智能照明控制技术及发展

智能照明控制技术及发展本文对近几年来智能照明控制技术及其发展情况进行分析比较,以利于夜景规划与照明设计人员选用。前言:近几年随着科技进步及人类环保、节能观念的加强,人们对照明领域给予了比以往更多的关注,促使照明控制技术突飞猛进的发展,且其应用也日益广泛。我们目前执行的设计标准中对照明控制都有明确的规定：“建筑照明设计标准”(GB50034-2004)、“城市道路照明设计标准”(CJJ45-2006)、“智能建筑设计标准”(GB/T50314-2006)。本文对近几年来智能照明控制技术及其发展情况进行分析比较,以利于夜景规划与照明设计人员选用。一、概述智能化照明控制系统（网络化照明），它是一个集多种照明控制方式、现代数字控制技术和网络技术于一身的控制系统。常规控制中被控制对象作为过程，它总是与控制器分离的，控制器由控制工程师设计，而对象则是给定的。智能控制中，控制对象与控制器（或控制系统）不明显分离。控制器可以嵌入对象之中成为被控系统的一部分。这样它能以更为系统化的方法影响整个过程的设计。整个系统由下面三部分组成:现场控制级设备；传感器；与通信信号传输系统。以下就这三部分内容进行分析闸述。二、现场控制级设备1、现场控制设备的种类:a）智能开关/继电器b）调光器c）可调光电子镇流器d）智能灯具（光源）（带CPU）e）控制面板（带CPU）2、各种控制设备应满足下列要求：a）保护功能：光源软启动、热态自动延时启动、软关断、电源电压浪涌限制b）状态参数检测（故障检测）c）电源异常状态时启动应急照明3、调光装置a）前沿相控调光器可控硅调光器属于这一种，斩波的结果是谐波分量高、电磁干扰与射频干扰严重。b）后沿相控调光器它采用功率型MOSFE或IGPT作为开关器件，后沿斩波浪涌电流小谐波小，但控制电路较复杂、成本偏高。c）正弦波调光器现在有些厂家已生产正弦波调光器，如果输入是正弦波，输出也是正弦波的调光器。它可以驱动不同的负载：金卤灯、日光灯和其他气体放电灯。与不同阻抗特性的照明负载相匹配的调光器，见下表。照明负载输入端等效阻抗应配用调光器的类型举例略微呈电感性前沿相位控制调光器白织灯、霓虹灯、带有合适变压器的低压灯略微呈电容性后沿相位控制调光器带功率因数补偿的荧光灯和多种电子变压器纯电阻性前沿或后沿相位控制均可*后沿相控调光器不可误用于电感性负载，以免开关器件在关断瞬间受到幅值极高的反电动势的冲击。4、可调光电子镇流器它是采用调频或脉宽调制(PWM)方式，调节荧光灯灯管的输入功率，从而达到改变荧光灯输出光通的目的。目前，荧光灯可调光电子镇流器己较成熟。金卤灯的可调光电子镇流器还在发展中，目前已推出的是配陶瓷金卤灯的，功率在400W以下。三、传感器不同的控制策略采用不同的传感器。目前常用的如下：(1)时钟相当于一个时间开关。利用可预知时间表控制灯的开关。(2)光电传感器采用光电池将光信号转换为电信号，但其输出信号一般较小，必须加放大电路。可利用它来检测环境的照度或亮度，根据预先设定的照度(亮度)值来控制灯的开关。(3)人员占有传感器按感应原理可分为：a)无源红外传感器(PIR)，可探测运动的人员发出的热量(红外)变化;b)超声波传感器(ULT)，可探测由移动人员的反射产生Doppler效应引起的频率改变。c)无源红外(PIR)与超声波(ULT)结合的传感器由于PIR有死区，ULT非常敏感易受干扰，有时是将两者结合的双重技术传感器，但只让其中之一控制灯的开关,以应付事先不可预知的使用要求。目前用得较多的是这一类。四、通讯、信号传输系统它是传感器与现场控制设备之间的连接。目前智能照明控制系统中应用的有以下三大系统:1、计算机网络系统网络中各节点相互连接的方式和型式称为网络拓扑(1)网络拓扑结构及分类网络拓扑结构有：星形、总线、环形、树形、混合形等。网络系统形式按拓扑结构大致可分为：(a)集中式—星形拓扑（以中央控制节点为中心）(b)集散式—主要为星形拓扑（多层次）,以中央控制节点为中心，把分控中心连接起来，分中心再把外围节点连接起来。(c)分布式—主要为总线拓扑。在分布式系统中处于最末端的灯具既是被控对象又是控制元件，网络上传输的多是数字信号，多个节点可以共用一条物理传输介质。提高了可靠性，增加了灵活性且降低了成本。(2)通信协议过去每个设备制造厂家都有自已的通信协议，现多数认同的协议有：（a）DALI系统DALI是英文DigitalAddressableLightingInterface的缩写，意为数字式可寻址照明控制接口标准。它是一种定义了实现各种智能照明控制模块之间数字通信的接口标准。在欧洲已有多家厂商研究开发符合DALI标准的产品。DALI标准已被编入欧洲电子镇流器标准(EN60929附录E)。它支持“开放系统”的概念，不同制造厂商的产品可以互连，只要它们遵守DALI标准。DALI技术实现了采用尽量少的设备，提供高效简便操作的智能化照明控制方式，我们称其为DALI系统。DALl系统的性能(功能)价格比高于1～10V系统，低于复杂的总线系统。DALI系统可以通过DALI/1～10V转换器实现对带有1～10V接口设备的控制，并可通过网关实现与其他总线控制系统的集成(如BA系统)，故具有广泛的应用前景。（b）EIB（欧州总线）系统EIB（EuropeanInstallationBus）标准是一个开放式的系统：可以由任何人、在任何芯片或可供选择的处理平台上实现。EIB是在欧洲占主导地位的楼宇自动化（BA）和家庭自动化（HA）标准，已被美国消费电子制造商协会（CENA）吸收作为家庭网络EIA-776标准。它应用于照明、安保、HVAC、时间事件管理等家庭楼宇领域的所有分支。它具有分布性、互操性、灵活性、开放性的特点。采用EIB标准的智能化照明控制系统有许多品牌，例如：ABBi-bus系统。（c）TCP/IP（传输控制协议/网际协议）TCP/IP是一种网络通信协议，他规范了网络上的所有通信设备，尤其是一个主机与另一个主机之间的数据传输格式以及传送方式。TCP/IP是因特网的基础协议。它的核心功能是寻址和路由选择以及传输控制。在数据传送中，可以形象的理解为有两个信封：TCP和IP信封。要送递的信息被分成若干段，每一段塞入一个TCP信封，并在该信封上记录有分段号的信息，再将TCP信封塞入IP大信封里，发送到网上。在接收端，一个TCP软件包收集信封，抽出数据，按发送关的顺序还原，并加以校验，若发现差错，TCP将会要求重发。因此TCP/IP在因特网中几乎可以无差错地传送数据。对因特网用户来说，并不需要了解网络协议的整个结构，仅需了解IP的地址格式，即可与世界各地进行网络通信。TCP/IP协议组中的协议，为因特网上数据的传输提供了几乎目前上网所用到的所有服务。采用TCP/IP协议的智能照明控制系统有产品，例如：HDL-BUS世奇智能环境艺术照明控制系统。2、无线网络系统(1）GSMGSM全名为：GlobalSystemforMobileCommunications，中文为全球移动通讯系统，俗称全球通。由欧洲开发的数字移动电话网络标准，它的开发目的是让全球各地共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。GSM系统包括GSM900：900MHz、GSM1800：1800MHz及GSM-1900、1900MHz等几个频段。(2）GPRSGPRS---GeneralPacketRadioService，通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的技术。它是以“分组”的形式传送资料到用户手上。虽然GPRS是作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术，但是它在许多方面都具有显著的优势。它可以通过手机发送及接收电子邮件，在互联网上浏览等，它比WAP（手机上网协议）优越，下载资料和通话可以同时进行，声音传递用GSM，数据传输用GPRS。(3）ZigBeeZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术。它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。ZigBee技术的主要特点包括以下几个部分:*数据传输速率低*功耗低*成本低*时延短*安全*网络容量大*优良的网络拓扑能力*有效范围小：有效覆盖范围10～75米之间，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境;*工作频段灵活:使用的频段分别为2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。随着IEEE802.15.4标准的发布,世界各大无线芯片生产厂商陆续推出了支持该标淮的无线收发芯片。将ZigBee收发模块嵌入到光源电器的终端控制中,包括镇流器、人机交换设备等,构成布线成本极低,全数字无线寻址全双工通信的照明控制系统。当然也可以不改变原来的传统技术，而是将传统技术互联的节点加入ZigBee技术适配器使之成为无线组网。ZigBee技术的出现，推进了多主(每一个节点具有一定的自主智能)分布式控制系统的实用化进程。3、电力线路载波（PowerLineCommunication）它是利用现有电力线(电源线)作为传输媒介，通过载波方式高速传输模拟或数字信号，实现数据传输和信息交换的一种技术。目前适用频率范围：50KHz～200KHz。由于400V以下民用电力线路对通信而言是一个不确定、无规则、随机干扰、网络拓扑呈非标准型的通信网，增加了载波技术开发的难度。目前利用电力线载波进行通信的产品中，主要使用窄带通信和扩频通信两种方式。当信道容量一定时，信道带宽与信噪比之间存在着互换关系，增加带宽则可降低对信噪比的要求，即通过扩展信号的带宽，可有效的提高系统抗干扰的能力。随着扩频技术的成熟，其应用日益增多。国外在照明控制系统中，载波技术已有应用，国内正在研发中。我国现有的研究资料有：（a）北京交通大学电气工程学院采用PL2102电力线载波专用芯片,在研发针对中国电力网(恶劣的环境)用的，低压电力线路载波通信芯片嵌入电子镇流器—基于电力线载波的可调光电子镇流器。（b)哈尔滨工业大学徐殿国教授工作室在这方面也做了许多卓有成效的工作，己应用于“远程全数字路灯监控与管理系统”中。五、智能照明控制系统的发展方向1.现场控制设备的研制。特别是金卤灯、高压钠灯的调光、LED灯具的调光2.通信、传输系统的研究。特别是380V/220V电力线路载波技术，因它无需另布控制线、容易使用和价廉，具有发展前途。3.研制各种不同的系统，以适应不同范围、不同控制层次的需要。楼宇的灯光控制系统、景观的灯光控制系统、城市的灯光控制系统、区域的灯光控制系统等。4.智能化灯光控制与天然光控制相结合的系统。天然光是最清洁的能源、最环保的能源,以最大限度地合理利用天然光为目标的人工照明补偿控制模式,有待深入研究。5.利用现代控制理论研究照明控制策略，使其达到真正意义上的“智能”。6.图象处理技术应用于照明控制。采用CCD摄像传感器获取信息(如某个区域的照度值)，传送给图像处理控制器，控制器将获取的数值进行运算，并与设定值比较判断后输出控制指令至执行机构(开关或调光)。上世纪90年代，国外已有相关资料，我国现有的研究资料有：（a）湖南师范大学汪鲁才和湖南大学戴瑜兴教授发表的论文：基于图像处理技术的智能照明控制研究(湖南省科技厅资助项目)。由于数字信号处理(DSP)技术在数字图像的处理方面有其独特的优势，采用CCD摄像传感器比采用光电传感器，在工程布线、传感器安装上工作量小、可靠性高。六、结束语智能照明控制系统生产厂家很多,好的品牌也不少。每个品牌都有自己的特点，在确定品牌前先从以上所述的三大部份（传感器、现场控制设备、通信系统）了解分析该品牌。同时，要明确用户的使用要求：开关量控制或调光控制；一幢楼宇或一个小区或一条景观大道或城市的一