智能燈具及其標準的現(xiàn)狀和研究

施曉紅，莊曉波，虞再道，陳超中

(上海時代之光照明電器檢測有限公司，上?！?01114)

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智能燈具及其標準的現(xiàn)狀和研究

施曉紅，莊曉波，虞再道，陳超中

(上海時代之光照明電器檢測有限公司，上海201114)

摘要：智能化是照明系統(tǒng)及其燈具的發(fā)展趨勢。本文以照明系統(tǒng)的相關(guān)定義為切入點，在給出智能照明燈具構(gòu)成特點的基礎(chǔ)上，討論了智能照明系統(tǒng)標準現(xiàn)狀，表述了開發(fā)智能燈具標準的基本思路。

關(guān)鍵詞：智能；照明系統(tǒng)；燈具；標準

引言

應用的多功能要求是照明系統(tǒng)控制的需求來源，以舞臺照明為例，由于燈具數(shù)量和類型繁多、光色復雜、光路變化、現(xiàn)場的多種應用組合，為了達到多功能、復雜的應用需求，舞臺照明很久以來使用了系統(tǒng)控制的方式。

照明的功能要求、達到功能所使用的拓撲結(jié)構(gòu)及其監(jiān)測和控制方式、元件、以及通訊接口是照明系統(tǒng)及燈具結(jié)構(gòu)的要件。

由于在系統(tǒng)中使用了照度、溫度、電壓、電流等參數(shù)反饋系統(tǒng)，使之具有了自動監(jiān)測和控制的功能，業(yè)界將這種系統(tǒng)稱作智能照明系統(tǒng)。

1智能照明系統(tǒng)的相關(guān)定義

IEC/TC 274正在研究照明系統(tǒng)相關(guān)術(shù)語標準，下面給出的術(shù)語和定義來自于IEC 60050、ISO/TC 274，與照明系統(tǒng)相關(guān)的術(shù)語如下：

1)照明：將光照在區(qū)域、物體或人上的過程或活動。

2)系統(tǒng)：設(shè)計成滿足照明應用要求的一組交互式的光源和關(guān)聯(lián)設(shè)備。

要注意的是，照明系統(tǒng)可以致力于：

a)在考慮了人的舒適、安全、周圍環(huán)境的征候和能源消耗等的條件下，規(guī)定視覺任務(wù)的支持；

b)支持人以外的其他任務(wù)，諸如植物生長或動物飼養(yǎng)；

同時，照明系統(tǒng)可以包括物理元件、通訊協(xié)議、用戶界面、軟件和提供中央控制和監(jiān)視功能的軟件。物理元件可用做提高或降低自然或人工光。

還應注意，光源和關(guān)聯(lián)設(shè)備可以集成在單體內(nèi)，例如LED模塊、燈或一個燈具。

3)自適應照明系統(tǒng)：對環(huán)境作出反映或依照預設(shè)條件、將照明質(zhì)量維持在規(guī)定的要求內(nèi)的照明系統(tǒng)。

要注意的是照明質(zhì)量的要求包括個體幸福感、安全、公共安全、建筑風格、以及被照明環(huán)境的經(jīng)濟性。

4)以人為本的照明系統(tǒng)：為對人類生理和心理產(chǎn)生正面影響而特殊設(shè)計的照明系統(tǒng)。

要注意的是這包括視覺和非視覺兩者的影響。

5)智慧(智能)照明系統(tǒng):包括燈具、網(wǎng)絡(luò)、傳感器、軟件或其它元件間連接件和通訊的自適應照明系統(tǒng)。

6)無線照明系統(tǒng):不使用電線傳輸數(shù)據(jù)的照明系統(tǒng)。

7)能源性能:為滿足與照明相關(guān)的不同需求，一個照明質(zhì)量的空間或內(nèi)部/外部環(huán)境中，全部照明特性滿足使用者需求和期望，或者其他應用要求，照明系統(tǒng)實際使用或消耗供給能源的加權(quán)網(wǎng)絡(luò)計算值或測量值。

要注意的是等級卓越適用于域終端用戶的健康以及安全、環(huán)境和經(jīng)濟效果。

8)智能燈具:配備具有傳感、通訊和處理能力元件的燈具。

要注意的是元件可以使模塊化的和可替換的。

值得關(guān)注的是，在系統(tǒng)的定義和說明中提到，系統(tǒng)的任務(wù)中包括提高或降低自然或人工光，也就是說，除了人工光以外，自然光也在系統(tǒng)控制的范圍內(nèi)。

2智能照明系統(tǒng)及智能燈具的現(xiàn)狀

根據(jù)上述術(shù)語和定義，根據(jù)所具有的特點，智慧(智能)照明系統(tǒng)是一種自適應照明系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計時，可以是以人為本的，也可能還結(jié)合了能源經(jīng)濟性的考慮，還可能使用了無線照明系統(tǒng)，當然最后由一個智能照明燈具來實現(xiàn)。

2.1　智能照明系統(tǒng)

當系統(tǒng)中使用了感應器和反饋系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)處理系統(tǒng)這些信息后通過網(wǎng)絡(luò)對燈具發(fā)出控制指令以達到預設(shè)的照明水平來滿足照明要求，這是智能照明系統(tǒng)一般工作原理，如根據(jù)環(huán)境亮度調(diào)節(jié)光輸出達到要求的照明水平，根據(jù)環(huán)境的色溫調(diào)節(jié)光色達到舒適性要求，根據(jù)反饋的燈具故障信息發(fā)出維護指令等。

常見的智能照明系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖1　智能照明系統(tǒng)框圖(源自 CSA/TR 001—2014[1]圖1)Fig.1　Frame of intelligent lighting system

2.2　智能照明燈具

在智能照明系統(tǒng)中，燈具屬于執(zhí)行元件，除了光源、燈的控制裝置等燈具基本工作元件以外，智能照明燈具通常還組合了照明控制器和傳感器，有時還組合了網(wǎng)關(guān)。

智能照明燈具框圖如圖2所示。

圖2　智能照明燈具框圖Fig.2　Frame of intelligent luminaire

3智能燈具的標準

3.1　智能照明系統(tǒng)標準的框圖

目前，智能照明系統(tǒng)還處于概念和比較初級的應用初級階段。各種應用場景的需求分析展現(xiàn)了智能照明無限可能性，而且，在不久將來的實際應用中，智能照明是物聯(lián)網(wǎng)的組成部分。

智能照明系統(tǒng)框圖見圖3。

智能燈具是智能照明系統(tǒng)的組成部分，其標準也應該是系統(tǒng)的有機組成部分。在該標準體系中，基礎(chǔ)標準中應至少包括術(shù)語標準，可能還需要各個場景的一般功能需求標準，組件標準和通訊接口也需要相應的標準。

以人為本，滿足人對安全性、舒適性以及人體健康的關(guān)切，智能照明燈具應滿足產(chǎn)品的安全、性能、電磁兼容的要求，同時還應準確及時的執(zhí)行智能照明系統(tǒng)發(fā)出的指令，并反饋信息。

圖3　智能照明標準體系框圖Fig.3　Frame of standard system of intelligent lighting

在安全方面，在新制定的GB 7000.1—2015[2]標準中，已對燈具中的控制系統(tǒng)的絕緣等提出了特殊的安全要求。

在性能方面，應考慮各種智能燈具對控制指令的響應、響應的準確性、控制系統(tǒng)的功耗等方面的要求，同時還應考慮控制的物理元件滿足相應的部件標準的要求。

與此同時，智能照明控制系統(tǒng)不應對周圍環(huán)境產(chǎn)品騷擾，還應具有抗電磁干擾的能力。

3.2　燈具安全標準的要求

待發(fā)布的GB 7000.1—2015[2]《燈具 第1部分 一般要求與試驗》中提出了與控制相關(guān)的安全要求。

1)可控燈具的定義：可控燈具是指設(shè)有控制端子的燈具，目的是控制裝置的信息交換和(或)控制裝置功能設(shè)定。

2)標記：標準的3.3.22規(guī)定，對可控燈具，應給出LV電源和控制導體之間所保持的絕緣類別。例如，基本絕緣、加強絕緣。

同時要注意的是燈具聲稱絕緣的維持也可依賴其他連接到相同控制總線的外部元件(產(chǎn)品)。這是控制系統(tǒng)設(shè)計者的責任，而不是燈具制造商的責任。

3)結(jié)構(gòu)：標準的4.31提出了電路間的絕緣的要求，除了一般要求以外，還對可控燈具提出了特殊要求。

a.對可控燈具的特殊要求：

標準規(guī)定：對于可控燈具，當要求所有元件保持相同的絕緣水平時，相同的要求也適用于連接到控制端子的電路。當評估要考慮的電路類型時，應考慮控制裝置制造商提供的信息(見IEC 61347-1[3]的7.1 k))。

要注意的是，目前市場上有下述類型的控制系統(tǒng)：

—功能特低電壓(FELV)控制信號，與LV電源基本絕緣(例如數(shù)字可尋址照明接口與直流1 V-10 V控制器)；

—安全特低電壓(SELV)控制信號(例如DMX)；

— 控制信號，未與LV電源絕緣(例如按鈕控制/切相/步進調(diào)光)。

(i)控制裝置上的標記。標準4.31中引用到IEC 61347-1[3]的7.1 k)的規(guī)定是：表明接線端子的位置和用途的線路圖。如果燈的控制裝置上沒有接線端子，則線路圖上應明確給出用作連接線的符號的意義。只在特殊線路中工作的燈的控制裝置應采用相應的標志或線路圖加以識別。即應在控制裝置上標記控制端子的位置和用途。

(ii)關(guān)于可控燈具絕緣水平的保持。應考慮接入的控制電路的絕緣類別對燈具絕緣類別的影響，燈具的絕緣類別可能因控制電路而發(fā)生改變。圖4是一個含有控制線的照明系統(tǒng)接線圖，圖中有3個燈具，防觸電類別分別為Ⅰ類，Ⅱ類和Ⅲ類。當接入了FELV的控制信號后，當控制裝置與

可觸及金屬部件保持了要求的絕緣時，Ⅰ類燈具和Ⅱ類燈具的防觸電類別保持不變，但Ⅲ類燈具中由于含有類非安全特低電壓(FELV不滿足安全特低電壓的要求)，因此燈具不再是Ⅲ類燈具而是Ⅱ類燈具了。

圖4　接入數(shù)字控制電路后的燈具絕緣系統(tǒng)Fig.4　Insulation of luminaires connected with digital control circuit

b.對電路間絕緣的一般要求：

燈具含有的變壓器或控制裝置使用了與LV電源絕緣的電路來提供電路與燈具間的隔離的，應在電路間以及這些電路與外部可觸及導電部件之間提供適宜的絕緣。

FELV控制線路、SELV控制線路和未與LV電源絕緣的控制線路是目前存在的3種控制電路，與燈具電路的絕緣要求見表1和表2。

表1　控制電路與燈具電路的絕緣要求

3.3　燈具性能標準

目前的燈具性能標準中，對可調(diào)燈具，提出了對聲稱調(diào)節(jié)范圍的驗證要求，但目前涉及的參數(shù)僅為調(diào)光(光輸出)。

3.4　電磁兼容標準

目前燈具產(chǎn)品適用的電磁兼容標準涉及諧波、電磁騷擾和抗干擾，具體如下：

表2　有源部件與可觸及導電部件之間的絕緣要求(改編自GB 7000.1-2015表X.1)

GB/T 17625.1—2012 電磁兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備每相輸入電流≤16A)；

GB/T 17743—2007 電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限值和測量方法；

GB/T 18595—2014一般照明用設(shè)備電磁兼容抗擾度要求。

4智能燈具特殊要求的基本考慮

4.1　智能照明系統(tǒng)的標準現(xiàn)狀

4.1.1GB 30104標準系列

等同采用IEC 62386[4]系列標準，我國已經(jīng)發(fā)布了DALI的12個標準，這些標準與國標的對應關(guān)系見表3。

表3　DALI國家標準的現(xiàn)狀

GB/T 30104數(shù)字可尋址照明接口系列標準對DALI協(xié)議作了規(guī)定，能很好的保證其通用性和兼容性。

第101部分規(guī)定了電氣要求，如：控制輸出端標記、控制接口特性、控制輸入端的絕緣系統(tǒng)、額定電壓信號限值及邏輯關(guān)系、額定電流信號限值、信號上升和下降時間限值等，保證了電氣信號的識別，在硬件方面打下了兼容性的基礎(chǔ)。

GB/T 30104第102部分規(guī)定的傳輸協(xié)議結(jié)構(gòu)、變量和指令等，在軟件層面統(tǒng)一了基本功能，保證了兼容性。標準中還詳細描述了各個指令的測試程序，為DALI控制裝置的檢測奠定了基礎(chǔ)。

GB/T 30104其余的20X部分根據(jù)設(shè)備類型的特殊性能和使用要求，補充了一些指令及其測試程序。

4.1.2其他技術(shù)文件

目前CSA等一些聯(lián)盟以及一些地方相繼發(fā)布了一些智能照明系統(tǒng)的技術(shù)文件，如：

·CSA的文件

—CSA/TR 001—2014LED照明控制系統(tǒng)標準化綜述

—LED公共照明智能系統(tǒng)接口應用層通信協(xié)議

·TEAS的文件

—LED道路照明智能控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范

·深圳市LED產(chǎn)業(yè)標準聯(lián)盟

—SQL/LSA 004.1—2011LED路燈智能照明技術(shù)規(guī)范 第1部分：控制系統(tǒng)

—SQL/LSA 004.2—2011LED路燈智能照明技術(shù)規(guī)范 第2部分：電力線載波控制模塊

—SQL/LSA 004.3—2011 LED路燈智能照明技術(shù)規(guī)范 第3部分：應用層通信協(xié)議

·上海市路政局

—道路LED照明應用技術(shù)規(guī)程

與此同時IEC /TC274也在照明系統(tǒng)標準的積極制定過程中。

4.2　智能照明燈具標準特殊要求的基本考慮

1)產(chǎn)品功能及其聲稱：智能照明燈具在照明系統(tǒng)中的功能是實現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)出的指令，燈具標準要解決的主要問題就是驗證系統(tǒng)聲稱的一些功能，包括一些可調(diào)參數(shù)的執(zhí)行能力，以及響應時間、控制系統(tǒng)的功耗等。

以隧道照明燈具為例，智能照明系統(tǒng)功能需求可能包括：

·人體舒適性相關(guān)的色溫控制：與洞外色溫的協(xié)調(diào)

·路面照度或亮度控制：根據(jù)時間和車流量

·系統(tǒng)維護：巡檢、失效/異常告警、系統(tǒng)無指令時的默認設(shè)置

在產(chǎn)品說明書中，可能含有下述聲稱：

·1.產(chǎn)品類別

·2.指令響應時間

·3.滿功率光通量值，初始值，調(diào)光范圍和/或分級

·4.色溫初始值，色溫調(diào)節(jié)范圍和/或分級

2)制定智能燈具標準的基本原則：制定智能燈具標準的基本原則是按照燈具在系統(tǒng)中的存在特性和內(nèi)涵的組件，根據(jù)產(chǎn)品聲稱的功能特性，在驗證組件符合相應部件標準的同時，制定由這些組件構(gòu)成的燈具的控制指令實際執(zhí)行能力的驗證要求，包括：

—燈具應滿足相應的安全要求、性能要求和電磁兼容要求；

—燈具中含有的組件應滿足相應的部件要求；

—燈具執(zhí)行指令的實際結(jié)果應與聲稱的參數(shù)一致。

其中“燈具執(zhí)行指令的實際結(jié)果應與聲稱的參數(shù)一致”是智能燈具標準的核心內(nèi)容，驗證的內(nèi)容與燈具使用的單燈控制器的情況有關(guān)，例如，當燈具使用了經(jīng)過認證的DALI控制裝置時，只需要抽樣驗證，而使用了其他接口的單燈控制器，由于缺少標準和相應的認證，驗證的內(nèi)容可能較多。

當燈具中還含有傳感器、單燈控制器等元件時，除了響應和執(zhí)行系統(tǒng)的指令以外，燈具應還具有信息反饋的功能，也應考慮相應的驗證要求。

5結(jié)語

目前，國際電工委員會IEC/TC274和IEC/TC34正在進行智能照明的相關(guān)基礎(chǔ)研究，術(shù)語標準已有草案，這對智能照明系統(tǒng)及其燈具特性的研究非常重要，是進行后續(xù)研究工作的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，智能燈具的特性研究是開發(fā)產(chǎn)品標準的重要前提，目前，一些隧道燈具和道路燈具等公共照明燈具產(chǎn)品已融入了一些智能化的元素，可以進行產(chǎn)品標準的研究和開發(fā)。

參考文獻

[1] LED照明控制系統(tǒng)標準化綜述：CSA/TR 001—2014[R].北京：國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，2014.

[2] 燈具 第1部分：一般要求與試驗：GB 7000.1—2015[S].北京：中國標準出版社，2015.

[3] 燈的控制裝置 第1部分：一般要求和安全要求：IEC 61347-1[S].

[4] 數(shù)字可尋址照明接口：IEC 62386—2014[S].

Current Situation and Research of Intelligent Luminaire and Standard

Shi Xiaohong, Zhuang Xiaobo,Yu Zaidao,Chen Chaozhong

(ShanghaiAlphaLightingEquipmentTestingLtd.(SALT)，Shanghai201114,China)

Abstract：Intelligence is the development trend of lighting system and luminaire. From the point of the definition of lighting system and based on the characteristics of intelligent lighting luminaire, this article discussed current situation of intelligent lighting system standards, and presented the basic ideas of developing intelligent standards of luminaire.

Key words:intelligent; lighting system; luminaire;standard

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.014