照明自動化原理設(shè)計詳細介紹

一，引言

　　電照明系統(tǒng)中，照明控制承擔(dān)的作用非常重要，一般均需提供如下的功能：

　　● 采用開關(guān)開啟燈和關(guān)閉各類燈光；

　　● 采用調(diào)光裝置提高和降低光輸出。

　　特別需要強調(diào)的是現(xiàn)今除空調(diào)系統(tǒng)外，照明系統(tǒng)的平均能耗差不多已占到總能耗的40%，所以優(yōu)秀的照明控制不只以提供產(chǎn)生多種視覺環(huán)境的照明應(yīng)用為目標(biāo)，更應(yīng)以節(jié)省能耗和削減成本為目標(biāo)的有效控制。最近十幾年，科技日益發(fā)展，照明控制已越來越自動化，能允許更多、 更靈活的功能整合成為更大， 更可靠。從不同制造商獲得的產(chǎn)品互用性明顯擴展的系統(tǒng)。

　　本文將對照明控制系統(tǒng)及其自動化作簡要討論。

　　二，照明控制系統(tǒng)

　　照明控制系統(tǒng)的整體目的是在向指定場所提供產(chǎn)生視覺環(huán)境所需光的同時，盡量消除不必要的能耗，即

　　●? 向需要光的場所及時提供光；

　　●? 向光的場所正確無誤提供需要的光量。

　　為此，控制系統(tǒng)必須明確給出如下信息：

　　●? 正確指定系統(tǒng)采用的產(chǎn)品；

　　●? 呈示照明控制設(shè)計所需操作實現(xiàn)時的特點：

　　●? 滿足節(jié)能要求；

　　●? 安裝費用降低。

　　原則上，這樣的系統(tǒng)應(yīng)由三個組分構(gòu)成，其中當(dāng)然包含用于傳送控制信號通信和提供電能輸送的接線連接：

表1? 照明控制系統(tǒng)的組分構(gòu)成

　　可以發(fā)現(xiàn)照明控制實際上就是1) 獲得信息， 2) 針對獲得的信息決定操作和3) 改變相應(yīng)操作的一種裝置系統(tǒng)。按輸入、輸出和系統(tǒng)運作來看待照明控制，則可概括于下表：

表2? 照明控制系統(tǒng)運作的輸入、輸出關(guān)系

　　下圖所示為照明控制系統(tǒng)示例，它是一個帶控制站、占有傳感器，光敏調(diào)光元件和定時開關(guān)或向照明主控制器提供各種輸入的集中交換系統(tǒng)的完整照明控制系統(tǒng)

圖1? 照明控制系統(tǒng)示例

　　圖中照明主控制器可以是開關(guān)控制板，調(diào)光控制板或兩者的結(jié)合。 主控制器以邏輯電路得到的各種輸出依次對照明負載實施控制。任何照明控制系統(tǒng)都須針對下述幾個方面進行設(shè)計，它們是

　　● 用光場所：控制系統(tǒng)通過按光源類型、方案規(guī)劃、建筑裝飾的光潔度、陳設(shè)物品的布置等實際情況，采用不同燈具和控制裝置以及日光的可用性來構(gòu)建控制區(qū)域，靈活正確地將光投射到需要照明的場所。顯然，被控制區(qū)域的分辨率越高，取得控制的面積越小，即控制系統(tǒng)可提供的精度越高。譬如，當(dāng)有人在非工作期間進入時，控制系統(tǒng)只須自動開啟僅進入使用區(qū)域的燈光，而非整個樓層的燈光。區(qū)域也可能比最大控制分辨率給出的更小，譬如開放式辦公室內(nèi)每位用戶的單獨照明，則可通過個人計算機或遙控器將燈光調(diào)節(jié)到自己偏好的狀態(tài)?？傊?，控制區(qū)越小，控制的分辨率、費用節(jié)省的潛力和照明系統(tǒng)支持視覺需要的機會越大。

　　● 用光時間：有效的照明控制系統(tǒng)應(yīng)確保照明時間運作的精確性，這取決于空間占用、開啟或關(guān)閉燈基于時間或閾值設(shè)定等諸多因素。如空間占用情況是否可以預(yù)測、環(huán)境光量閾值是否設(shè)定。前者采用定時器即可簡單控制，一般，當(dāng)空間占無法預(yù)測時，可以采用空間占用傳感器檢測被監(jiān)視區(qū)域中是否有人存在并自動打開和關(guān)閉區(qū)域內(nèi)的燈光；或像路燈那樣，完全可以通過設(shè)定環(huán)境光量閾值的方法實現(xiàn)用光時間的自動控制。 確保照明系統(tǒng)精確提供用光時間可以顯著減少能源浪費，亦即為用戶節(jié)省了費用。

　　● 正確的光量：控制系統(tǒng)根據(jù)空間執(zhí)行任務(wù)的類型作出提供照明光量的正確判定。譬如，學(xué)校禮堂是各種活動范圍的中心地， 將需要適合不同活動的各種照明水平所需的光量。同樣光量的正確控制對節(jié)能有直接貢獻。

　●? 能耗管理：采用先進照明控件的高級照明控制系統(tǒng)可使現(xiàn)有照明運行的能耗減少35%至50%，從而為用戶降低成本、提升盈利能力和競爭力。

　　●? 視覺性能：控制系統(tǒng)通過提升視覺性能，如會議室或體育館等共享空間的多用途照明；適合空間演變要求造成特定效果的光照；餐廳及類似應(yīng)用中設(shè)置情緒的照明；提高辦公室和其它工作環(huán)境中照明的個人控制效能以增進工作人員的滿意度；增強空間美感和想象力和防止污染最大限度地提高照明性能。視覺性能的提高往往比節(jié)能計算更難，但研究表明個人照明控制對提高工作人員滿意度，從而對提高生產(chǎn)力有顯著貢獻。

　　三，照明控制的策略與技術(shù)

　　控制策略和用于執(zhí)行策略的控制技術(shù)不同，盡管二者緊密相關(guān)。照明控制策略通常是指用于控制照明系統(tǒng)的基本方案。例如，一種稱為表單控制的策略就是按列出的時間間隔計劃表實施照明控制的方案。控制技術(shù)則指具體執(zhí)行控制所采用的實際手段和措施。譬如，整棟大廈的集中控制系統(tǒng)與單個房間執(zhí)行表單控制策略的技術(shù)可能完全不同。
照明控制策略主要包括：

　　●? 基于空間占用（Occupancy-based）的策略：一種涉及照明裝置的開啟和關(guān)閉只是特定空間是否被占用的響應(yīng)的策略。

　　●? 基于表單（Scheduled）的策略：一種按預(yù)定時間間隔管理照明的策略。間隔時間可短為幾分鐘，或長至十幾小時。根據(jù)可預(yù)測發(fā)生的天文事件，如黎明、黃昏，實施照明控制亦屬于該策略。

　　●? 光照等級控制（Light level control）：按某種方式調(diào)整光照輸出等級以達到指定目標(biāo)的策略。輸出光照等級控制還包括如下分類：

　　采光：建筑內(nèi)部能接受豐富自然光的區(qū)域，人造光則作為照明的補充和替換使用。
　　調(diào)光：使不同活動占用區(qū)具有適當(dāng)光照等級，通常稱作“任務(wù)調(diào)光”或“任務(wù)照明”。如單獨從事繪畫或讀書的區(qū)域比書架和收藏柜要求的光照等級更高。
　　維持：減少照明系統(tǒng)中初使用燈的光照等級應(yīng)，隨燈使用時間的延長逐漸增加光照等級而使光照維持均勻。

　　●? 負荷釋放（Load shedding）：限制照明設(shè)備高峰使用期間的負荷以達到整體用量減少的目的。

　　上述控制策略的具體執(zhí)行就需依仗相應(yīng)的控制技術(shù)了。原則上可以采用紅外，超聲或紅外-超聲雙重等常用傳感技術(shù)掃探需照明區(qū)域，通過占用傳感器（Occupancy sensor）檢測區(qū)域是否被占用并向控制系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)信號實施照明控制策略?；诳臻g占用的最佳照明控制涉及空間使用的設(shè)定。如下即照明相關(guān)的技術(shù)、器件及系統(tǒng)的簡述：

　　●? 傳感技術(shù)和占用傳感器：

　　●? 無源紅外技術(shù)（PIR technology）：PIR 技術(shù)通過PIR 傳感器探測接近的紅外能源，如運動的人體，辨認其與背景空間的差別并判定空間的占用狀態(tài) 從而定位占用范圍，發(fā)出開啟或關(guān)閉燈的信號。為有效工作，PIR 傳感器的視野需要對控制區(qū)域直接覆蓋。

　　●? 超聲技術(shù)（Ultrasonic technology）：這是一種采用超聲多譜勒信號檢測空間占用的技術(shù)。傳感器向空間發(fā)射超音聲波，然后測量對象回波時間。當(dāng)空間存在運動物體時，傳感器將接收到不同頻率的回波，籍此完成探測。當(dāng)無法提供對控制區(qū)域視野直接覆蓋時，該技術(shù)最理想。

　　●? 雙重技術(shù)（Dual technology）：混合應(yīng)用PIR和超聲技術(shù)通稱。

　　●? 定時開關(guān)（Time switches）：顧名思義，這是一類均在指定的時間間隔后開啟或關(guān)閉光源的機械或電子裝置。通過變更設(shè)定裝置的時間間隔可適應(yīng)使用者不同需要。通常時間間隔可從5分鐘調(diào)節(jié)至長達12小時。這類開關(guān)毋需添加接線就能直接替換常規(guī)的墻開關(guān)并與整個控制系統(tǒng)兼容。

　　●? 光敏控制（Photo-sensitive control）：這是一種通過自然光傳感，實施人造光調(diào)控的組合技術(shù)。對能采集到自然光的區(qū)域，如門廊、前庭、臨街辦公室、走廊和其他有天窗的區(qū)域，光敏控制技術(shù)是最佳選擇。此技術(shù)也理想地適用于大多數(shù)室外照明控制，如停車場、大廈入口、賓館客服區(qū)。

　●? 控制板系統(tǒng)（control panel system）：采用控制板系統(tǒng)可實現(xiàn)預(yù)定的長期控制?？刂瓢逑到y(tǒng)能從單一地點，按事先設(shè)定的計劃幾天、幾星期，甚至幾個月實施照明管理，還可與物業(yè)管理和保安系統(tǒng)方便協(xié)調(diào)接口。

　　●? 遙感／調(diào)光控制（Remote/dimming control）：凡個人工作區(qū)域中的用戶可根據(jù)他們具體工作配置需要的照明，選擇該控制開啟、關(guān)閉及調(diào)節(jié)照明的輸出等級，該類控制對實施任務(wù)調(diào)整特別有用。

　　控制技術(shù)的采用取決于控制策略的決定?？紤]下面的問題有助于縮小選擇合適當(dāng)控制策略的范圍：

　　●? 負荷與空間有什么特點？
　　●? 系統(tǒng)控制的目標(biāo)是什么？
　　●? 對建筑、能耗有何特殊需求？
　　●? 燈負載僅僅是開關(guān)交換還是需要明暗調(diào)光？
　　●? 局部控制還是集中控制，或者兩個都要？
　　●? 需要何種控制精度？
　　●? 期望性能和成本間有什么樣平衡目標(biāo)值？
　　●? 需要何種程度自動化？

　　四，照明自動化設(shè)計

　　一般而言，照明的手動控制系統(tǒng)指的是個人通過按鈕的切換、旋轉(zhuǎn)、撳動或遙控器和其他途徑執(zhí)行操作的單一開關(guān)或一組開關(guān)和調(diào)光裝置構(gòu)成的系統(tǒng)，小規(guī)模情況下，的確具有成本低廉的優(yōu)點，但隨著照明系統(tǒng)規(guī)模的擴大，手動控制將失去其成本上的效益。此外，不需要照明時，是否關(guān)燈完全決定于人為因素，難免浪費電力增大能耗，照明范圍越大，問題尤其嚴重。實踐證明，手動控制功能的自動執(zhí)行不但能源成本顯著降低，還可提供其他好處。正因為此，照明自動化不只是選擇控制策略需考慮的內(nèi)容之一，更應(yīng)看成為一項強制性法規(guī)。如美國能源部根據(jù)ASHRAE/IES 90.1-1999能源法規(guī)頒布的最低國家能源標(biāo)準(zhǔn)，除極少例外，商業(yè)大樓中凡面積大于5，000平方英尺，照明均須配置占用傳感器和可編程時間調(diào)度裝置提供自動關(guān)閉的功能。2005年10月加州制定的第24號法規(guī)則更嚴格。

? 圖2 美國各州執(zhí)行能源法規(guī)的地域統(tǒng)計

圖2所示為美國各州執(zhí)行能源法規(guī)的地域統(tǒng)計，由圖可知，美國居大部分州都須執(zhí)行能源法規(guī)。為滿足能源法規(guī)和達標(biāo)，美國綠色建筑委員會（U.S. Green Building Council）專門開發(fā)了一套旨在確保ASHRAE/IES 90.1-1999實施的LEED (The Leadership in Energy and Environmental Design) 綠色建筑測定系統(tǒng)(Green Building Rating System) ─ 一款第三方認證程序以及高性能綠色建筑全國接受的設(shè)計、建造和運作的基準(zhǔn)。LEED 還為建筑物的業(yè)主或營辦商提供了可能對樓宇產(chǎn)生巨大影響的性能進行實時可測的必需工具。在美國和世界其它許多國家中，LEED 認證已經(jīng)是一項公認的標(biāo)準(zhǔn)。達到 LEED認證標(biāo)準(zhǔn)也是建筑項目真正綠色的最明和途徑。值得強調(diào)的是照明自動化正是LEED認證的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

　　下表簡單列出不同控制方式、控制策略對應(yīng)執(zhí)行的控制行為（僅以開關(guān)切換和明暗調(diào)光為例，未考慮集中與分散控制方式）：

表3? 控制方式、控制策略和對應(yīng)的控制行為

　　此乃照明自動化設(shè)計實施的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，按一定流程即能完成照明自動化具體項目的設(shè)計（參見本期專欄 王 江《設(shè)計照明綜合設(shè)計及應(yīng)用》）。

　　五，多代理程序系統(tǒng)（MAS：multi-agent system）簡介

　　多代理程序系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，它由多個代理程序主體（agent）組成，每一個代理程序主體都是一個獨立完成特定任務(wù)的模塊，最終的控制任務(wù)則通過模塊間互相通信協(xié)同完成。MAS為控制系統(tǒng)的設(shè)計提出了一種自底向上的方法，現(xiàn)已在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　照明自動控制采用MAS構(gòu)建的系統(tǒng)，主要由調(diào)光控制模塊，繼電器控制模塊，接觸器功率模塊，日光傳感器模塊和控制面板等部分組成，如圖6。

圖6? MAS照明自動控制系統(tǒng)

圖中，調(diào)光控制模塊與若干個可調(diào)光鎮(zhèn)流器按星型連接，并與繼電器控制模塊相連。繼電器模塊分別與每個燈具的電源連接，并連接接觸器功率模塊。所有控制和傳感器模塊共享一條總線，組成局域網(wǎng)絡(luò)?？刂泼姘迥K和遙控終端模塊接受用戶的請求，通過 RS-485 總線通知調(diào)光控制模塊。日光傳感器獲取所需探測數(shù)據(jù)，與調(diào)光控制模塊進行通信。調(diào)光控制模塊本身作為系統(tǒng)的核心模塊，根據(jù)獲得的信息決定調(diào)光動作。它一方面直接控制調(diào)光鎮(zhèn)流器調(diào)光，另一方面可以通過信號線控制繼電器決定電路的通斷。每個調(diào)光控制模塊都可對多個燈具進行獨立控制，有效利用了資源。

　　整個系統(tǒng)采用Silicon Lab 公司的C8051F系列片上系統(tǒng)產(chǎn)品構(gòu)建。由于調(diào)光控制模塊程序復(fù)雜，I/O 引腳需求多，日光傳感器模塊需要精確而快速的ADC對照度進行采樣，所以使用系列中flash存儲器較大、I/O 口較多、片上資源豐富的高端產(chǎn)品C8051F021?？刂泼姘迥K和遙控終端模塊的工作較簡單，對資源的要求不很高，使用較低端的C8051F330產(chǎn)品即可滿足要求。

　　C8051F021為一款混合信號系統(tǒng)級 MCU 芯片，具有 32 個數(shù)字 I/O 引腳，與高速8051兼容的 CIP-51 內(nèi)核，最高主頻可達 25MIPS。C8051F021芯片內(nèi)集成了12 位，100ksps 的 8 通道 ADC，并且?guī)?PGA(可編程增益放大器)和模擬多路開關(guān)，兩個 12 位的 DAC，可編程更新時序。64kB片上的flash 提供了可實現(xiàn)系統(tǒng)在線更新的IAP功能。加之片內(nèi)含有4352（4096+256）字節(jié)RAM，省卻了RAM外擴的麻煩和不穩(wěn)定因素。 系統(tǒng)還提供SPI，SMBus/I2C 和兩個 UART 串行接口，5 個通用的 16 位定時器，5 個具有捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列，片上看門狗定時器，VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器等。所有的模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶進行使能或禁止配置。

　　盡管C8051F330的 flash 存儲器（8kB）和片內(nèi) RAM（768 字節(jié)），I/O 引腳（17）較少，但在處理速度、非侵入系統(tǒng)調(diào)試和系統(tǒng)可編程等方面保留了C8051F021的優(yōu)點。

　　總之，這兩款 MCU 集成了大量的模擬和數(shù)字器件，為實現(xiàn)照明自動化所需的傳感、通訊和控制要求提供了便利，極大地簡化了照明自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計。

　　系統(tǒng)中所有模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊均采用隔離DC/DC模塊供電。

　　該照明自動控制多代理程序系統(tǒng)，不僅能根據(jù)用戶特定要求進行場景切換，改變照度等級，還能感知工作區(qū)域內(nèi)的光照，自動調(diào)節(jié)照明，營造明亮舒適，并富有藝術(shù)魅力的照明環(huán)境。限于篇幅，有關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)協(xié)議、系統(tǒng)升級等軟、硬件構(gòu)成更詳盡的細節(jié)不再展開，下次專欄再作介紹。

　　六，結(jié)語

　　優(yōu)秀的照明控制系統(tǒng)應(yīng)能在節(jié)省人力資源，降低能源消耗，延長燈具壽命，提高照明質(zhì)量的同時，為人們營造明亮舒適、并富有藝術(shù)魅力的照明環(huán)境。隨著人們生活水平的提高，高效、節(jié)能、環(huán)保、靈活、舒適和更人性化的照明自動化控制系統(tǒng)越來越受到廣泛關(guān)注，本文討論照明控制系統(tǒng)及其自動化，并對多代理程序照明自動控制系統(tǒng)作簡要介紹。