智能照明控制系統(tǒng)

文｜陜西省建筑設(shè)計(jì)院 李 琛

1 前言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得人類(lèi)的物質(zhì)建設(shè)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)又一個(gè)飛躍，城市群的不斷崛起就是其標(biāo)志性的反映。城市群的建設(shè)離不開(kāi)“城市照明”的參與，因此，人們對(duì)照明的要求也越來(lái)越高，使得照明控制的地位越來(lái)越重要。從最初提供亮度的基本功能到現(xiàn)在營(yíng)造氛圍、控制方式靈活方便、節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低、安裝施工簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、滿足用戶(hù)多樣性要求等多方面的需求，需求的變化導(dǎo)致了控制方式的改進(jìn)：從傳統(tǒng)的機(jī)械式開(kāi)關(guān)演變?yōu)楝F(xiàn)在綜合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)的智能照明系統(tǒng)。

智能照明是指利用計(jì)算機(jī)、無(wú)線通信數(shù)據(jù)傳輸、擴(kuò)頻電力載波通信、計(jì)算機(jī)智能化信息處理及節(jié)能型電器控制等技術(shù)組成的分布式無(wú)線遙測(cè)、遙控、遙訊控制系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的智能化控制，并且具有燈光亮度的強(qiáng)弱調(diào)節(jié)、燈光軟啟動(dòng)、定時(shí)控制、場(chǎng)景設(shè)置等功能，具有安全、節(jié)能、舒適、高效的特點(diǎn)。

現(xiàn)代意義上的智能照明網(wǎng)絡(luò)是從舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的。1986年，美國(guó)影視劇場(chǎng)技術(shù)協(xié)會(huì)（USITT）的工程委員會(huì)開(kāi)始制定控制燈光設(shè)備和附件的數(shù)字式傳輸標(biāo)準(zhǔn)——DMX512協(xié)議，1990年發(fā)布正式文本。后來(lái)，智能照明控制系統(tǒng)的應(yīng)用從劇場(chǎng)的舞臺(tái)照明逐漸轉(zhuǎn)向各種建筑物的照明，控制范圍和規(guī)模從單個(gè)廳室擴(kuò)展到整個(gè)高層建筑的所有廳室，甚至整個(gè)城市的許多大樓。與此同時(shí)，面向建筑物照明的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也紛紛涌現(xiàn)。現(xiàn)在調(diào)光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中影響較大的ACN協(xié)議和Art-Net協(xié)議都是在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，此外還有澳大利亞Clipsal的C-Bus協(xié)議和Dynalite公司的Dynet協(xié)議，美國(guó)路創(chuàng)的LUTRON燈光控制技術(shù)。另一類(lèi)是某一領(lǐng)域的廠商聯(lián)合起來(lái)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)調(diào)光系統(tǒng)制定的協(xié)議，如DALI協(xié)議。還有一類(lèi)是智能家居協(xié)議中的燈光控制部分，如EIB和X-10系統(tǒng)的燈光控制子系統(tǒng)等。

2 智能照明控制系統(tǒng)的構(gòu)成

智能照明控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大致有總線式、星型結(jié)構(gòu)和以星型結(jié)構(gòu)為主的混合式三種型式，分別如圖1、圖2、圖3所示。這三種型式各有優(yōu)點(diǎn)：總線式靈活性較強(qiáng)，易于擴(kuò)展，控制相對(duì)獨(dú)立，成本較低；星型結(jié)構(gòu)可靠性較高，故障診斷和排除簡(jiǎn)單，存取協(xié)議簡(jiǎn)單，傳輸速度較高；以星型結(jié)構(gòu)為主的混合式具有總線式和星型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在建筑照明控制系統(tǒng)中較為常用。

在現(xiàn)代建筑中，一般智能照明控制系統(tǒng)都為數(shù)字式照明管理系統(tǒng)，由系統(tǒng)單元、輸入單元和輸出單元三部分組成。除電源設(shè)備外，每一單元設(shè)置唯一的單元地址，其功能通過(guò)軟件設(shè)置。通過(guò)輸出單元來(lái)控制負(fù)載單元。智能照明控制系統(tǒng)的基本組成如圖4所示。

智能照明控制系統(tǒng)大多采用集中控制、分散執(zhí)行的模式。集中控制和管理通過(guò)中央監(jiān)控中心來(lái)實(shí)現(xiàn)，其包含有控制計(jì)算機(jī)、主通信控制器等設(shè)備，主要功能是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理工作。分散執(zhí)行是通過(guò)智能控制照明柜來(lái)實(shí)現(xiàn)的——通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立起中央監(jiān)控中心和智能照明控制柜的通信聯(lián)絡(luò)，同時(shí)發(fā)送和接收控制命令及反饋信息（包括自動(dòng)及手動(dòng)工作狀態(tài)、燈具開(kāi)/關(guān)狀態(tài)）。

圖1 總線式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 以星型結(jié)構(gòu)為主的混合式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

與傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)相比較，智能照明控制系統(tǒng)照明部分采用調(diào)光模塊，通過(guò)調(diào)節(jié)燈光，制造不同的燈光效果，營(yíng)造出不同的氛圍；控制部分采用低壓二次小信號(hào)控制，控制功能強(qiáng)、方式多、范圍廣、自動(dòng)化程度高，通過(guò)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的預(yù)設(shè)值和記憶功能，控制版面上的每個(gè)鍵都有各自的功能，可根據(jù)不同的場(chǎng)景及要求，達(dá)到相應(yīng)的狀態(tài)；管理部分利用分布式網(wǎng)絡(luò)，對(duì)整個(gè)建筑物進(jìn)行管理。

3 智能照明控制系統(tǒng)的主流協(xié)議

目前在智能照明控制方面，主流協(xié)議主要包括娛樂(lè)行業(yè)調(diào)光網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（ACN和Art-Net）、C-Bus協(xié)議、Dynet協(xié)議、EIB協(xié)議、DALI協(xié)議以及X-10協(xié)議。

（1）娛樂(lè)行業(yè)調(diào)光網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（ACN和Art-Net）

ACN是 ESTA（Entertainment services and Technology Association）正在制定的多用途網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議，全稱(chēng)為Architecture Control for Networks。由于ESTA下屬的TSC（技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)）是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)ANSl授權(quán)制定娛樂(lè)業(yè)技術(shù)設(shè)備安全和兼容性標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)，因此其制定的標(biāo)準(zhǔn)有一定的合法性和權(quán)威性。ACN協(xié)議主要由系統(tǒng)組件、協(xié)議數(shù)據(jù)單元、設(shè)備管理協(xié)議、會(huì)話數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和設(shè)備描述語(yǔ)言等部分組成。

圖4 智能照明控制系統(tǒng)的基本組成示意圖

ACN系統(tǒng)工作流程可分為三步。第一步，由SLP（Service Location Protocol）協(xié)議發(fā)現(xiàn)新設(shè)備上網(wǎng)在線。第二步，由DDL協(xié)議分析和設(shè)置這些設(shè)備各自的功能?？刂破靼l(fā)送Get/Set property信息給由DMP定義的設(shè)備。這些信息通過(guò)SDT協(xié)議傳送、SDT提供可靠性傳送、在線狀態(tài)和設(shè)備組管理等功能。所有的DMP和SDT信息用普通的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU格式打包成獨(dú)立的PDUs。第三步，利用UDP協(xié)議在以太網(wǎng)上傳輸這些信息包。

Art-Net協(xié)議是一個(gè)基于TCP/IP協(xié)議的10Base-T以太網(wǎng)協(xié)議，其特點(diǎn)是可用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸大量的DMX512數(shù)據(jù)。它由Artistic Licence提出且已公布出版，目前在歐洲己經(jīng)有了許多成員單位，例如意大利的ADB公司、德國(guó)的MA公司等。我國(guó)的浙江舞臺(tái)設(shè)計(jì)研究院也是其聯(lián)盟成員之一。

Art-Net協(xié)議由Art-Net主體部分、RDM（Remote Device Management）、Video（視頻信息）三個(gè)部分組成。主體部分包括ArtPoll、ArtPollReply、ArtPollServerReply、ArtIpProg、ArtAddress、ArtDmx、ArtInput、ArtFirmwareMaster、ArtFirmwareReply等協(xié)議。

（2）C-Bus協(xié)議

C-Bus系統(tǒng)（Clipsal-Bus的簡(jiǎn)稱(chēng)）是澳大利亞Clipsal公司于20世紀(jì)90年代初研發(fā)出來(lái)的智能型照明管理系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)所有的單元器件（除電源外）均內(nèi)置微處理器和存儲(chǔ)單元，由一對(duì)信號(hào)線（UTP 5）連接成網(wǎng)絡(luò)。C-Bus采用二線制總線控制方式，可以方便地實(shí)現(xiàn)總線上的各個(gè)單元之間不通過(guò)中央控制器直接通信。

C-Bus系統(tǒng)是一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)照明需要而開(kāi)發(fā)的智能化系統(tǒng)，可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為建筑物中的一個(gè)子系統(tǒng)和其他智能系統(tǒng)互聯(lián)。C-Bus系統(tǒng)協(xié)議符合051模型和150標(biāo)準(zhǔn)，并有多種接口單元（RS232、以太網(wǎng)等）和功能強(qiáng)大的接口程序可供選擇；因此，采用C-Bus系統(tǒng)會(huì)使設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，安裝更快捷，使用更靈活，管理更方便。

（3）Dynet協(xié)議

Dynet是澳大利亞邦奇公司于1990年推出的Dynalite智能燈光控制網(wǎng)絡(luò)使用的協(xié)議。Dynalite智能照明控制系統(tǒng)是一個(gè)分布式控制系統(tǒng)，通?？梢杂烧{(diào)光模塊、開(kāi)關(guān)模塊、控制面板、液晶顯示觸摸屏、智能傳感器、編程插口、時(shí)鐘管理器、手持式編程器和監(jiān)控器等部件組成。將上述各種具備獨(dú)立功能的控制部件用一根5類(lèi)數(shù)據(jù)通信線（四對(duì)雙絞線）聯(lián)接起來(lái)，就組成了一個(gè)Dynet控制網(wǎng)絡(luò)。

Dynet的產(chǎn)品與C-Bus大同小異，較有特色的是調(diào)光執(zhí)行器——能對(duì)現(xiàn)有各種光源（白熾燈、日光燈、節(jié)能燈、汞燈等）進(jìn)行調(diào)光，適合對(duì)光源環(huán)境要求復(fù)雜多變的場(chǎng)所應(yīng)用。

（4）EIB協(xié)議

歐洲安裝總線EIB（European Installation Bus）是在歐洲占主導(dǎo)地位的樓宇/家庭自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)。EIB系統(tǒng)是一個(gè)二線制的總線型式的智能控制系統(tǒng)，主要用于對(duì)照明系統(tǒng)/空調(diào)系統(tǒng)末端的控制，也可用于消防/保安等系統(tǒng)中的聯(lián)動(dòng)控制。系統(tǒng)中所有單元器件（電源除外）均內(nèi)置微處理器和存儲(chǔ)單元，由一對(duì)信號(hào)線（雙絞線）連接成網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)單元均設(shè)置唯一的物理地址，其功能通過(guò)軟件設(shè)置。通過(guò)輸出單元控制各回路負(fù)載。輸入單元通過(guò)組地址和輸出組件建立對(duì)應(yīng)聯(lián)系。當(dāng)有輸入時(shí)，輸入單元將其轉(zhuǎn)變?yōu)镋IB總線信號(hào)在EIB總線上廣播，所有的輸出單元接收并做出判斷，控制相應(yīng)回路輸出。

（5）DALI協(xié)議

DALI（Digital Addressable lighting interface）協(xié)議1994年列入IEC 60929標(biāo)準(zhǔn)，得到國(guó)際主要燈具、鎮(zhèn)流器和夾具制造商的支持。1999年P(guān)hilips公司對(duì)DALI協(xié)議做了進(jìn)一步的完善，并在漢諾威國(guó)際燈展上推出了基于DALI的系列產(chǎn)品。定義DALI標(biāo)準(zhǔn)旨在建立一個(gè)結(jié)構(gòu)清晰的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，用于室內(nèi)的智能、高性能照明管理，實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)、調(diào)光、場(chǎng)景、狀態(tài)顯示功能。其受控對(duì)象明確為鎮(zhèn)流器。

（6）X-10協(xié)議

X-10是Pico公司在1976年以不需重新布線為前提，利用既有的電力線網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制家中的電子電器產(chǎn)品所開(kāi)發(fā)的計(jì)劃，也是全球第一個(gè)將家庭自動(dòng)化產(chǎn)品商業(yè)化成功的技術(shù)。

X-10協(xié)議基于電力線載波技術(shù)。使用X-10協(xié)議的兼容產(chǎn)品可以通過(guò)電力線實(shí)現(xiàn)互相通信——電力線在提供電源的同時(shí)又可以像網(wǎng)線一樣傳送控制指令，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的控制。

X-10是眾多家庭自動(dòng)化技術(shù)中歷史最悠久的一個(gè)，其產(chǎn)品已達(dá)5000多種，不論是基本的燈光控制、安防系統(tǒng)、家庭劇院、溫度或行動(dòng)感應(yīng)還是與計(jì)算機(jī)相關(guān)的接口與控制等產(chǎn)品皆已完備；在美國(guó)是市場(chǎng)占有率最高的，目前有超過(guò)600萬(wàn)戶(hù)家庭在使用它。由于X-10協(xié)議基于電力線載波技術(shù)，20多年來(lái)備受青睞又頗受爭(zhēng)議。一方面，電力線在家庭中的隨處可見(jiàn)使得X-10產(chǎn)品很容易在普通家庭中得到推廣使用；而另一方面，電力線傳輸信號(hào)的速度限制和噪聲干擾使得X-10無(wú)法向更高端的控制發(fā)展。

4 智能照明的控制方式

智能照明系統(tǒng)體現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)越性，在智能建筑中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。智能照明控制系統(tǒng)能對(duì)大多數(shù)燈具（包括白熾燈、日光燈、配以特殊鎮(zhèn)流器的鈉燈、水銀燈、霓虹燈等）進(jìn)行智能調(diào)光，在需要的時(shí)間給需要的地方以充分的照明。其控制方式主要分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種。目前更多的是以模塊的自動(dòng)控制為主， 手動(dòng)控制為輔。

手動(dòng)控制包括利用斷路器的分合，控制照明配電回路的通斷，從而實(shí)現(xiàn)照明控制的方式。此控制方式只能實(shí)現(xiàn)每個(gè)配電回路統(tǒng)一控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一個(gè)回路內(nèi)部分光源的開(kāi)關(guān)控制，而且需頻繁地操作斷路器，對(duì)斷路器的壽命也有影響，因此應(yīng)用不廣泛。此外還有利用翹板開(kāi)關(guān)的分合，實(shí)現(xiàn)照明回路開(kāi)關(guān)控制的方式。此方式控制簡(jiǎn)單、施工方便、投資少、應(yīng)用廣泛。還有利用照明配電回路中的手動(dòng)旋鈕（調(diào)光控制柜和燈光控制臺(tái)等的手動(dòng)旋鈕）調(diào)節(jié)供電回路的電氣參數(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)光等方式。

自動(dòng)控制的原理是在照明配電回路中設(shè)置通斷元件（接觸器），通過(guò)二次回路來(lái)控制一次回路的分合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的控制。二次回路可以通過(guò)按鈕手動(dòng)控制，也可以通過(guò)PLC 控制，或者通過(guò)其他系統(tǒng)的遠(yuǎn)程信號(hào)來(lái)控制，可以完成時(shí)間控制、照度控制以及簡(jiǎn)單的程序控制，實(shí)現(xiàn)集中控制、集中監(jiān)視、集中管理。相對(duì)于傳統(tǒng)的控制方式而言，其自動(dòng)化程度有了較大的提高，但是在靈活性上仍然受到很大限制。如果項(xiàng)目投入運(yùn)行后，需要調(diào)整燈光場(chǎng)景等預(yù)設(shè)置，需要對(duì)其配電回路進(jìn)行改造。

5 智能照明系統(tǒng)的應(yīng)用效果

（1）智能化照明

智能照明系統(tǒng)由智能照明燈具、調(diào)光控制及開(kāi)關(guān)模塊、照度及動(dòng)靜等智能化傳感器、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)等單元模塊組成，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光、更充分利用自然光、保證照度的一致性、智能變換光環(huán)境場(chǎng)景、運(yùn)行中節(jié)能、延長(zhǎng)光源壽命等功能。

智能化照明最重要的作用就是利用各種傳感器及遙控器實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的自動(dòng)控制，也就是場(chǎng)景控制。在同一室內(nèi)可有多路照明回路，對(duì)每一回路亮度調(diào)整后創(chuàng)造出某種燈光氣氛稱(chēng)為場(chǎng)景。根據(jù)人們的不同要求及感官需求，預(yù)先設(shè)置不同的場(chǎng)景，進(jìn)行場(chǎng)景切換（調(diào)節(jié)切換場(chǎng)景的時(shí)間，淡出淡入，使燈光柔和變化），營(yíng)造出各種不同的燈光環(huán)境；利用時(shí)鐘控制器，使燈光呈現(xiàn)按每天的日出日落或有時(shí)間規(guī)律的變化——從而實(shí)現(xiàn)照明控制自動(dòng)化。

（2）美化環(huán)境

室內(nèi)照明利用場(chǎng)景變化增強(qiáng)環(huán)境藝術(shù)效果，制造立體感、層次感，營(yíng)造出舒適的環(huán)境，有利于促進(jìn)人們的身心健康、提高工作效率。

（3）延長(zhǎng)燈具壽命

燈具壽命降低，乃至損壞的主要因素之一就是電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定。因此，延長(zhǎng)燈具壽命的有效辦法就是抑制電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。智能照明控制系統(tǒng)能夠成功抑制電網(wǎng)的沖擊電壓和浪涌電壓，避免燈具損壞；同時(shí)，智能調(diào)光控制系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)、軟關(guān)斷及淡入淡出調(diào)光控制，避免對(duì)燈具燈絲造成沖擊，可延長(zhǎng)燈具壽命。應(yīng)用智能照明控制系統(tǒng)可延長(zhǎng)燈泡壽命2～4倍，從而節(jié)省大量燈泡，減少更換燈泡的工作量。

（4）節(jié)約能源

智能照明控制的實(shí)現(xiàn)一般可以節(jié)約20%～40%的電能，不但降低了用戶(hù)電費(fèi)支出，也減輕了供電壓力?？刹捎昧炼葌鞲衅鳎詣?dòng)調(diào)節(jié)燈光強(qiáng)弱，充分利用自然光，達(dá)到節(jié)能效果。 也可采用移動(dòng)傳感器，當(dāng)人進(jìn)入傳感器感應(yīng)區(qū)域后漸升光，當(dāng)人走出感應(yīng)區(qū)域后燈光漸漸減低或熄滅，從而使一些走廊、樓道的“長(zhǎng)明燈”得到控制，并且及時(shí)關(guān)掉不需要的燈具，保證運(yùn)行節(jié)能效果充分。 尤其是酒店，采取移動(dòng)傳感器既能滿足節(jié)電的需要，又能避免降低燈光亮度帶來(lái)的檔次降低的問(wèn)題。

（5）保證照度及照度的一致性

采用照度傳感器，可以使室內(nèi)的光照保持恒定。例如：隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，燈具的發(fā)光效率會(huì)逐漸降低，建筑物墻面的反射率也將衰減，這樣會(huì)產(chǎn)生新舊狀態(tài)下照度不一致的問(wèn)題；通過(guò)智能調(diào)光器系統(tǒng)的控制可調(diào)節(jié)照度達(dá)到相對(duì)的穩(wěn)定，且可節(jié)約能源。教室要求靠窗與靠墻處光強(qiáng)度基本相同，可在靠窗與靠墻處分別加裝傳感器。當(dāng)室外光線強(qiáng)時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將靠窗的燈光減弱或關(guān)閉，并根據(jù)靠墻傳感器的感應(yīng)信號(hào)調(diào)整靠墻燈光的亮度；當(dāng)室外光線變?nèi)鯐r(shí)，傳感器會(huì)根據(jù)感應(yīng)信號(hào)調(diào)整燈的亮度直到獲得預(yù)先設(shè)置的光照度值。

（6）綜合控制

通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，將各種具備獨(dú)立控制功能的模塊連接在一根計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)線上，即可組成一個(gè)獨(dú)立的照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光系統(tǒng)的各種智能化管理及自動(dòng)控制，例如掌握當(dāng)前各個(gè)照明回路的工作狀態(tài)，設(shè)置、修改場(chǎng)景，當(dāng)有緊急情況時(shí)控制整個(gè)系統(tǒng)及發(fā)出故障報(bào)告。

6 結(jié)束語(yǔ)

智能照明技術(shù)的發(fā)展可以使照明更加省電、節(jié)能，在需要的時(shí)間給需要的地方以最舒適和高效的照明，提升照明環(huán)境質(zhì)量。智能化照明，更是使照明進(jìn)一步走向綠色和可持續(xù)發(fā)展的重要方向，是智能技術(shù)與照明的結(jié)合，目的是在大幅度提高照明質(zhì)量的前提下，使建筑照明在時(shí)間與數(shù)量上更加準(zhǔn)確，更加節(jié)能和高效。

1 張亮，侯冉冉，王鋒.智能照明控制系統(tǒng).北京：五洲工程設(shè)計(jì)研究院.

2 王娜，沈國(guó)民.智能建筑概論.北京：中國(guó)建筑工程出版社，2010.