發布時間：2022-04-23所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要： 照明智能控制是綠色照明的基石， 是現代照明不可缺少的核心技術之一。 文章分析了照明控制技術一百多年的發展歷程， 討論了主要照明控制網絡， 并提出了提高與推廣的方案; 文中強調了照明優化節能是核心任務，并給出了基于物聯網的道路照明優化控制思路與方案;
摘 要： 照明智能控制是綠色照明的基石， 是現代照明不可缺少的核心技術之一。 文章分析了照明控制技術一百多年的發展歷程， 討論了主要照明控制網絡， 并提出了提高與推廣的方案; 文中強調了照明優化節能是核心任務，并給出了基于物聯網的道路照明優化控制思路與方案; 本文著重闡明一種新的理念： 智能控制與固態光源聯姻，必將突破傳統的照明方法， 超越傳統照明的功能， 還提供了新型智能燈具研發方案與思路。
關鍵詞： 智能照明控制; LED; 節能照明; 照明控制網絡; 一體化燈具; 超越照明
1 引言
1879 年， 愛迪生發明了白熾燈， 人類從此進入了電氣照明的新時代， 白熾燈因此被譽為人類進入現代文明的里程碑。 正如很多史學家所認為的， 人類照明技術的發展史與人類的文明史同樣久遠。 作為照明技術重要內容之一的照明控制技術， 也同樣如此。
從愛迪生控制電燈泡的機械式電氣開關開始，照明控制技術的發展， 經歷了一個多世紀的發展，如圖 1 所示。 歷史上每一次重大的科技突破， 照明控制技術也隨之前進了一大步。 迄今為止， 照明智能控制技術的發展， 已經經歷和跨越了電氣時代、微電子時代、 計算機時代和網絡通信時代， 并度過了照明光源的幾次革命。 今天的照明智能控制技術正是與人類的光源技術、 電氣技術、 微電子技術、微機技術、 自控技術、 通信技術和網絡技術的學科交叉， 緊密結合和相互滲透的結晶。
在數碼時代、 信息社會、 網絡世界的今天， 照明智能控制技術把現代照明推向了節能化、 智能化、信息化、 人性化、 藝術化、 個性化的全新高度。 照明智能控制的重要地位， 必不可少， 已越來越受到人類的青睞。
電氣化、 自動化、 智能化是照明智能控制前進的足跡。 今后， 照明智能控制將伴隨著人類高新技術的征程， 向著智慧化的方向前進。
2 優勢與理念
照明智能控制通過節能模型控制、 智能開關、智能調光、 “軟開/軟關”、 紅外傳感器隨機實現 “人來燈亮， 人走燈滅” 或 “ 人來燈亮， 人走燈暗”， 光敏傳感器結合自然光的恒照度照明， 各種燈光場景設定， 定時、 分時與分區照明， 抵御電網波動與浪涌等一系列照明控制策略， 可實現照明節能與呵護光源[1 ～8]。 在建筑室內照明智能控制領域，照明節能率可達 15% ～75%， 延長光源壽命 2 ～4倍。 在道路照明領域， 按目前控制水平， 一般節能率約 10% ～15%， 最好的大致也能接近 30%左右。
實現室內照明的人性化、 個性化和藝術化燈光場景， 及其一鍵化的便捷控制， 以及城市夜景照明或裝飾照明的各種動態藝術燈光演示， 把人類的光環境提升到一個全新的境界。
傳統的光源， 特別是曾一度是主流照明光源的氣體放電光源， 可控性能極差， 開關次數越多壽命越短， 大范圍調光會面臨工作狀態的惡化， 功率因數補償不盡理想， 并非能夠適應與發揮智能照明控制技術的優勢， 而 LED、 OLED、 QLED 等固態光源， 沒有脆弱的燈絲或其陰極， 所具有的微秒響應時間的可控特性， 豐富的光譜， 體積與結構充分的 “柔性”， 以及能適應任意降功率或調光使用等一系列優勢， 成為了智能照明控制技術的天然配偶， 使得照明智能控制技術如虎添翼， 同時， 智能照明控制的功效提升， 又更加凸顯了 LED 等固態光源的優勢， 使其變得越發不可戰勝， 進一步鞏固和增強其成為主流照明光源的霸主地位。
今后， LED 等固態光源與照明智能控制融合，將會突破傳統的照明方法， 超越傳統照明的功能，產生史詩般的神奇功績。
推廣綠色照明， 追求節能低碳， 如果僅一味崇拜光源的發光效率， 有失偏頗。 照明智能控制自適應的優化控制， 能充分發揮照明節能的潛能， 可以把實際的照明功率密度值 LPD 降到極致， 遠低于最新照明標準制定的指標。
綜上所述， 今天， 照明智能控制的優勢已經使人類產生了新的理念。 如果忽視照明智能控制， 綠色照明事業將會停滯不前， 照明的現代化將無從談起， 照明智能控制技術已成為綠色照明的基石。
3 現狀與發展
目前， 主流的照明智能控制系統主要是總線式照明智能控制系統或網絡、 LED 城市夜景照明控制系統、 城市路燈/景觀照明無線集中監控系統和一體化的 LED 智能燈具等大類。
3.1 總線式照明控制網絡.
國內外， 總線式照明智能控制系統或網絡， 有基 于 分 布 式 控 制 總 線 DCS ( Distributed controlSystem) 原 理 和 現 場 控 制 總 線 ( Field ControlSystem) 原理的測控系統， 而目前在建筑照明領域，應用更多的是后者。
現場控制總線是一種由一系列嵌入微處理機的分布式智能控制模塊組成的控制總線， 可脫離主控設備運行， 不會因上位機故障而癱瘓， 可靠性高，是自動控制領域以數字通信替代傳統 4 ～20mA 模擬信號傳輸標準和普通開關量信號傳輸方式的新一代控制總線， 屬于全數字、 可自主運行、 串行式、 多點互聯、 可尋址、 雙向通信的智能通信測控系統。基于現場控制總線的照明智能控制系統， 遵循 ISO/OSI， TCP/IP 通信協議和 IEEE802 局域網 ( 以太網) 標準， 有與這些標準對應的開放性能、 通信帶寬、 傳輸速率、 傳輸介質和網絡拓撲， 為了有效通信， 共享介質訪問控制方式采用載波監聽多路訪問/沖突檢驗方式 (CSMA/CD)， 大多數總線式照明智能控制系統的底層遵循 IEEE802 局域網標準， 采用非屏蔽五類線， 全二線聯網， 網絡拓撲允許為總線型、 星型、 樹型， 但不可為環型。 總線傳輸速率為9暢6Kbps。 而通過網橋、 交換機， 或光纖傳輸與光纖交換機， 總線式照明智能控制系統可以擴展成中、大型的照明智能控制網絡。
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總線式照明智能控制系統所具有的開放性， 使得運用智能網關、 智能路由器、 交換機、 光纖與光纖交換機或無線基站 AP， 幾乎可以與任意不同通信協議的有線或無線通信網絡互聯， 如通過 RS485、 WLAN、Wi-Fi、 ZigBee、 DMX512、 GPRS/3G、 4G 等， 既可靈活升級或擴展成為多功能的或大型和遠程控制的開放系統， 又可實現任意地域的便攜電腦、 智能手機、 平板電腦等手持終端的無線移動式燈光場景監控。
總線式照明智能控制系統， 從上世紀 90 年代后的歷屆奧運會體育場館照明， 到大型建筑、 工礦企業、 道路照明、 城市夜景、 公共照明、 高鐵動車、家居建筑等方面已經得到了大量應用。
照明智能控制系統在多年發展過程中， 實際上已從照明控制延伸成為智能建筑、 樓宇自動化與建筑能源管理系統。 在智能家居中除燈光控制外， 還可以實施空調、 采暖、 窗簾、 天窗、 A/V 系統、 安防、 消防、 電梯等的測控管理。
事實上， 由于功能不斷擴展， 集成傳感器增多，總線式照明智能控制總線已成為物聯網的成員。
目前， 專門面向照明的總線式智能控制系統，國內 外 品 牌 繁 多[ 9 ～15]， 主 流 品 種 有： PhilipsSCENIO、 C-BUS、 Dynet、 HDL-BUS、 Lon Works、KNX EIB、 GRANDAR、 luxCONTROL、 Nico、 i-bus、Instabus、 HomeServer、 Futronix、 DALI、 Lutron、 Elighting、 ZEIOT、 HOTOP、 EC-NET、 PrecisetechNet、iisfree、 DVACO、 LIGHTSPACE 等。
但是， 迄今的總線式照明智能控制系統， 在系統設定上存在專業性太強， 編程麻煩， 成為普通用戶很難隨意調整設定的電氣系統， 難以普及[16，17]。 例如：當室內燈光場景編程設定后， 如須改變， 普通人群無能為力， 必須求助專業人士解決。 還有， 一些感應傳感器性能比較粗糙， 例如： 紅外感應傳感器僅為單物理參數鑒別， 容易產生錯判與誤動作; 照度傳感器難以實現較大范圍較準確的照度平均值測量， 難以做到照明節能的精準控制; 此外， 總線式照明智能控制系統主要是綜合布線， 安裝麻煩， 改造也較繁瑣; 還有， 如何實現真正優化控制等問題， 也需探討如何提升， 等等。 這都是對今后發展的挑戰。
3.2工業現場總線用于照明控制
原則上， 很多優秀的工業用現場控制總線 FCS，只要開發配套足夠的照明控制總線模塊， 都可用于照明智能控制， 雖價格較高， 但性能更優， 如： LonWorks 和 CAN 總線等。 LonWorks 擁有集成3 CPU 的 “神經 元 芯 片”， 并 固 化 了 開 放 式 的 通 信 協 議LonTalk， 全面支持 ISO/OSI 七層通信模型， 網絡拓撲 還 允 許 環 型， 是 真 正 的 自 由 拓 撲 ( FreeTopology)， 而且對傳輸介質適應能力很廣， 允許采用電力線， 具有自由傳輸介質 ( Free transmissionmedium) 的 優 勢， 通 信 速 率 可 達 1暢25Mbps。LonWorks 開放性強， 采用網關等網絡設備， 可輕易擴展為任意的大型網絡或無線網絡， 可實現移動監控， 遠程監控。 目前， 有的基于 LonWorks 現場總線的智能家居和照明智能控制品牌已獨占一方。
3.3 ZigBee 用于無線照明控制
ZigBee 是受到蜜蜂按 8 字翱翔采蜜與群體通信的啟迪而開發， 于 2004 年誕生， 之后協議不斷完善升級。 ZigBee 網絡物理層和媒體訪問控制層， 基于經 濟 高 效 的 IEEE802暢15暢4 標 準， 具 有 低 速 率( <250kbps)， 短距離 (一般 10 ～100m， 增大功率可達 1 ～3km)， 短時延 (節點接入只需 30ms)， 大容量 (最多 5000 節點) 的特點。 采用工業科學醫療頻 段 ISM ( Industrial， Scientific and Medical )，915MHz (美國)， 868MHz (歐洲) 和 2暢4GHz (全球)， 免執照。 網絡拓撲可為星型、 點對點、 群集或網狀 (Mesh) 等配置， 每一個 Zigbee 網絡模塊之間可相互通信， 不僅本身可以作為監控對象， 對所連接的傳感器直接進行數據采集和監控， 還可以自動中轉別的節點傳來的數據。 配合網絡協調器和路由器， 每個網絡節點的距離可以從標準的 75 米無限擴展， 類似于 GPRS/CDMA 移動網的基站， 通訊距離可從標準的 75 米到幾百米、 幾公里， 并且支持無限擴展， 覆蓋范圍廣闊[ 18]。
ZigBee 技術成本較低， 功耗較小， 使用簡便，芯片齊全， 雖然晚于 “藍牙” 短程通信技術， 卻后來居上。 目前， ZigBee 無線通信技術在軍事和工業領域已被廣泛應用， 并已成為物聯網的重要成員。在民用領域， ZigBee 也得到很多廠商的重視， 不少照明控制和智能家居品牌基于 ZigBee 技術。
ZigBee 適合低速傳輸， 數據量小， 體積緊湊，價格低廉， 覆蓋范圍大的組網需求， 對照明領域非常合適。 ZigBee 網絡可以獨立構成一種智能照明和智能家居的無線控制網絡。 LED 結構緊湊的特點，使得嵌入 ZigBee 無線接口開發 ZigBee 網絡燈具變得容易。 此外， 開發嵌入 ZigBee 無線接口的照明開關面板， 可以方便地替代原有的墻面開關， 把電氣控制的家居照明升級改造為無線智能控制， 無需改動原來的任何燈具和電源布線， 而且成本較低， 這些都應該引起照明界關注。
3.4 閃聯 (IGRS) 標準用于照明控制
閃聯-IGRS ( Intelligent Grouping and ResourceSharing) 協議標準是中國本土技術創新制定的信息設備互聯標準， 于 2003 年 7 月 17 日由 “閃聯” 標準工作組發布。 “閃聯” 是中國信息產業部牽頭，由聯想、 TCL、 康佳、 海信、 長城五家企業發起組建的聯盟。 目前， “閃聯” 的國內外成員已超過 100家， 在聯盟內部已形成了較為完整的產業鏈， 包括閃聯芯片與系列電子產品。 閃聯協議已成為智能建筑國家標準和國際標準[ 19]。
閃聯標準是建立在 TCP/IP 協議之上的應用層協議， 重點解決公共的 “連接” 問題， 設計目標是實現“3C 融合” (Communication、Computer、ConsumerElectronic-電腦、 通訊、 消費性電子產品)， “三屏共享” (電視、 手提電腦， 手機) 和 “三網融合” (電信網、 互聯網、 廣電網)。
閃聯標準可將局域網中的設備互聯拓展到廣域網(異構網)， 并可與 WSN (Wireless Sensor Network )、Zigbee、 Z-wave (丹麥 Zensys 公司發布的無線網技術)、 Wi-Fi、 3G 等通信技術的聯接和優化結合， 完美實現多網融合與應用， 包括有線與無線網。
閃聯標準的優勢是快速、 方便、 低成本、 無線通信、 自動發現、 動態組網、 資源共享和協同服務，可跨屏互動、 智能控制、 電能管理和無線辦公、 娛樂等。
閃聯標準是適合初學者使用的網絡連接工具，無需了解很多 IT 相關知識， 使用者可用 PDA 掌上電腦上網， 控制自己家中空調的開機時間， 處理照明燈光的亮、 滅、 調光與復雜的燈光場景， 也能夠使各種家電和電腦在連機范圍內， 互相識別， 實現交互通信。 例如， 符合 IGRS 規范的筆記本電腦和TV 互相發現后， 筆記本電腦即可將所擁有的多媒體數據以數據流的形式分發到 TV 上進行播放， 同時，筆記本電腦也可以接收 TV 傳來的電視節目流， 實現電視節目實時存儲。
2007 年， 國際著名照明公司飛利浦已經加盟 “閃盟”。 基于閃聯的智能家居系統， 已經被市場認可與推廣， 包括照明智能控制。 閃聯 “云服務平臺”， 可通過智能手機、 PAD 和 PC 機， 發揮智能互聯、 資源共享和協調服務的特色， 閃聯智能家居網關， 可構筑的照明控制或智能家居網絡， 所有符合IGRS 規范的各類照明控制設備和照明燈具均可接入， 組成開放性的家居信息與控制網絡， 構建節能、舒適、 安全、 便利的智能居住環境， 見圖 2。
目前， IGRS 通信已成為物聯網的重要成員， 基于閃聯的智慧家居和智慧城市的新概念正在實踐。閃聯標準的優勢將會是劃時代的， 很快將會成就 “大氣候”。 照明界應敏銳領悟機遇的來臨， 加快開發嵌入閃聯協議通信接口的各類燈具和家居產品，推動照明的智能控制， 優化控制， 使照明電能管理向高水平方向發展。
3.5LED 城市夜景照明控制系統
LED 節能低碳， 色彩豐富， 控制性能優秀， 燈具結構靈巧， 在城市夜景照明中已基本取代高耗能的泛光照明技術， 成為城市夜景照明的主流。 同時， 因為LED 城市夜景照明工程項目的個性化， 藝術創意的多樣性， 而且對三基色 LED 色彩變幻場景的要求千差萬別， 因此系統控制方案可以有更多選擇， 商業化較強也是原因之一。 近年來， 非標的 LED 城市夜景照明控制系統層出不窮， 不斷創新， 成為重要特點[20]。
各種 LED 夜景照明的智能控制系統也是基于計算機通信控制的總線或網絡， 或者是主 -從控制的分布式系統。 很多運用 TCP/IP 協議組網， 可使一個網絡同時連接更多的 LED 景觀燈具， 連接距離更長， 在通信帶寬、 控制質量和可靠性方面都能得到提高， 遠程監測和控制更為有效， 并且網絡成本較低。 遵 循 TCP/IP 通 信 協 議 標 準， 通 過 RS485、DMX512、 ZigBee、 GPRS/3G、 CAN 、 Wi-Fi 等， 采用五類線、 光纖、 無線傳輸， 或網關、 交換機或無線基站 AP， 可靈活擴展成為大型的多路的 LED 景觀照明控制系統， 構筑五彩繽紛的 LED 燈光場景。系統還可實現便攜電腦、 智能手機、 平板電腦等手持終端， 實現無線移動式燈光場景監控。
黃以華、 廖世文等人開發出一種基于 TCP/IP和 DMX512 協議的大型分布式 LED 景觀照明控制系統， 由 PC 計算機 (上位機)、 控制器、 解碼器以及LED 景觀燈具組成。 PC 機遵循 TCP/IP 協議與作為DMX512 信號發生器的 250 臺控制器通信， 每臺控制器再與三臺 DMX512 信號解碼器相連， 每臺解碼器兼做信號中繼器并與 56 個 LED 燈通信， 解碼器對 DMX512 信號進行頻率調制和信號增強， 內部含有驅動電路的 LED 燈具， 采用 PWM 實現 256 級調光， 系統采用分布式連接[ 21]。
王薇等人開發的總線式 LED 景觀照明系統， 由PC 機 (上位機)、 主控器 (下位機) 和多組三路輸出的驅動器組成， PC 機由管理軟件負責 LED 參數設置; 主控器是微處理機 LPC2119， 含有 ARM 內核， 32 位， 64 個通用 I/O， 可脫機運行， 通過光隔離控制， 形成 LED 白、 紅、 黃、 淺藍、 綠、 橙、 粉紅等七種顏色以及跑、 跳、 亮、 閃、 淡入、 淡出等變化。 通過現場總線 CAN， 可擴展成較大網絡[22]。
陸杭等人的 LED 景觀照明系統， 由上位機控制軟件集中處理， 并通過互聯網和 3G/GPRS， 與場景控制器通信， 場景控制器再通過 ZigBee 無線網實現各路 LED 照明單元的光強及色彩變化， 采用輪詢機制實時采集 LED 照明單元的狀態， 實現與廣播幀同步的 LED 多彩照明場景轉換[ 23]。
丁國超等人開發的基于可編程片上系統 SOPC(System-on-a-Programmable-Chip) 的 256 色 LED 景觀燈控 制 系 統， 系 統 下 層 設 計 了 可 重 用 IP 核(Intellectual Property core) 的片上系統、 MP3 播放器和 FAT (File Allocation Table) 文件系統， 通過上層軟件完成按照燈具及其布燈的燈光場景數據編制，經過仿真和預覽等步驟后， 再下載數據到控制系統中實現對 LED 景觀燈具的控制[ 24]。
近些年來， 中國 LED 景觀照明智能控制系統的開發與應用， 百花齊放， 推陳出新， 呈現出一派興旺景象。 但是， 這些 LED 景觀照明智能控制系統，基本未涉及到本身運行參數監測和故障報警的功能，作為智能系統， 的確存在重要缺陷。 而遠程的城市景觀照明集中監控系統， 對這種燈具數量龐大而又極其分散的 LED 景觀照明系統， 難以解決現場參數監測和故障報警。 然而， 在目前的城市夜景照明中，高故障率、 低可靠性的問題屢屢出現。 LED 景觀照明燈光演示， 因故障時而發生的混亂景象， 已成為城市夜景環境中的敗筆。 因此， 今后， LED 景觀照明智能控制系統實現智能化的運行參數監測和故障報警， 應該是主要研究課題之一。 3暢6 城市路燈/景觀照明無線集中監控系統。——論文作者：梁人杰
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