面向智能家居的照明系统的研究与开发

面向智能家居的照明系统的研究与开发1面向智能家居的照明系统的研究与开发11引言能源开发和控制是一个世界性的课题，直接关系到了人类的生存和发展。电能是应用最广泛的一种能源方式，也是能源消耗中的最主要的组成部分。目前我国的电力工业发展速度很快，但是电力供应不足和用电效率低下的状况依然比较严重。电力紧缺是我国目前面临的一个很严峻的问题：一方面，为了保证供电，被迫对局部的区域实行强制性拉闸限电或轮流供电，给国民的生产、生活带来了极大不便；另一方面，又经常的出现无人上班或学习而灯光长明的浪费现象，特别是在高校教室、图书馆、会议室等公共场所，表现的更为突出。在大力倡导建设节约型社会的今天，节能途径和效率的研究，已经成为一个社会热点和焦点。因此推行照明节电技术的节约电能是改善电力负荷紧张状况的主要途径之一。我国照明用电约占总发电量的25％左右，而且以低效照明为主，因此成为了终端节电的主要对象之一。照明用电大都属于峰时用电，由此可见，照明的节电具有节约电量和缓解高峰用电的双重作用。随着现代办公大楼的巨型化，工作时间弹性化、人类物质文化生活的多样化和人口老龄化，需要营造快适、便捷、安全、高效的照明环境和气氛了，从而促进照明控制系统向高效节能和智能化的方向发展了。作为人们拥有的住宅是一个属于私密的生活活动空间，人的一生至少有三分之一的时间是在住宅中度过了。在这里，人们可以根据自己的习惯、爱好创造一个舒适、温馨的环境，使劳累的人们可以在自己的天地里放松、调节自己的精神和情趣，以得到更好的休息，从而更有效地进行工作。因此，住宅照明在人类的生活中起到了十分重要的作用，所以追求住宅室内照明的实用性和艺术性的统一已成为时尚。所以住宅室内照明系统设计成为今后住宅电器设计的一个主要研究方向。智能住宅的照明系统由照明装置和电器部分组成。照明装置主要是灯具，照明装置的电器部分，其中包括照明智能的控制部分、照明线路及照明配电盘等。照明的基本功能是创造一个良好的人工视觉环境。在一般情况下是以“明视条件”为主的功能性照明[1]。随着微电子技术的不断发展，单片机应用越来越广，照明控制技术面临革命性的变革，主要有三大趋势：电子化。网络化，集成化。传统的照明系统是动力线按需要分线，用机械开关通、断电源，这样系统固定后就无法再改动，若要实现复杂的控制要求就更难了。而随着大量的智能楼寓推出，管理人员和住户对照明系统提出了许多的个性化要求，这就需要有新的照明控制技术的引进。传统照明系统的特点是动力线与控制线重叠，不存在控制信息流的概念。面向智能家居的照明系统的研究与开发2智能照明控制系统与传统照明控制系统相比，在控制方式、照明方式、管理方式以及节能方面等均有不少优点。首先，在控制方式和照明方式上，传统照明控制采用手动开关，只有开和关，而且只能一路一路地开和关。而智能照明控制采用调光模块，通过灯光的调光在不同使用场合产生不同的灯光效果，营造不同的舒适的视觉氛围。在控制上采用低压二次小信号控制，控制方式多、功能强、范围广，自动化程度高。其次，智能照明控制系统由于使用了自动化照明控制，智能利用光照以及通过网络，只需一台计算机就可对整个大楼的照明实现合理的能源管理自动化，不仅减少了不必要的耗电开支，同时也降低了用户的运行维护费用，在节能方面可比传统照明控制节电20％以上。另外，在智能照明控制系统中，由于可通过系统人为地设置电压限制，可以避免或降低电网电压以及浪涌电压对灯具的冲击，从而起到保护灯具，延长灯具使用寿命的作用。2设计方案论证2.1照明控制方式的选择正确的控制方式是实现舒适照明的有效手段，也是节能的有效措施。智能住宅的控制方式采用翘板开关控制方式、光控装置和智能控制器控制方式三种。翘板开关主要用于经常开启的卫生间、厨房、浴室部位，智能控制器主要用于除卫生间、厨房、浴室的整套房间的控制。2.1.1翘板开关控制方式翘板开关控制方式是以翘板开关控制一套或几套灯具的控制方式，是采用最多的控制方式。在卫生间、厨房、浴室门口设置单控开关进行控制。这种控制方式结构简单，控制方便，但也存在线路繁琐、维护量大、线路损耗多等缺点。2.1.2光控装置控制方式光电控装置采用光电探测器对照明系统进行控制。光电控制器的选择要注意光线的影响因数，如日照、天气情况，一般采用光敏电阻。光敏电阻一般在房屋的四周合理布置，尤其是对室内光线影响较大的地方，要求输出状态相对稳定，工作点漂移值小。由于采样装置对光线的反映具有一定的延迟性，当光源变化时光控输出出现不稳定性，因此应设计电压稳定、信号输出延迟电路。延迟电路采用积分电路实现，延迟翻转时间大于输入信号抖动时间，为保证第一次干扰后，延迟电路没有及时放电出现新的干扰，在第一次触发电路翻转后对翻转值进行嵌位，嵌位电平与延迟电路输出信号比较，当嵌位面向智能家居的照明系统的研究与开发3模块的输入电平低于规定值时，反馈比较电路触发电路翻转，输出控制信号控制电源。2.1.3智能控制方式在未来的住宅建设中主要应采用智能控制方式，智能控制方式是对整套房间的照明系统进行集中控制和管理，并可扩展为对整套房问内的家用电器设备进行集中控制和管理。它的功能包括照明设备组的时间程序控制、照明设备组的联动功能和家用电器设备预留扩展口。（1）照明设备组的时间程序控制将整套房间内的照明设备分为若干组别，通过时间区域程序设置菜单，来设定这些照明设备的起停程序。如卧室灯在早晨定时开启／关闭；客厅(起居厅)灯在晚上定时开启／关闭。这样，每天照明系统按计算机预先编制好的时问程序，自动的控制各个房间的照明。（2）照明设备的联动功能当整套住宅内发生事件时，需要整套系统做出相应的联动配合。当照明电源出现故障时，对照明电源进行检测，并报警显示故障位置，启动临时照明电源；当某个房间内的灯具不能正常照明时，对照明线路进行检测，并报警显示故障位置。照明设备控制系统功能如图1所示。照明设备控制系统的核心是智能控制器，控制器通过控制系统的信号对整套住宅内的线路、灯具进行控制，形成一个BAS子系统[2]。智能住宅照明与控制设计是未来建筑电气设计的主要发展方向，从以前的单纯住宅照明设计发展成符合人性化的智能建筑设计，使家的感觉更舒适、更温馨。它与传统住宅相比具有如下优点：1）达到了以“明视条件”为主的人工视觉环境；2）光效、色温、显色指数能在智能控制器控制下达到最佳效果；3）节省电能，智能控制器把不用的灯具自动关闭；通过以上几种控制方式，发现各种控制方式有不同的应用的方式，例如，翘板开关比较适用于客厅，卫生间，等一些比较经常出入，而且开关比较容易找到的房间；而光控控制开关比较适用了楼道等户外的地方，这样不会影响夜晚的户外出行于回家；智能控制模式像比较与前俩种就有更好的人性化，对于现在比较多的年轻人的而言，比较喜欢，简单且方便，看着也更加的时尚，是现在家庭照明控制方式应用最新颖的一种，它也方便了人们的卧室照明，通过人们主动的设置时间段来实现照明的自动化，方便起居生活，同时也让卧室更加的时尚，简单。传统的照明控制已跟不上潮流，失去竞争能力。例如室内原来采用的灯光控制系统产品，房间的电视、台灯、地灯、鱼缸照明、夜灯、廊灯、吧台灯等开关与床头灯调光开关由于开关较多，想开灯时必须先看清开关下面的标记才能正确开灯，有时为开一盏灯竟把所有的开关都按了一遍，使用时极为不便。现在大多数都采用微动开关轻触式集面向智能家居的照明系统的研究与开发4中控制面板。虽然较以前直观，但是开关多且固定仍不是十分方便。本人采用AT89C51单片机将原来固定的机械式开关改用遥控控制，这样一个遥控器就可以控制整个房间的灯光开启，电源控制箱可以放在床头柜内；遥控器放置在床头柜上，可以任意移动。美观且实用。从以上对智能照明控制系统的介绍，我们知道智能照明控制系统不仅可以满和实现不同的灯光效果要求，实现照明的高层次智能管理，改善工作环境，提高工作效率，还可节约能源，延长灯具寿命，减少用户维护费用。随着建筑和照明技术的进步，照明和建筑融为一体，照明已成为建筑艺术的一部分，让我们大家共同努力，将更多、更好的智能照明控制系统应用到智能建筑的设计中去，营造出艺术、智能化的光环境，赋与建筑生命。2.2室内照明控制的方案选择2.2.1室内照明系统的总体设计目标改善工作环境，提高工作效率。传统照明系统中，配有传统镇流器的日光灯以100Hz的频率闪动，这种频闪使工作人员头脑发胀、眼睛疲劳，降低了工作效率。而智能照明系统中的可调光电子镇流器则工作在很高频率(40～70kHz)不仅克服了频闪，而且消除了起辉时的亮度不稳定，在为人们提供健康、舒适环境的同时，也提高了工作效率。提高管理水平，减少维护费用。智能照明控制系统将普通照明人为的开与关转换成了智能化管理，不仅使大楼的管理者能将其高素质的管理意识运用于照明控制系统中去，而且将大大减少大楼的运行维护费用，并带来较大的投资回报。2.2.2室内照明环境设计根据行为习惯布置多控开关以往的照明控制不能充分体现使用者追求方便、舒适、灵活的要求，如今倡导“新电气时代，其宗旨就是充分体现以人为本的设计理念，让控制方式更加符台人的行为模式，因此，在设计室内照明光环境之前，应对住宅家庭成员的构成、各房闾具体位置、具体功能、室内行为模式深入研究。所以本设计根据现实需求，采用人性化的照明环境，对各个区域的照明环境做到对号入座，充分体现出人性化的照明系统。同时，采用节能灯具，在人性化的同时做到节能省源，标榜出新一代的低碳生活。2.2.3灯光遥控的方案选择目前灯光的遥控技术常采用红外线遥控、无线电遥控等，通常把发射控制元件安装在精致小巧的遥控器内，接收器安装在室内便于接收信号的部位。但使用红外线遥控必须在一定的角度、距离范围内才可以实现其功能，不便于操作，而无线电遥控不受角度与距离的影响(相对于红外线遥控)，并且可以穿透一般墙壁进行控制。在遥控器上增加面向智能家居的照明系统的研究与开发5读码的功能，即不同按键控制不同的灯，并且有调光功能，将大大增加照明光环境控制的自由度。无线电遥控要充分考虑防雷功能，使雷雨天可以照常使用。通过对俩种遥控的对比，本次设计绝对以无线电遥控为主，红外线遥控为辅的方式进行设计，对于不同的区域选择不同的遥控方式，突显本次设计的主题人性化。对于室外选择比较理想的无线电遥控，不过再设计时对防雷做了一定的处理，满足防雷的必要。室内的红外线遥控满足住户简单、快捷的照明需求，同时使整个住房显得简单、时尚。2.2.4室内智能照明系统的功能随着科技的发展，智能技术已经开始进人住宅照明领域。通过智能照明系统实现对住宅照明光环境的合理控制。智能照明突出的特点表现在：1）具有控光功能，对白炽灯、荧光灯灯光源进行控光，可记忆几十个预设置场景，满足会客、家庭聚会、看电视、阅读、娱乐等多种场景的光环境需求，家人外出时可自动模仿、记忆人在家时的照明光环境，具有场景停电记忆功能，可设多个控制回路；2）具有编程功能，可设置若干个指标控制参数；3）具有智能探测和遥控功能，通过遥控器自如地控制室内灯光的变化；4）具有智能时钟管理功能，通过预设程序，按指定的时间控制起居室的照明光环境[3]。2.3总体设计方法和步骤智能照明控制系统的设计一般都是在灯光设计和照明电气设计部分完成之后来进行的。第一步：编制照明回路负载清单。在这过程中应注意首先每条照明回路的灯具应该为同类型的灯具，这样才便于调光模块的选择和配置。而且每条照明回路的灯具控制性质应该是相同的，是普通供电或同为应急供电。其次，应核对每条照明回路的最大负载功率是否在需要选择的调光器允许的额定负载容量之内。最后，还要对一些照明回路的划分作适当的调整，使其更适合场景配置的需要，使各路灯光可组合构成一个优美的照明艺术环境。第二步：按照明回路的性能选择相关的调光器调光器是智能照明控制系统的主要部件，而对于不同类型的灯具应该选用不同适合他们的调光器。比如对于冷阴极灯(发光、霓虹、充气)，这类灯采用电压变压器工作，所以应采用前沿相控调光器。而对于包括金属卤化物灯在类的各种气体放电灯则应该选用正炫波电压调光器。第三步：按照明控制要