智能照明控制系统

2011-09-20陕西省建筑设计院

智能建筑与智慧城市 2011年9期

文｜陕西省建筑设计院李琛

1 前言

社会经济的发展使得人类的物质建设实现了一个又一个飞跃，城市群的不断崛起就是其标志性的反映。城市群的建设离不开“城市照明”的参与，因此，人们对照明的要求也越来越高，使得照明控制的地位越来越重要。从最初提供亮度的基本功能到现在营造氛围、控制方式灵活方便、节能、运行费用低、安装施工简单、维护方便、满足用户多样性要求等多方面的需求，需求的变化导致了控制方式的改进：从传统的机械式开关演变为现在综合计算机网络技术、通信技术、电子技术的智能照明系统。

智能照明是指利用计算机、无线通信数据传输、扩频电力载波通信、计算机智能化信息处理及节能型电器控制等技术组成的分布式无线遥测、遥控、遥讯控制系统，来实现对照明设备的智能化控制，并且具有灯光亮度的强弱调节、灯光软启动、定时控制、场景设置等功能，具有安全、节能、舒适、高效的特点。

现代意义上的智能照明网络是从舞台灯光控制系统发展起来的。1986年，美国影视剧场技术协会（USITT）的工程委员会开始制定控制灯光设备和附件的数字式传输标准——DMX512协议，1990年发布正式文本。后来，智能照明控制系统的应用从剧场的舞台照明逐渐转向各种建筑物的照明，控制范围和规模从单个厅室扩展到整个高层建筑的所有厅室，甚至整个城市的许多大楼。与此同时，面向建筑物照明的网络协议也纷纷涌现。现在调光网络领域中影响较大的ACN协议和Art-Net协议都是在此基础上发展而来的，此外还有澳大利亚Clipsal的C-Bus协议和Dynalite公司的Dynet协议，美国路创的LUTRON灯光控制技术。另一类是某一领域的厂商联合起来，专门针对调光系统制定的协议，如DALI协议。还有一类是智能家居协议中的灯光控制部分，如EIB和X-10系统的灯光控制子系统等。

2 智能照明控制系统的构成

智能照明控制系统的网络拓扑结构，大致有总线式、星型结构和以星型结构为主的混合式三种型式，分别如图1、图2、图3所示。这三种型式各有优点：总线式灵活性较强，易于扩展，控制相对独立，成本较低；星型结构可靠性较高，故障诊断和排除简单，存取协议简单，传输速度较高；以星型结构为主的混合式具有总线式和星型结构的特点，在建筑照明控制系统中较为常用。

在现代建筑中，一般智能照明控制系统都为数字式照明管理系统，由系统单元、输入单元和输出单元三部分组成。除电源设备外，每一单元设置唯一的单元地址，其功能通过软件设置。通过输出单元来控制负载单元。智能照明控制系统的基本组成如图4所示。

智能照明控制系统大多采用集中控制、分散执行的模式。集中控制和管理通过中央监控中心来实现，其包含有控制计算机、主通信控制器等设备，主要功能是对整个系统进行控制和管理工作。分散执行是通过智能控制照明柜来实现的——通过网络建立起中央监控中心和智能照明控制柜的通信联络，同时发送和接收控制命令及反馈信息（包括自动及手动工作状态、灯具开/关状态）。

图1 总线式网络结构示意图

图2 星型网络结构示意图

图3 以星型结构为主的混合式网络结构示意图

与传统的照明控制系统相比较，智能照明控制系统照明部分采用调光模块，通过调节灯光，制造不同的灯光效果，营造出不同的氛围；控制部分采用低压二次小信号控制，控制功能强、方式多、范围广、自动化程度高，通过实现场景的预设值和记忆功能，控制版面上的每个键都有各自的功能，可根据不同的场景及要求，达到相应的状态；管理部分利用分布式网络，对整个建筑物进行管理。

3 智能照明控制系统的主流协议

目前在智能照明控制方面，主流协议主要包括娱乐行业调光网络协议（ACN和Art-Net）、C-Bus协议、Dynet协议、EIB协议、DALI协议以及X-10协议。

（1）娱乐行业调光网络协议（ACN和Art-Net）

ACN是 ESTA（Entertainment services and Technology Association）正在制定的多用途网络控制协议，全称为Architecture Control for Networks。由于ESTA下属的TSC（技术标准委员会）是美国国家标准协会ANSl授权制定娱乐业技术设备安全和兼容性标准的机构，因此其制定的标准有一定的合法性和权威性。ACN协议主要由系统组件、协议数据单元、设备管理协议、会话数据传输协议和设备描述语言等部分组成。

图4 智能照明控制系统的基本组成示意图

ACN系统工作流程可分为三步。第一步，由SLP（Service Location Protocol）协议发现新设备上网在线。第二步，由DDL协议分析和设置这些设备各自的功能。控制器发送Get/Set property信息给由DMP定义的设备。这些信息通过SDT协议传送、SDT提供可靠性传送、在线状态和设备组管理等功能。所有的DMP和SDT信息用普通的协议数据单元PDU格式打包成独立的PDUs。第三步，利用UDP协议在以太网上传输这些信息包。

Art-Net协议是一个基于TCP/IP协议的10Base-T以太网协议，其特点是可用标准网络技术远程传输大量的DMX512数据。它由Artistic Licence提出且已公布出版，目前在欧洲己经有了许多成员单位，例如意大利的ADB公司、德国的MA公司等。我国的浙江舞台设计研究院也是其联盟成员之一。

Art-Net协议由Art-Net主体部分、RDM（Remote Device Management）、Video（视频信息）三个部分组成。主体部分包括ArtPoll、ArtPollReply、ArtPollServerReply、ArtIpProg、ArtAddress、ArtDmx、ArtInput、ArtFirmwareMaster、ArtFirmwareReply等协议。

（2）C-Bus协议

C-Bus系统（Clipsal-Bus的简称）是澳大利亚Clipsal公司于20世纪90年代初研发出来的智能型照明管理系统，系统内所有的单元器件（除电源外）均内置微处理器和存储单元，由一对信号线（UTP 5）连接成网络。C-Bus采用二线制总线控制方式，可以方便地实现总线上的各个单元之间不通过中央控制器直接通信。

C-Bus系统是一个专门针对照明需要而开发的智能化系统，可以独立运行，也可以作为建筑物中的一个子系统和其他智能系统互联。C-Bus系统协议符合051模型和150标准，并有多种接口单元（RS232、以太网等）和功能强大的接口程序可供选择；因此，采用C-Bus系统会使设计更简单，安装更快捷，使用更灵活，管理更方便。

（3）Dynet协议

Dynet是澳大利亚邦奇公司于1990年推出的Dynalite智能灯光控制网络使用的协议。Dynalite智能照明控制系统是一个分布式控制系统，通常可以由调光模块、开关模块、控制面板、液晶显示触摸屏、智能传感器、编程插口、时钟管理器、手持式编程器和监控器等部件组成。将上述各种具备独立功能的控制部件用一根5类数据通信线（四对双绞线）联接起来，就组成了一个Dynet控制网络。

Dynet的产品与C-Bus大同小异，较有特色的是调光执行器——能对现有各种光源（白炽灯、日光灯、节能灯、汞灯等）进行调光，适合对光源环境要求复杂多变的场所应用。

（4）EIB协议

欧洲安装总线EIB（European Installation Bus）是在欧洲占主导地位的楼宇/家庭自动化标准。EIB系统是一个二线制的总线型式的智能控制系统，主要用于对照明系统/空调系统末端的控制，也可用于消防/保安等系统中的联动控制。系统中所有单元器件（电源除外）均内置微处理器和存储单元，由一对信号线（双绞线）连接成网络。每个单元均设置唯一的物理地址，其功能通过软件设置。通过输出单元控制各回路负载。输入单元通过组地址和输出组件建立对应联系。当有输入时，输入单元将其转变为EIB总线信号在EIB总线上广播，所有的输出单元接收并做出判断，控制相应回路输出。

（5）DALI协议

DALI（Digital Addressable lighting interface）协议1994年列入IEC 60929标准，得到国际主要灯具、镇流器和夹具制造商的支持。1999年Philips公司对DALI协议做了进一步的完善，并在汉诺威国际灯展上推出了基于DALI的系列产品。定义DALI标准旨在建立一个结构清晰的简单系统，用于室内的智能、高性能照明管理，实现开/关、调光、场景、状态显示功能。其受控对象明确为镇流器。

（6）X-10协议

X-10是Pico公司在1976年以不需重新布线为前提，利用既有的电力线网络来控制家中的电子电器产品所开发的计划，也是全球第一个将家庭自动化产品商业化成功的技术。

X-10协议基于电力线载波技术。使用X-10协议的兼容产品可以通过电力线实现互相通信——电力线在提供电源的同时又可以像网线一样传送控制指令，从而实现网络化的控制。

X-10是众多家庭自动化技术中历史最悠久的一个，其产品已达5000多种，不论是基本的灯光控制、安防系统、家庭剧院、温度或行动感应还是与计算机相关的接口与控制等产品皆已完备；在美国是市场占有率最高的，目前有超过600万户家庭在使用它。由于X-10协议基于电力线载波技术，20多年来备受青睐又颇受争议。一方面，电力线在家庭中的随处可见使得X-10产品很容易在普通家庭中得到推广使用；而另一方面，电力线传输信号的速度限制和噪声干扰使得X-10无法向更高端的控制发展。

4 智能照明的控制方式

智能照明系统体现出强大的优越性，在智能建筑中的应用越来越广泛。智能照明控制系统能对大多数灯具（包括白炽灯、日光灯、配以特殊镇流器的钠灯、水银灯、霓虹灯等）进行智能调光，在需要的时间给需要的地方以充分的照明。其控制方式主要分为手动控制和自动控制两种。目前更多的是以模块的自动控制为主，手动控制为辅。

手动控制包括利用断路器的分合，控制照明配电回路的通断，从而实现照明控制的方式。此控制方式只能实现每个配电回路统一控制，无法实现一个回路内部分光源的开关控制，而且需频繁地操作断路器，对断路器的寿命也有影响，因此应用不广泛。此外还有利用翘板开关的分合，实现照明回路开关控制的方式。此方式控制简单、施工方便、投资少、应用广泛。还有利用照明配电回路中的手动旋钮（调光控制柜和灯光控制台等的手动旋钮）调节供电回路的电气参数，实现调光等方式。

自动控制的原理是在照明配电回路中设置通断元件（接触器），通过二次回路来控制一次回路的分合，从而实现对光源的控制。二次回路可以通过按钮手动控制，也可以通过PLC 控制，或者通过其他系统的远程信号来控制，可以完成时间控制、照度控制以及简单的程序控制，实现集中控制、集中监视、集中管理。相对于传统的控制方式而言，其自动化程度有了较大的提高，但是在灵活性上仍然受到很大限制。如果项目投入运行后，需要调整灯光场景等预设置，需要对其配电回路进行改造。

5 智能照明系统的应用效果

（1）智能化照明

智能照明系统由智能照明灯具、调光控制及开关模块、照度及动静等智能化传感器、计算机通信网络等单元模块组成，可实现自动调光、更充分利用自然光、保证照度的一致性、智能变换光环境场景、运行中节能、延长光源寿命等功能。

智能化照明最重要的作用就是利用各种传感器及遥控器实现对灯光的自动控制，也就是场景控制。在同一室内可有多路照明回路，对每一回路亮度调整后创造出某种灯光气氛称为场景。根据人们的不同要求及感官需求，预先设置不同的场景，进行场景切换（调节切换场景的时间，淡出淡入，使灯光柔和变化），营造出各种不同的灯光环境；利用时钟控制器，使灯光呈现按每天的日出日落或有时间规律的变化——从而实现照明控制自动化。

（2）美化环境

室内照明利用场景变化增强环境艺术效果，制造立体感、层次感，营造出舒适的环境，有利于促进人们的身心健康、提高工作效率。

（3）延长灯具寿命

灯具寿命降低，乃至损坏的主要因素之一就是电网电压的不稳定。因此，延长灯具寿命的有效办法就是抑制电网电压的波动。智能照明控制系统能够成功抑制电网的冲击电压和浪涌电压，避免灯具损坏；同时，智能调光控制系统采用软启动、软关断及淡入淡出调光控制，避免对灯具灯丝造成冲击，可延长灯具寿命。应用智能照明控制系统可延长灯泡寿命2～4倍，从而节省大量灯泡，减少更换灯泡的工作量。

（4）节约能源

智能照明控制的实现一般可以节约20%～40%的电能，不但降低了用户电费支出，也减轻了供电压力。可采用亮度传感器，自动调节灯光强弱，充分利用自然光，达到节能效果。也可采用移动传感器，当人进入传感器感应区域后渐升光，当人走出感应区域后灯光渐渐减低或熄灭，从而使一些走廊、楼道的“长明灯”得到控制，并且及时关掉不需要的灯具，保证运行节能效果充分。尤其是酒店，采取移动传感器既能满足节电的需要，又能避免降低灯光亮度带来的档次降低的问题。

（5）保证照度及照度的一致性

采用照度传感器，可以使室内的光照保持恒定。例如：随着使用时间的延长，灯具的发光效率会逐渐降低，建筑物墙面的反射率也将衰减，这样会产生新旧状态下照度不一致的问题；通过智能调光器系统的控制可调节照度达到相对的稳定，且可节约能源。教室要求靠窗与靠墙处光强度基本相同，可在靠窗与靠墙处分别加装传感器。当室外光线强时系统会自动将靠窗的灯光减弱或关闭，并根据靠墙传感器的感应信号调整靠墙灯光的亮度；当室外光线变弱时，传感器会根据感应信号调整灯的亮度直到获得预先设置的光照度值。