應(yīng)用于辦公領(lǐng)域的智能照明控制系統(tǒng)

從簡(jiǎn)單的手動(dòng)控制開關(guān)到智能自動(dòng)化環(huán)境的照明市場(chǎng)的變化為照明的工業(yè)控制帶來了根本性的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的傳感器和分布式微控制器的集成使用是改造和新設(shè)計(jì)的當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)。 通過為照明控制市場(chǎng)儲(chǔ)備專用微控制器和傳感器來實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)開發(fā)。其中包括適用于板級(jí)和基于FPGA的解決方案的完整硬件和軟件開發(fā)環(huán)境。

什么是照明自動(dòng)化？

大多數(shù)照明自動(dòng)化都是針對(duì)工業(yè)園區(qū)和高層辦公樓。主要控制是設(shè)置燈的ON/OFF狀態(tài)。最初控制是手動(dòng)的 - 當(dāng)你進(jìn)入一個(gè)房間時(shí)，你會(huì)打開燈，然后在你離開時(shí)將它們關(guān)閉，除了一些關(guān)鍵區(qū)域，為了安全起見，燈總是打開。 20世紀(jì)80年代早期的主要進(jìn)步是運(yùn)動(dòng)傳感器，它通過使用簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)探測(cè)器來判斷是否有人進(jìn)入房間，將ON/OFF功能改為“免提”功能，在這種情況下它會(huì)打開燈。這種簡(jiǎn)單的技術(shù)現(xiàn)已過濾掉，是輕型交通區(qū)域住宅建筑的安裝/建筑“代碼”要求。

照明自動(dòng)化現(xiàn)在有許多功能需要管理，因?yàn)橛卸喾N類型的照明（白熾燈，CFL，LED，OLED）。管理功能包括狀態(tài)，狀態(tài)（ON，OFF，dim），更換和維修的生命周期，房間的電源管理，傳感器反饋，功率調(diào)整（停電，掉電，減載，峰值使用控制），與HVAC的集成，以及與事件和安全控制集成。為了與這些自動(dòng)化系統(tǒng)連接，照明需要智能 - 來自嵌入式控制器和傳感器的分布式信息，這些信息通過有線和無線網(wǎng)絡(luò)與集中式管理中心通信。現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)中照明控制的關(guān)鍵是在整體能源使用和照明交付計(jì)劃的背景下對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行被動(dòng)/非侵入式監(jiān)控和主動(dòng)管理。

照明自動(dòng)化還包括傳統(tǒng)的DMX512接口舞臺(tái)和演示照明控制系統(tǒng)。這是一種常見的固定電壓互操作照明控制標(biāo)準(zhǔn)，可讓節(jié)目指導(dǎo)時(shí)序，移動(dòng)，亮度和顏色控制，以實(shí)現(xiàn)2軸和3軸性能/演示照明。 DMX512標(biāo)準(zhǔn)定義了照明控制可能的通信協(xié)議，命令和操作。由于該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間，因此STMicroelectronics（STEVAL-ILL030V1）提供的演示和評(píng)估板允許系統(tǒng)開發(fā)人員在安裝之前創(chuàng)建程序并使用照明裝置對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。該板使用ARM?32位Cortex-M3TM微控制器; MCU通過RS-485收發(fā)器和USB接口進(jìn)行通信，并具有STCS1A LED驅(qū)動(dòng)器。

最常見的照明自動(dòng)化控制方法涉及使用運(yùn)動(dòng)傳感器來管理燈的ON/OFF狀態(tài)。有兩種主要類型的運(yùn)動(dòng)傳感器：被動(dòng)紅外型（稱為MP型傳感器）和區(qū)域反射型（稱為MA型傳感器）。松下電工提供的幾種MP和MA傳感器系統(tǒng)的示例如圖1所示。

圖1：MP和MA運(yùn)動(dòng)傳感器。 （由Panasonic Electric Works提供）

MP運(yùn)動(dòng)傳感器通過檢測(cè)某個(gè)區(qū)域是否存在人員來工作。傳感器測(cè)量當(dāng)人體溫相對(duì)于周圍環(huán)境“移動(dòng)”時(shí)區(qū)域內(nèi)的紅外線量的變化。這些傳感器不發(fā)射任何紅外光;相反，他們會(huì)看到觀察路徑中的紅外能量。結(jié)果，它們具有非常寬的視角并且不依賴于距離。完整的MP傳感器系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

圖2：MP運(yùn)動(dòng)傳感器框圖。 （由Panasonic Electric Works提供）

MA傳感器通過發(fā)送紅外光束并測(cè)量返回的反射光量來工作。傳感器控制一個(gè)開關(guān)，確定某物何時(shí)進(jìn)入給定的距離范圍內(nèi)。他們無法區(qū)分人和可能進(jìn)入感應(yīng)區(qū)域的其他物體，只有某些東西進(jìn)入該區(qū)域并且是紅外反射的。完整的MA傳感器系統(tǒng)的操作框圖如圖3所示。

圖3：MA運(yùn)動(dòng)傳感器框圖。 （由Panasonic Electric Works提供）

MP和MA傳感器在設(shè)計(jì)上與工廠自動(dòng)化（FA）傳感器分開，有兩個(gè)約束條件。 FA傳感器放置在已知的良好控制的光照條件下，使得紅外探測(cè)器在操作時(shí)不必處理大范圍的信號(hào)。由于操作范圍縮小，這些傳感器具有更高的靈敏度和更短的響應(yīng)時(shí)間。它們還暴露于更大量的背景電噪聲，因此具有更高的噪聲抑制規(guī)格。

用于照明控制的FA傳感器的使用數(shù)量非常大。圖4顯示了運(yùn)動(dòng)控制傳感器可以放置在住宅安裝中的典型位置，而圖5顯示了運(yùn)動(dòng)控制傳感器可以放置在商業(yè)設(shè)施中的典型位置。隨著傳感器的數(shù)量和種類繁多，與設(shè)備的通信非常重要。新系統(tǒng)不僅監(jiān)控這些傳感器的狀態(tài)（開/關(guān)），而且還提供自適應(yīng)控制模式所需的數(shù)據(jù)，通過智能照明管理進(jìn)一步降低能耗。

圖4：住宅運(yùn)動(dòng)傳感應(yīng)用。 （由Panasonic Electric Works提供）

圖5：商業(yè)運(yùn)動(dòng)傳感應(yīng)用。 （由Panasonic Electric Works提供）

一個(gè)更高級(jí)的例子 - 假設(shè)有一個(gè)基于微控制器的系統(tǒng)和一個(gè)中央數(shù)據(jù)分析/存儲(chǔ) - 是辦公室的主動(dòng)照明結(jié)構(gòu)。假設(shè)辦公室和會(huì)議室有窗戶，百葉窗，燈，HVAC控制，溫度傳感器，運(yùn)動(dòng)傳感器和計(jì)算機(jī)化的會(huì)議室調(diào)度系統(tǒng)，智能自動(dòng)化系統(tǒng)可以執(zhí)行以下操作：

識(shí)別

在預(yù)定時(shí)間和會(huì)議期間，關(guān)閉/關(guān)閉辦公室暖通空調(diào)的阻尼器會(huì)議的持續(xù)時(shí)間，以降低供暖/制冷成本。

當(dāng)該人離開辦公室時(shí)，關(guān)燈，并根據(jù)一天中的時(shí)間和一年中的季節(jié)，打開/關(guān)閉百葉窗允許自然采光和加熱/冷卻以支撐房間。

根據(jù)預(yù)定的會(huì)議，平衡會(huì)議室溫度以確定與會(huì)者的數(shù)量，并根據(jù)之前的房間使用進(jìn)行調(diào)整。

檢測(cè)人員何時(shí)出現(xiàn)并合并調(diào)整會(huì)議室燈光（ON/OFF/Dim）控制百葉窗。如果激活了下拉屏幕，請(qǐng)相應(yīng)調(diào)整百葉窗。當(dāng)屏幕完全展開時(shí)，將燈光設(shè)置為房間的預(yù)定“昏暗”模式。

會(huì)議結(jié)束后，等待運(yùn)動(dòng)傳感器指示人員已經(jīng)離開，然后恢復(fù)房間到了初始狀態(tài)。

這種情景的一個(gè)重要方面是與房間照明相關(guān)的環(huán)境管理。目前的熒光燈照明是開放式辦公空間環(huán)境中產(chǎn)生的大約一半熱量的原因。出于這個(gè)原因，在冬天，燈更長(zhǎng)時(shí)間以降低加熱區(qū)域的成本。然而，在溫暖的季節(jié)，照明產(chǎn)生和損失的熱量會(huì)產(chǎn)生大量的冷卻能量消耗。熒光燈，鎮(zhèn)流器和它們的CFL等效物也具有適度短的壽命。這些技術(shù)不能很好地適應(yīng)調(diào)光，房間照明的調(diào)整是“整數(shù)”單位的燈 - 兩個(gè)帶兩個(gè)開關(guān)的燈只給你四種可能的照明組合。

隨著LED照明進(jìn)入辦公室和住宅照明空間，燈的溫度管理和周圍環(huán)境對(duì)其可用性是不可或缺的。 “線性和接口選擇指南”中的溫度傳感器有三種輸出類型：如果超過閾值電平，則為簡(jiǎn)單邏輯1/0;與溫度有關(guān)的模擬電壓輸出;以及與溫度有關(guān)的串行數(shù)字碼流。

用于LED燈具，更簡(jiǎn)單的基于閾值的溫度傳感器，如ADI公司的ADT6501（見圖6），用于指示燈模塊需要斷電或調(diào)光。最簡(jiǎn)單的模塊調(diào)光方法包括MCU控制的脈沖寬度調(diào)制（PWM）?？梢赃\(yùn)行此循環(huán)來調(diào)整PWM的占空比，直到溫度傳感器指示它可以安全運(yùn)行，或者它可以關(guān)閉燈，直到溫度傳感器復(fù)位。

圖6：基于模擬器件閾值的溫度傳感器。 （由Analog Devices，Inc。提供）

模擬輸出設(shè)備，如Microchip Technologies的MCP9700低功耗線性有源熱敏電阻?，具有跟蹤環(huán)境溫度的輸出。對(duì)于每個(gè)器件，電壓輸出引腳可以直接連接到微控制器的ADC輸入。 MCP9700上的溫度系數(shù)可以進(jìn)行調(diào)整，以便為8位ADC提供1°C/位分辨率。這使得設(shè)備能夠在燈打開/關(guān)閉，百葉窗打開或關(guān)閉以及進(jìn)出房間的人員的情況下保持對(duì)室溫的主動(dòng)跟蹤。其他器件集成了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，并將串行比特流直接發(fā)送到微控制器。

由于典型的控制環(huán)境具有許多傳感器輸入，這需要多個(gè)數(shù)據(jù)通道和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，因此大量的照明自動(dòng)化系統(tǒng)正在集成到FPGA中。 FPGA可以集成集成微控制器（ARM，MIPS等），甚至可以允許多個(gè)獨(dú)立且相關(guān)的內(nèi)核存在于一個(gè)芯片中。在當(dāng)前的Xilinx和Altera FPGA上使用模擬接口簡(jiǎn)化了環(huán)境控制系統(tǒng)的分區(qū)，這些系統(tǒng)要求照明由一個(gè)有源組件處理。

這些控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素是電源管理。雖然傳感器是獨(dú)立的電路元件，但它們需要集成到閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中。控制系統(tǒng)最終與可能在3伏到480伏之間工作的系統(tǒng)連接。因此，有必要監(jiān)控電力的可用性，以實(shí)現(xiàn)照明和HVAC控制。由于照明需要有功功率并且在備用系統(tǒng)上操作是昂貴的，因此希望包括自動(dòng)化物流，例如在停電和停電期間自動(dòng)控制窗戶和天窗百葉窗。諸如ADI公司AD5601單芯片nanoDAC?（見圖7）等器件可用于監(jiān)控可用功率。這些器件具有內(nèi)部控制邏輯，可通過欠壓檢測(cè)電路確保上電復(fù)位（POR）至零電壓。微控制器可以檢測(cè)該模塊的輸出，以識(shí)別掉電情況并相應(yīng)地調(diào)整發(fā)光。

圖7：ADI公司AD5601單芯片nanoDAC框圖。 （由Analog Devices提供）

所有這些自動(dòng)化控制都需要傳感器，控制系統(tǒng)和多個(gè)微控制器之間的通信。由于大多數(shù)工業(yè)環(huán)境都是改裝環(huán)境，因此照明和HVAC系統(tǒng)不需要接線即可進(jìn)行控制。為了使傳感器和控制數(shù)據(jù)遠(yuǎn)離正常的IT系統(tǒng)，這些組通常不使用無線通信協(xié)議。相反，他們傾向于使用電力線調(diào)制解調(diào)器，在現(xiàn)有電力線上放置包含數(shù)據(jù)的載波信號(hào);或者他們可以使用以太網(wǎng)供電（PoE），它通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線提供電源。雖然大多數(shù)工程師都聽說過電力線調(diào)制解調(diào)器并了解他們的通信方式，但PoE系統(tǒng)是新的。