智能照明控制系統(tǒng)

張 亮/侯冉冉/王 鋒(五洲工程設(shè)計研究院, 北京 100053)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人民生活水平迅速提高，人們對工作和生活環(huán)境的要求越來越高，同時對照明系統(tǒng)的要求也越來越高，傳統(tǒng)的照明技術(shù)受到了強烈沖擊。一方面由于信息技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展對照明技術(shù)的變化提供了技術(shù)支撐；另一方面，由于能源的緊缺，國家對照明節(jié)能越來越重視，新型的照明控制技術(shù)得以迅速發(fā)展，以滿足使用者節(jié)約能源、舒適性、方便性的要求。照明控制方式從傳統(tǒng)的手動照明控制方式、自動照明控制方式發(fā)展到現(xiàn)在的智能照明控制方式。

2 照明控制方式介紹

2.1 手動照明控制方式

1） 利用斷路器的分合，控制照明配電回路的通斷，從而實現(xiàn)照明控制。此控制方式中，一個配電回路只能一起控制，無法實現(xiàn)對一個回路內(nèi)部分光源的開關(guān)控制，而且頻繁的操作斷路器，對斷路器的壽命也有影響，因此此控制方式應(yīng)用不廣泛。

2） 利用翹板開關(guān)的分合，實現(xiàn)照明回路的開關(guān)控制，此方式控制簡單、施工方便，投資少，應(yīng)用廣泛。

3） 利用照明配電回路中的手動旋鈕（調(diào)光控制柜和燈光控制臺等）調(diào)節(jié)供電回路的電氣參數(shù)，實現(xiàn)調(diào)光控制。

2.2 自動照明控制方式

在照明配電回路中設(shè)置通斷元件（接觸器），通過二次回路來控制一次回路的分合，從而實現(xiàn)對光源的控制。二次回路的控制可以通過按鈕手動控制，也可以通過PLC控制或者其他系統(tǒng)的遠程信號來控制，可以完成時間控制、照度控制以及簡單的程序控制。實現(xiàn)集中控制、集中監(jiān)視、集中管理，相對于傳統(tǒng)的控制方式而言，其自動化程度有了較大的提高，但是如果項目投入運行后，需要調(diào)整燈光場景等預(yù)設(shè)置，需要對其配電回路進行改造，其靈活性仍然有很大限制。

3 智能照明控制系統(tǒng)

智能照明控制系統(tǒng)是基于計算機控制平臺的全數(shù)字、模塊化、分布式總線型控制系統(tǒng)，中央處理器、模塊之間通過網(wǎng)絡(luò)總線直接通信，利用總線使照明、調(diào)光、百葉窗、場景控制等實現(xiàn)智能化，并成為一個完整的總線系統(tǒng)?？梢罁?jù)外部環(huán)境的變化自動調(diào)節(jié)總線中設(shè)備的狀態(tài)，達到安全、節(jié)能、人性化的效果，并能在今后的使用中根據(jù)用戶的要求通過計算機重新編程來增加或修改系統(tǒng)的功能，而無須重新敷設(shè)電纜，智能照明控制系統(tǒng)的可靠性高，控制靈活，是傳統(tǒng)的照明控制方式所無法做到的。

3.1 系統(tǒng)基本組成及監(jiān)控內(nèi)容

3.1.1 系統(tǒng)組成

智能照明控制系統(tǒng)通常由調(diào)光模塊、開關(guān)模塊、輸入模塊、控制面板、液晶顯示觸摸屏、智能傳感器、PC接口、時間管理模塊、手持式編程器、監(jiān)控計算機（大型網(wǎng)絡(luò)需網(wǎng)橋連接）等部件組成。

1） 調(diào)光模塊的基本原理是由微處理器（CPU）控制可控硅的開啟角大小，從而控制輸出電壓的平均幅值去調(diào)節(jié)光源的亮度。

2） 開關(guān)模塊是由繼電器輸出控制電源的開關(guān)，從而控制光源。

3） 輸入模塊是接受無源接點信號，通過總線傳輸給微處理器。

4） 控制面板是供人直觀操作控制燈光場景的部件，它是由微處理器進行控制的，可以通過編程完成各種不同的控制要求。微處理器識別輸入鍵符，進行處理后通過總線發(fā)出控制信息，去控制相應(yīng)的調(diào)光模塊或開關(guān)模塊對光源進行調(diào)光控制或開關(guān)控制。

5）傳感器接口模塊用于連接照度探測、存在探測、移動探測等傳感器。

6）時間管理模塊能與控制系統(tǒng)總線上的設(shè)備互相接口，實現(xiàn)自動化任務(wù)和時間控制。3.1.2監(jiān)控內(nèi)容

1）中央控制，通過中央站以及系統(tǒng)軟件實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的開關(guān)、調(diào)光、時針、燈光狀態(tài)的進行監(jiān)控及管理。

2）開關(guān)控制，可以由中央站、就地控制面板對燈光進行開啟、關(guān)閉控制。

3）調(diào)光控制，可以由中央站、就地控制面板對燈光進行從照度零到最大的控制。

4）定時時鐘控制，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時間對燈光進行開啟、關(guān)閉控制。

5）天文時鐘控制，輸入當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度，系統(tǒng)自動推算出當(dāng)天的日落時間，根據(jù)此時間來控制照明場景的變化。

6）場景控制，可以通過中央站、就地控制面板進行編程，對燈光進行開啟、關(guān)閉、調(diào)光控制的設(shè)置。

7）遙控控制，可以通過手持遙控器對設(shè)有紅外線控制面板所控制區(qū)域的燈光進行開啟、關(guān)閉、調(diào)光控制。

8）照度控制，根據(jù)照度探測傳感器的探測數(shù)據(jù)（光線明、暗），按照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)自動對燈光進行開啟、關(guān)閉、調(diào)光控制。

9）存在、移動控制，根據(jù)存在探測、移動探測等傳感器的探測數(shù)據(jù)，按照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)自動對燈光進行開啟、關(guān)閉、調(diào)光控制。

10）聯(lián)動控制，通過輸入模塊接收視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)、入侵報警系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的聯(lián)動控制信號，對光源進行開關(guān)控制或調(diào)光控制。

11）遠程控制，可以通過Internet對照明控制系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控：包括對系統(tǒng)中照明箱照明參數(shù)的設(shè)定修改；對系統(tǒng)的場景照明狀態(tài)進行監(jiān)視；對系統(tǒng)的場景照明狀態(tài)進行控制。

12 ）圖示化控制，用戶可以使用電子地圖功能，對整個區(qū)域的照明進行直觀的控制，可將整個建筑物的平面圖輸入系統(tǒng)中，并用不同的顏色來表示該區(qū)域當(dāng)前的狀態(tài)。

3.2 智能照明控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式

在國際上照明設(shè)施控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)無統(tǒng)一的標準，目前主要有雙絞線傳輸方式、電力載波傳輸方式和無線射頻傳輸方式三種類型。這三種傳輸方式的數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸?shù)目煽砍潭扔休^大區(qū)別。

3.2.1 雙絞線傳輸方式

雙絞線傳輸方式以雙絞線為信息傳輸網(wǎng)，需單獨敷設(shè)線路，適用于新建、擴建的工程。此方式主要有以下優(yōu)點：

1） 軟硬件協(xié)議完全開放、完善，通用性好。

2）線路兩端變壓器隔離，抗干擾性強，防雷性能好。

3）傳輸速度快。

4）系統(tǒng)容量幾乎不受限制，不會因系統(tǒng)增大而出現(xiàn)不可預(yù)料的故障。

5）作為信息傳輸介質(zhì)，有大量成熟的通用設(shè)備可以選用。

3.2.2 電力載波傳輸方式

電力載波傳輸方式利用電力線為信息傳輸網(wǎng)，不用單獨敷設(shè)線路就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的傳輸，適用于新建、擴建的工程，且特別適用于改造的工程。

電力載波傳輸方式由于電力線中電流波動，數(shù)據(jù)傳輸速率及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允艿捷^大影響、效率降低。當(dāng)監(jiān)控設(shè)備多時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟豢煽靠赡軙?dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。

3.2.3 無線射頻傳輸方式

無線射頻傳輸方式利用無線射頻作為信息傳輸網(wǎng)，該系統(tǒng)不僅在功能上能完全滿足要求，室內(nèi)無需布線，施工簡單，可以節(jié)省施工的投資，適用于新建、擴建的工程，且特別適用于改造的工程。

無線射頻的工作頻率符合IEEE802.11b標準要求。

3.3 智能照明控制系統(tǒng)總線

3.3.1 DALI總線

數(shù)字可尋址照明接口 DALI （Digital Addressable Lighting Interface）作為IEC 929 標準的一部分為照明元件提供通信規(guī)則。它最初問世于上世紀90 年代中期。商業(yè)化的應(yīng)用開始于1998 年，在歐洲 DALI 作為一個新的標準已經(jīng)被鎮(zhèn)流器廠商所接受。

3.3.2 C-Bus總線

即ClipsalBus的簡稱，是奇勝（Clipsal）公司的總線協(xié)議，采用兩線制雙絞線，即一對線上既提供總線設(shè)備工作電源（15 VDC～36VDC），又傳輸總線設(shè)備信息，總線設(shè)備之間直接通訊，無須通過中央控制器。C-Bus的傳輸協(xié)議為CSMA/CD，通信速率為916Kb/s，可設(shè)成線形、星形或樹形拓撲結(jié)構(gòu)，但不支持環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。子網(wǎng)為基本單位，每個子網(wǎng)最多容納100個單元或者255個控制回路。

3.3.3 Dynet總線

Dynet是邦奇（Dynalite）公司面向照明系統(tǒng)的封閉控制總線協(xié)議。Dynalite系統(tǒng)采用4線制兩對雙絞線，即一對雙絞線提供DC12V總線設(shè)備工作電源，另一對雙絞線用于傳輸總線設(shè)備信息。安裝時推薦使用五類線（四對雙絞線）作為傳輸介質(zhì)，沒有用到的線可以作為備用。Dynet是一種基于RS485四線制的傳輸協(xié)議，只支持線形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，主網(wǎng)可通過網(wǎng)橋連接64個子網(wǎng)，每個子網(wǎng)可連接64個總線設(shè)備單元。

3.3.4 HBS總線

HBS的全稱是家庭總線系統(tǒng)（Home Bus System），它是由日本一些企業(yè)，包括日立（Hitachi）、松下（Mutsushita）、三菱（Mitsubishi）、東芝（Toshiba）等聯(lián)合提出的。HBS協(xié)議規(guī)定了如何通過雙絞線或同軸電纜實現(xiàn)家庭電器、電話、音頻、視頻裝置的互連，著眼于家用電器的綜合自動化。同時，HBS協(xié)議也考慮了如何在家庭內(nèi)獲得遠程服務(wù)。

3.3.5 X-10總線

X-10采用電力線載波技術(shù)，根據(jù)電力線信號正負過零點處120kHz脈沖信號出現(xiàn)與否來進行傳輸。信號幀頭標識符為1110，該標識符僅以真值形式傳送，其余每個信號分別以真值和補碼兩種形式在交流電的零相位開始傳送，為了和三相交流電的過零點相一致，這些數(shù)據(jù)幀必須連續(xù)傳送三次。

3.3.6 i-bus總線

i-bus總線是基于EIB（歐洲安裝總線）標準的兩線網(wǎng)絡(luò)。EIB（European Installing Bus）在歐洲的樓宇/家庭自動化標準中占主導(dǎo)地位。截至2002年6月，全球有300余家制造廠商生產(chǎn)5000余種EIB兼容產(chǎn)品，占據(jù)歐洲樓宇，家庭自動化設(shè)備銷售總額的80%。EIB協(xié)議由中立的非盈利組織EIBA統(tǒng)一管理，任何愿意遵守EIB協(xié)議的制造廠商均可以申請并通過EIB認證后生產(chǎn)EIB產(chǎn)品。

3.4 智能照明控制系統(tǒng)適用范圍

照明控制系統(tǒng)可以對白熾燈、日光燈、節(jié)能燈、石英燈等多種光源調(diào)光，對各種場合的燈光進行控制，滿足各種環(huán)境對照明的要求。

1）寫字樓、學(xué)校、醫(yī)院、工廠等場所的照明系統(tǒng)，利用系統(tǒng)的時間控制功能對燈光的開啟、關(guān)閉進行自動控制，利用照度傳感器使光照度自動調(diào)節(jié)，節(jié)約能源?？蛇M行中央監(jiān)控并能與建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)連接。

2） 劇院、會議室、俱樂部等場所利用系統(tǒng)調(diào)光功能及場景開關(guān)可方便地轉(zhuǎn)換多種燈光場景，實現(xiàn)多點控制?？赏ㄟ^系統(tǒng)控制光源、空調(diào)、電扇、電動窗簾、加熱器等用電設(shè)備。

3） 體育場館比賽場地按比賽要求分級控制，大型場館宜做到單燈控制。

4） 市政工程、廣場、公園等室外公共場所利用系統(tǒng)的群組控制軟件可控制整個區(qū)域的燈光，利用照度傳感器、定時開關(guān)實現(xiàn)照明的自動化控制，使用系統(tǒng)的監(jiān)控軟件實現(xiàn)照明的智能化控制。

5） 道路照明應(yīng)根據(jù)所在區(qū)域的地理位置和季節(jié)變化合理的確定開關(guān)燈時間，并根據(jù)天空亮度變化進行必要的修正，采用光控和時控相結(jié)合的智能控制方式。

6） 景觀照明采用平時、一般節(jié)日、重大節(jié)日等控制模式。

3.5 智能照明控制系統(tǒng)應(yīng)用的特點

3.5.1 采用照明控制系統(tǒng)后，實現(xiàn)照明控制的智能化，可使照明系統(tǒng)運行在全自動狀態(tài)。

1)系統(tǒng)將按預(yù)先設(shè)置切換若干個基本工作狀態(tài)，比如 ：“白天”，“晚上”，“安全”、“清潔”、“周末”和“午飯”等，根據(jù)預(yù)設(shè)定的時間自動地在各種工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。例如，上班時間來臨時，系統(tǒng)自動將燈打開，而且光照度會自動調(diào)節(jié)到工作人員最合適的水平。在靠窗的房間，系統(tǒng)能智能地利用室外自然光，當(dāng)天氣晴朗，室內(nèi)燈會自動調(diào)暗；天氣陰暗，室內(nèi)燈會自動調(diào)亮，以始終保持室內(nèi)恒定的亮度（按預(yù)設(shè)定要求的亮度）。

2)當(dāng)每一個工作日結(jié)束，系統(tǒng)將自動進入“晚上”工作狀態(tài)，自動緩慢地調(diào)暗各區(qū)域的燈光；同時，系統(tǒng)的存在探測功能將自動生效，讓沒有人的辦公室的燈光自動關(guān)掉；同時，存在探測能保證有員工加班的辦公區(qū)燈光處于合適的亮度。

3)系統(tǒng)使公共走道及樓梯間等公共區(qū)域的燈協(xié)調(diào)工作，當(dāng)辦公區(qū)有員工加班時，樓梯間、走道等公共區(qū)域的燈就保持基本的亮度，只有當(dāng)所有辦公區(qū)的人走完后，才將燈調(diào)到“安全”狀態(tài)或關(guān)掉。

4)用手動控制面板或遙控器等，隨意改變各區(qū)域的光照度。

5)對于接待大廳、餐廳、會議室、休息室和娛樂場所，則可根據(jù)一天中的不同時間，不同用途對燈光的場景預(yù)設(shè)置，使用時只需調(diào)用預(yù)先設(shè)置好的最佳燈光場景，達到預(yù)期的視覺效果。

3.5.2 維持照度的一致性

新建建筑物投入使用后，照度會比要求照度高。這是考慮到隨著時間的推移，燈的效率和房間墻面反射率不斷衰減的緣故。如果設(shè)計師在初期就按標準照度設(shè)計，那么，無須多長時間房間照度就會低于標準，而不符合辦公照度要求。正是由于這種新房間照度的偏高設(shè)計，不僅造成辦公用房使用期（或兩次裝飾的間隔期）的照度不一致性，而且由于照度偏高造成不必要的能源浪費。采用照明設(shè)施控制系統(tǒng)，由于可以智能調(diào)光，盡管照度還是偏高設(shè)計，但系統(tǒng)將會按照預(yù)先設(shè)置的標準亮度使辦公室在使用期內(nèi)保持恒定的照度，而不受燈具效率降低和墻面反射系數(shù)衰減的影響。

3.5.3 創(chuàng)造良好的工作環(huán)境，提高工作效率

在辦公室，配可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的日光燈在智能照明控制系統(tǒng)控制下與傳統(tǒng)的日光燈照明系統(tǒng)相比具有顯著的優(yōu)點。傳統(tǒng)鎮(zhèn)流器的日光燈以100Hz的頻率閃動（電網(wǎng)頻率的2倍），這種頻閃使工作人員頭腦發(fā)脹，眼睛疲勞，降低了工作效率。而可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器則工作在很高的頻率（40kHz～70kHz），不僅克服了頻閃，而且消除了起輝時的亮度不穩(wěn)定，提供了有利于健康的舒適環(huán)境，同時也提高了工作效率。

3.5.4 創(chuàng)造良好的服務(wù)環(huán)境

好的燈光設(shè)計能營造出一種溫馨、舒適的環(huán)境，增添其藝術(shù)的魅力。例如顧客對酒店的第一印象是酒店入口到大堂接待區(qū)域，高雅別致的光環(huán)境可給予顧客一種賓至如歸的感覺，增添顧客對酒店的好感，親切而又溫馨吸引眾多的顧客；而宴會廳、多功能廳等利用燈光的顏色、投射方式和不同明暗亮度可創(chuàng)造出立體感、層次感，不同色彩的環(huán)境氣氛，不僅使客人有個舒適的居住環(huán)境，而且還可以給客人帶來藝術(shù)的享受，使人們產(chǎn)生留連忘返之感。

3.5.5 開放性

照明控制系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)集成到建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、建筑管理系統(tǒng)（BMS）中，實現(xiàn)大樓的統(tǒng)一管理。

3.6 技術(shù)分析

3.6.1 節(jié)省線路投資

智能照明控制系統(tǒng)是一種通過控制總線將系統(tǒng)中的各個輸入、輸出和系統(tǒng)支持單元連接起來，電力線纜從配電柜直接接到照明燈具或其它用電負載上，而無須經(jīng)過開關(guān)。安裝時不必考慮任何控制關(guān)系，在整個系統(tǒng)安裝完畢后再通過軟件設(shè)置各個單元的地址編碼，從而建立對應(yīng)的控制關(guān)系。與傳統(tǒng)控制方法相比節(jié)省了大量原本要接到開關(guān)的線纜，也縮短了安裝施工的時間，節(jié)省人工費用。

3.6.2 節(jié)能效果顯著

1）智能照明控制系統(tǒng)能利用智能傳感器感應(yīng)室外光線，自動調(diào)節(jié)光照度，即室外自然光強，室內(nèi)燈光變?nèi)?；室外自然光弱，室?nèi)燈光變強，以保持室內(nèi)恒定的標準照度，既創(chuàng)造了最佳的工作環(huán)境，又達到節(jié)能的效果。

2）由于照明設(shè)施控制系統(tǒng)能夠通過合理的管理，利用智能時鐘管理器可以根據(jù)不同日期、不同時間按照各個功能區(qū)域的運行情況預(yù)先進行光照度的設(shè)置，不需要照明時，保證將燈關(guān)掉；在大多數(shù)情況下很多區(qū)域其實不需要把燈全部打開或開到最亮，照明設(shè)施控制系統(tǒng)能用最經(jīng)濟的能耗提供最舒適的照明；在一些公共區(qū)域如會議室、休息室等，利用存在探測功能在有人進入時才把燈點亮或切換到某種預(yù)置場景。

3.6.3 延長光源壽命

光源損壞的致命原因是電網(wǎng)過電壓。光源的工作電壓越高，其壽命成倍降低。因此，保持適當(dāng)光源工作電壓是延長光源壽命的有效途徑。照明設(shè)施控制系統(tǒng)能成功地抑制電網(wǎng)的沖擊電壓和浪涌電壓，使光源不會因上述原因而過早損壞。還可通過系統(tǒng)人為地確定電壓限制，提高光源壽命。延長光源壽命不僅節(jié)省大量燈具，而且大大減少更換光源的工作量，有效地降低了照明系統(tǒng)的運行費用，對于難安裝區(qū)域的光源及昂貴燈具更具有特殊意義。

3.6.4 提高管理水平，減少維護費用

智能照明控制系統(tǒng)，將普通照明人為的開、關(guān)轉(zhuǎn)換成了智能化管理，將大大減少照明系統(tǒng)的運行維護費用，并帶來投資回報。

4 結(jié)束語

智能照明控制系統(tǒng)使得照明方案具備高度的靈活性，系統(tǒng)投入使用后，會帶來高質(zhì)量的照明環(huán)境，提高整個建筑物的智能化管理水平，也可以便捷地調(diào)整照明系統(tǒng)，既滿足美觀、實用的要求，同時又達到了綠色節(jié)能環(huán)保的目標。因此，智能照明控制系統(tǒng)會有更廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國建筑標準設(shè)計研究院.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施－建筑產(chǎn)品選用技術(shù)（水暖電）[M]. 中國計劃出版社，2009.

[2] 中國建筑標準設(shè)計研究院. 06DX008-1電氣照明節(jié)能設(shè)計[M].中國計劃出版社，2007.