio Service)，通用无线分组业务是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲GPRS是一项高速数据处理的技术，和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包式来传输的，每个包的前面有一个分组头 (其中的地址标志指明该分组发往何处)，数据传送之前并不需要预先分配信道，建立连接;而是在每一个数据包到达时，根据数据包头中的信息临时寻找一个可用的信道资源将该数据包发送出去。在这种传送方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系，信道资源可以看作是由所有用户共享使用。利用GPRS网络可以将照明控制系统的灯具或者执行器的监控信息通过即时消息方式发送给用户，实时监控控制系统当前状态;结合已有的照明控制系统形成广域的智能控制网络，大大减少系统监控和维护的人力物力，提高系统性能;也可以通过GPRS公用通信网络和互联网实施对地域分散的照明控制系统的集中监控和统一管理。

ZigBee协议是一项基于 IEEE802.15.4无线标准研制开发的，关于组网、安全和应用软件方面的技术标准［24］。它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技［23］。ZigBee是用于超低功耗的无线个人局域网的标准协议，它是由50多家公司联合起草的，具有成本低、功耗小、应用领域广、具有标准的网状结构等优点。ZigBee协议满足 ISO开放系统 OSI参考模型，ZigBee协议的物理层和MAC层采用 IEEE802.15.4标准，上层包括网络层和应用层由ZigBee联盟定义，用户层由用户定义。世界各大无线芯片生产厂商陆续推出了支持该标淮的无线收发芯片。

ZigBee的自组织成网功能给智能照明网络的布建和维护工作带来极大的便利，只需在网关节点处开放权限、地址，就能收发节点数据;ZigBee的近距离、低复杂度、低功耗、低成本等特点都与照明控制系统的要求相符，不但满足照明控制系统中的基本使用条件，同时功能上满足智能照明控制的性能和容量需求，而且有利于照明控制技术在不同领域的应用。因此可以将ZigBee收发芯片嵌入到电光源的终端控制中，构成布线成本极低、全数字无线寻址、全双工通信的照明控制系统;当然也可以不改变原来的传统技术，在传统技术互联的节点加入ZigBee技术适配器使之成为无线组网。通过ZigBee网络还能够方便的与现有的其他各种网络连接，甚至利用互联网实现远程管理。虽然与DALI协议相比，无线协议栈需要更多开销，不过这些开销都需要与其易于安装的优势进行权衡考虑。

ZigBee和GPRS结合也不失为一种好的照明控制系统方案，充分利用两者的优势。如图1所示的博物馆照明控制系统网络，用来实现对具有不同照明要求的区域进行分布式、智能化控制:照明终端主控制器接收控制中心通过GPRS发送的控制信号，然后通过Zigbee网络发送命令到照明终端控制器，对其进行控制操作或读取其状态;同时终端主控器将现场采集的灯具状态信息通过GPRS模块发送到控制中心;控制中心的管理者通过人机界面对控制网络进行配置和管理，发布控制任务，同时收集状态信息。

6 展望

随着科技的进步，各种具备互动控制能力的节能高效的照明设备将陆续被发明使用;对照明设备的控制功能会越来越灵活，而设备与控制器的通讯方式将逐步统一;图像处理等新技术将不断应用到照明控制中，使得控制效果更准确、更智能;现代控制理论研究将深入到照明控制策略，达到真正意义上的智能;充分利用先进通信技术开发出适用于不同层次需求的照明控制系统，提高系统兼容性，逐渐形成照明控制行业标准。

图1 博物馆无线照明控制网络系统

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