智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

銀 波

武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430072

0 引言

我國屬于電力消耗大國，其中約有1/6的電力消耗為照明，在為照明供電的過程中，由于效能轉(zhuǎn)化的問題導(dǎo)致一部分電力被損耗，如何提高照明系統(tǒng)的能效水平已經(jīng)成為目前節(jié)能減排的主要途徑[1]。綜合來看，我國的電力緊張問題一直沒有得到緩解，人均占有量較低，國家在電力建設(shè)方面的不斷進(jìn)步，使得居民用電得到穩(wěn)定的保障，但是為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，需要在保證照明質(zhì)量不受影響的前提下有效利用太陽能、風(fēng)能等新能源來降低電能損耗，提高效能。

將智能照明控制系統(tǒng)引入民用照明領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)照明用電的智能化控制。文章將選取民用領(lǐng)域某一個(gè)場景的照明體系，通過智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來討論其對于電氣照明節(jié)能的應(yīng)用價(jià)值。

1 智能照明控制系統(tǒng)概述

1.1 特點(diǎn)和優(yōu)勢

智能照明控制系統(tǒng)是一種智能的分布式總線型控制系統(tǒng)，每一個(gè)模塊都擁有不同的控制體系，其最大的特點(diǎn)是數(shù)字化和模塊化，各模塊之間在功能上相互獨(dú)立但又可以形成一種協(xié)同控制的狀態(tài)[2]。系統(tǒng)各模塊的功能由中央處理器實(shí)現(xiàn)總控制，通過通信線路相互連接。

智能照明控制系統(tǒng)可以根據(jù)某一區(qū)域的具體情況實(shí)現(xiàn)對燈具的智能控制，整個(gè)控制具有動態(tài)化、非程序化的特點(diǎn)[3]。一般情況下，通過傳感器收集外界環(huán)境數(shù)據(jù)，由處理器分析后向各控制模塊下達(dá)對應(yīng)的指令，然后控制模塊負(fù)責(zé)控制燈具的開、關(guān)或亮度調(diào)節(jié)等行為[4]。由于智能照明控制系統(tǒng)是獨(dú)立子網(wǎng)式系統(tǒng)，設(shè)置在不同房間或場地中的子系統(tǒng)可以通過聯(lián)網(wǎng)的方式無限量擴(kuò)展，這也是其應(yīng)用優(yōu)勢之一。

如今，智能照明控制系統(tǒng)已有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如各模塊之間通過串口完成聯(lián)接，在與其他設(shè)備進(jìn)行匹配時(shí)更易實(shí)現(xiàn)，極大地增強(qiáng)了其適用性和拓展性。

1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由調(diào)光模塊、開關(guān)模塊、控制面板、顯示模塊、傳感器模塊、PC接口、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、時(shí)鐘管理器等核心模塊構(gòu)成，除了電源組件，其他各模塊均內(nèi)置有微處理單元和存儲單元[5]，并且每一個(gè)微處理單元都有對應(yīng)的物理地址，通過物理地址可以準(zhǔn)確識別各個(gè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)軟件編程控制。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸方式

照明控制系統(tǒng)可以采用多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中有線方式包括光纖、雙絞線等；無線方式包括射頻、電力載波等?？梢钥闯?，目前對于照明控制系統(tǒng)的傳輸方式業(yè)界尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各國和各個(gè)廠家所生產(chǎn)的設(shè)備都依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇比較適合的方式。

1.4 應(yīng)用范圍

照明控制系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)對燈光的開關(guān)控制和調(diào)光，在不同場合下，智能控制系統(tǒng)能夠依據(jù)實(shí)際需要和外界環(huán)境智能地調(diào)節(jié)LED燈、熒光燈等類型燈具的亮度及開閉。

1.5 控制方式

（1）場景控制：又可以被稱為情景模式，系統(tǒng)內(nèi)置或用戶自定義幾種不同的場景，有需要時(shí)用戶能夠通過顯示終端來控制場景模式的切換。這種控制方式被廣泛應(yīng)用于KTV、電影院、美術(shù)館、高檔別墅等場所。

（2）定時(shí)控制：通過時(shí)鐘的計(jì)時(shí)功能來實(shí)現(xiàn)燈光的時(shí)間規(guī)律控制，比如早6點(diǎn)開啟燈光，晚7點(diǎn)關(guān)閉燈光等。這種控制方式的邏輯比較簡單，適用于道路、地下車庫等情境。

（3）群組組合控制：能夠設(shè)定一種控制方式（如點(diǎn)按某一按鈕）實(shí)現(xiàn)對多個(gè)配電箱中的照明回路開關(guān)控制。通常情況下，群組可以實(shí)現(xiàn)自定義，用戶能夠選擇按鍵對應(yīng)哪些配電箱，從而實(shí)現(xiàn)一鍵開關(guān)。

（4）天文時(shí)鐘控制：比定時(shí)控制更加高級，可以依據(jù)經(jīng)緯度自動計(jì)算日出、日落時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)智能化的照明供應(yīng)，在街道照明、景區(qū)照明等情境中應(yīng)用廣泛。

（5）光感控制：依靠光線傳感器實(shí)現(xiàn)燈光的智能控制，與汽車照明系統(tǒng)中自動大燈的功能類似，傳感器用以收集環(huán)境光的強(qiáng)度，當(dāng)光線不足時(shí)自動開啟燈光，光線充足時(shí)自動關(guān)閉燈光。

（6）圖示化監(jiān)控：配合電子地圖功能顯示所有的燈具，用戶可以選擇某一燈具手動控制其開關(guān)和亮度。在建筑中也可以將燈具在建筑平面圖中標(biāo)識出來，如大型商場中的燈光控制等。

（7）應(yīng)急控制：在發(fā)生緊急事件時(shí)，打破原先的控制方式強(qiáng)制開啟所有燈光，為事件處置和逃生提供充足的光照。

2 智能照明控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

文章選用場景為擁有近500間客戶的大型酒店，整個(gè)賓館是獨(dú)棟設(shè)計(jì)，共有13個(gè)樓層，由于各個(gè)功能區(qū)的面積都比較大，為了減少工作量，所有的照明設(shè)備都需要由智能控制器來進(jìn)行控制，整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成十分復(fù)雜。為了增加照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，案例選用EIB國際總線標(biāo)準(zhǔn)的智能照明控制i-Bus系統(tǒng)，控制的對象主要是一樓接待大廳、走道、樓梯間、會議廳、高端套房以及其他公共場景的照明設(shè)施，通過智能化的控制體系，有效節(jié)省電力的消耗。整個(gè)智能控制體系同樣采用模塊化的分布式設(shè)計(jì)，后期的修改和升級都十分方便，有效地節(jié)約了人力成本，降低了工作量[6]。

2.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

整個(gè)系統(tǒng)只采用了一條通信線路，具有一定整潔度。采用模塊化結(jié)構(gòu)，新的設(shè)備或場景設(shè)施可以隨時(shí)加入控制系統(tǒng)，每一個(gè)模塊都擁有自主工作的功能，由模塊內(nèi)置的微控制單元直接控制，并非完全依賴于主控制系統(tǒng)。如果一個(gè)模塊發(fā)生了故障，其他模塊不會受到影響，配合軟件使用時(shí)，功能和邏輯設(shè)定也呈現(xiàn)出一個(gè)相互獨(dú)立的狀態(tài)。

控制面板額定電壓為24 V，屬于低于36 V電壓的安全區(qū)域。整個(gè)系統(tǒng)的行為控制是通過程序編寫來實(shí)現(xiàn)的，因此可以只通過程序的更改來實(shí)現(xiàn)控制策略的改變。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)放置于一樓的消防監(jiān)控室中，必要的安防設(shè)施配套完善，計(jì)算機(jī)搭載WinSwitch監(jiān)控軟件和ETS5編程軟件，控制界面實(shí)現(xiàn)可視化，工作人員能夠在圖形界面上監(jiān)控智能照明控制系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)。系統(tǒng)共由7根支線組成，與主控制室通過RS-232接口連接，主控室擁有所有的數(shù)據(jù)輸入，可以監(jiān)控整個(gè)照明系統(tǒng)中的任一設(shè)備。

2.3 功能需求

以某一房間為例，客廳的燈光共有3組，臥室燈光共有4組，其中臥室中的2組燈光需要具備亮度調(diào)節(jié)功能，另2組燈光只具備開關(guān)功能即可。在門廳處有一組自動感應(yīng)燈光，通過紅外線感應(yīng)實(shí)現(xiàn)來人自動開啟、無人自動關(guān)閉。客廳和臥室中各安有一部空調(diào)，入住者可以通過遙控器來選擇空調(diào)模式，并且內(nèi)置有多種情景模式，通過遙控器可實(shí)現(xiàn)自由切換。此外，所有的電氣設(shè)備都可以通過門口的開關(guān)一鍵關(guān)閉。

2.4 控制實(shí)現(xiàn)

除了中央控制計(jì)算機(jī)和傳輸回路，系統(tǒng)還包括驅(qū)動器、傳感器、電源元件、遠(yuǎn)程遙控組件等其他部分組成，還需要繪制強(qiáng)電配電箱系統(tǒng)圖，遠(yuǎn)程遙控功能選用電話網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)，此賓館場景中共有5種控制方式，用戶可以根據(jù)自己的需求選擇對應(yīng)的控制方式，每一種控制方式都有其對應(yīng)的應(yīng)用場景。

（1）手動控制。通過手動控制按鈕來控制一些系統(tǒng)動作，這是一種現(xiàn)場控制模式，大樓內(nèi)的主要照明設(shè)施都會配備手動控制按鈕。

（2）移動控制。也可以稱為感應(yīng)控制，在大樓的走道、樓梯、公共廁所及部分客房的門口處都設(shè)置有移動控制，當(dāng)有人經(jīng)過時(shí)燈光會自動打開一段時(shí)間。移動控制包括聲音控制，其目的是在保證照明質(zhì)量的基礎(chǔ)上節(jié)省更多的能源消耗。

（3）恒照度控制。在大堂中設(shè)置有光線感應(yīng)模塊（HS/S 3.1），此模塊能夠感應(yīng)出大樓的采光情況，并根據(jù)太陽光的強(qiáng)弱自動調(diào)節(jié)大堂內(nèi)主照明燈光的強(qiáng)弱。燈光強(qiáng)弱的控制有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一是調(diào)節(jié)主照大燈的亮度，二是調(diào)節(jié)大堂內(nèi)燈光開啟的數(shù)量。這兩種方式通過合理的搭配在能源消耗和照明質(zhì)量供應(yīng)之間達(dá)到平衡狀態(tài)。

（4）集中控制。智能中央控制計(jì)算機(jī)可以將大樓內(nèi)的所有燈光在酒店平面圖中顯示，同時(shí)空調(diào)等電氣設(shè)備的運(yùn)行情況也會被詳細(xì)顯示，工作人員能夠分區(qū)域或者定點(diǎn)控制電氣設(shè)備的開關(guān)。

（5）網(wǎng)絡(luò)控制。網(wǎng)絡(luò)控制是通過OPC網(wǎng)關(guān)來集成所有的自控系統(tǒng)，根據(jù)自控系統(tǒng)發(fā)出的指令來執(zhí)行對應(yīng)的電氣開關(guān)行為。

3 結(jié)論

智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是節(jié)約能源和提高控制效率，為了讓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加規(guī)范，同時(shí)更加利于日后的維護(hù)，采用一根雙絞線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電纜。中央控制計(jì)算機(jī)能夠?qū)⑺械碾姎庠O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示于地圖或平面圖中，工作人員通過可視化的操作界面完成對電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，可以及時(shí)調(diào)整照明策略，以達(dá)到更好的節(jié)能效果。智能照明控制系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，如今已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，未來的電氣安裝系統(tǒng)將更加標(biāo)準(zhǔn)化、人性化、節(jié)能化和網(wǎng)絡(luò)化，形成一種多功能、集成式、全分布式的適用控制體系。