照明自動化原理設計詳細介紹

一，引言

　　電照明系統中，照明控制承擔的作用非常重要，一般均需提供如下的功能：

　　● 采用開關開啟燈和關閉各類燈光；

　　● 采用調光裝置提高和降低光輸出。

　　特別需要強調的是現今除空調系統外，照明系統的平均能耗差不多已占到總能耗的40%，所以優秀的照明控制不只以提供產生多種視覺環境的照明應用為目標，更應以節省能耗和削減成本為目標的有效控制。最近十幾年，科技日益發展，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品互用性明顯擴展的系統。

　　本文將對照明控制系統及其自動化作簡要討論。

　　二，照明控制系統

　　照明控制系統的整體目的是在向指定場所提供產生視覺環境所需光的同時，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，控制系統必須明確給出如下信息：

　　●? 正確指定系統采用的產品；

　　●? 呈示照明控制設計所需操作實現時的特點：

　　●? 滿足節能要求；

　　●? 安裝費用降低。

　　原則上，這樣的系統應由三個組分構成，其中當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? 照明控制系統的組分構成

　　可以發現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) 改變相應操作的一種裝置系統。按輸入、輸出和系統運作來看待照明控制，則可概括于下表：

表2? 照明控制系統運作的輸入、輸出關系

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

圖1? 照明控制系統示例

　　圖中照明主控制器可以是開關控制板，調光控制板或兩者的結合。 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。任何照明控制系統都須針對下述幾個方面進行設計，它們是

　　● 用光場所：控制系統通過按光源類型、方案規劃、建筑裝飾的光潔度、陳設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建控制區域，靈活正確地將光投射到需要照明的場所。顯然，被控制區域的分辨率越高，取得控制的面積越小，即控制系統可提供的精度越高。譬如，當有人在非工作期間進入時，控制系統只須自動開啟僅進入使用區域的燈光，而非整個樓層的燈光。區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節到自己偏好的狀態。總之，控制區越小，控制的分辨率、費用節省的潛力和照明系統支持視覺需要的機會越大。

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

　　● 正確的光量：控制系統根據空間執行任務的類型作出提供照明光量的正確判定。譬如，學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可使現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；餐廳及類似應用中設置情緒的照明；提高辦公室和其它工作環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，從而對提高生產力有顯著貢獻。

　　三，照明控制的策略與技術

　　控制策略和用于執行策略的控制技術不同，盡管二者緊密相關。照明控制策略通常是指用于控制照明系統的基本方案。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。控制技術則指具體執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與單個房間執行表單控制策略的技術可能完全不同。
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閉只是特定空間是否被占用的響應的策略。

　　●? 基于表單（Scheduled）的策略：一種按預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。根據可預測發生的天文事件，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）：按某種方式調整光照輸出等級以達到指定目標的策略。輸出光照等級控制還包括如下分類：

　　采光：建筑內部能接受豐富自然光的區域，人造光則作為照明的補充和替換使用。
　　調光：使不同活動占用區具有適當光照等級，通常稱作“任務調光”或“任務照明”。如單獨從事繪畫或讀書的區域比書架和收藏柜要求的光照等級更高。
　　維持：減少照明系統中初使用燈的光照等級應，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行就需依仗相應的控制技術了。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掃探需照明區域，通過占用傳感器（Occupancy sensor）檢測區域是否被占用并向控制系統發送相應信號實施照明控制策略。基于空間占用的最佳照明控制涉及空間使用的設定。如下即照明相關的技術、器件及系統的簡述：

　　●? 傳感技術和占用傳感器：

　　●? 無源紅外技術（PIR technology）：PIR 技術通過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 從而定位占用范圍，發出開啟或關閉燈的信號。為有效工作，PIR 傳感器的視野需要對控制區域直接覆蓋。

　　●? 超聲技術（Ultrasonic technology）：這是一種采用超聲多譜勒信號檢測空間占用的技術。傳感器向空間發射超音聲波，然后測量對象回波時間。當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。當無法提供對控制區域視野直接覆蓋時，該技術最理想。

　　●? 雙重技術（Dual technology）：混合應用PIR和超聲技術通稱。

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

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

　●? 控制板系統（control panel system）：采用控制板系統可實現預定的長期控制。控制板系統能從單一地點，按事先設定的計劃幾天、幾星期，甚至幾個月實施照明管理，還可與物業管理和保安系統方便協調接口。

　　●? 遙感／調光控制（Remote/dimming control）：凡個人工作區域中的用戶可根據他們具體工作配置需要的照明，選擇該控制開啟、關閉及調節照明的輸出等級，該類控制對實施任務調整特別有用。

　　控制技術的采用取決于控制策略的決定。考慮下面的問題有助于縮小選擇合適當控制策略的范圍：

　　●? 負荷與空間有什么特點？
　　●? 系統控制的目標是什么？
　　●? 對建筑、能耗有何特殊需求？
　　●? 燈負載僅僅是開關交換還是需要明暗調光？
　　●? 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值？
　　●? 需要何種程度自動化？

　　四，照明自動化設計

　　一般而言，照明的手動控制系統指的是個人通過按鈕的切換、旋轉、撳動或遙控器和其他途徑執行操作的單一開關或一組開關和調光裝置構成的系統，小規模情況下，的確具有成本低廉的優點，但隨著照明系統規模的擴大，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容之一，更應看成為一項強制性法規。如美國能源部根據ASHRAE/IES 90.1-1999能源法規頒布的最低國家能源標準，除極少例外，商業大樓中凡面積大于5，000平方英尺，照明均須配置占用傳感器和可編程時間調度裝置提供自動關閉的功能。2005年10月加州制定的第24號法規則更嚴格。

? 圖2 美國各州執行能源法規的地域統計

圖2所示為美國各州執行能源法規的地域統計，由圖可知，美國居大部分州都須執行能源法規。為滿足能源法規和達標，美國綠色建筑委員會（U.S. Green Building Council）專門開發了一套旨在確保ASHRAE/IES 90.1-1999實施的LEED (The Leadership in Energy and Environmental Design) 綠色建筑測定系統(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計、建造和運作的基準。LEED 還為建筑物的業主或營辦商提供了可能對樓宇產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 認證已經是一項公認的標準。達到 LEED認證標準也是建筑項目真正綠色的最明和途徑。值得強調的是照明自動化正是LEED認證的關鍵指標之一。

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

表3? 控制方式、控制策略和對應的控制行為

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

　　五，多代理程序系統（MAS：multi-agent system）簡介

　　多代理程序系統是一種分布式系統，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的模塊，最終的控制任務則通過模塊間互相通信協同完成。MAS為控制系統的設計提出了一種自底向上的方法，現已在眾多領域得到廣泛應用。

　　照明自動控制采用MAS構建的系統，主要由調光控制模塊，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

圖中，調光控制模塊與若干個可調光鎮流器按星型連接，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，組成局域網絡。控制面板模塊和遙控終端模塊接受用戶的請求，通過 RS-485 總線通知調光控制模塊。日光傳感器獲取所需探測數據，與調光控制模塊進行通信。調光控制模塊本身作為系統的核心模塊，根據獲得的信息決定調光動作。它一方面直接控制調光鎮流器調光，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。

　　整個系統采用Silicon Lab 公司的C8051F系列片上系統產品構建。由于調光控制模塊程序復雜，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品C8051F021。控制面板模塊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產品即可滿足要求。

　　C8051F021為一款混合信號系統級 MCU 芯片，具有 32 個數字 I/O 引腳，與高速8051兼容的 CIP-51 內核，最高主頻可達 25MIPS。C8051F021芯片內集成了12 位，100ksps 的 8 通道 ADC，并且帶 PGA(可編程增益放大器)和模擬多路開關，兩個 12 位的 DAC，可編程更新時序。64kB片上的flash 提供了可實現系統在線更新的IAP功能。加之片內含有4352（4096+256）字節RAM，省卻了RAM外擴的麻煩和不穩定因素。 系統還提供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器/定時器陣列，片上看門狗定時器，VDD 監視器和溫度傳感器等。所有的模擬和數字外設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 RAM（768 字節），I/O 引腳（17）較少，但在處理速度、非侵入系統調試和系統可編程等方面保留了C8051F021的優點。

　　總之，這兩款 MCU 集成了大量的模擬和數字器件，為實現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的設計。

　　系統中所有模塊和網絡通訊均采用隔離DC/DC模塊供電。

　　該照明自動控制多代理程序系統，不僅能根據用戶特定要求進行場景切換，改變照度等級，還能感知工作區域內的光照，自動調節照明，營造明亮舒適，并富有藝術魅力的照明環境。限于篇幅，有關系統結構、系統協議、系統升級等軟、硬件構成更詳盡的細節不再展開，下次專欄再作介紹。

　　六，結語

　　優秀的照明控制系統應能在節省人力資源，降低能源消耗，延長燈具壽命，提高照明質量的同時，為人們營造明亮舒適、并富有藝術魅力的照明環境。隨著人們生活水平的提高，高效、節能、環保、靈活、舒適和更人性化的照明自動化控制系統越來越受到廣泛關注，本文討論照明控制系統及其自動化，并對多代理程序照明自動控制系統作簡要介紹。