照明自動(dòng)化原理設(shè)計(jì)詳細(xì)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(qiáng)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(dòng)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(kuò)展的系統(tǒng)。
本文將對(duì)照明控制系統(tǒng)及其自動(dòng)化作簡(jiǎn)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(chǎng)所提供產(chǎn)生視覺環(huán)境所需光的同時(shí)，盡量消除不必要的能耗，即
●? 向需要光的場(chǎng)所及時(shí)提供光；
●? 向光的場(chǎng)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(jì)所需操作實(shí)現(xiàn)時(shí)的特點(diǎn)：
●? 滿足節(jié)能要求；
●? 安裝費(fèi)用降低。
原則上，這樣的系統(tǒng)應(yīng)由三個(gè)組分構(gòu)成，其中當(dāng)然包含用于傳送控制信號(hào)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(shí)際上就是1) 獲得信息， 2) 針對(duì)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(yùn)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(yùn)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(gè)帶控制站、占有傳感器，光敏調(diào)光元件和定時(shí)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(duì)照明負(fù)載實(shí)施控制。任何照明控制系統(tǒng)都須針對(duì)下述幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，它們是
● 用光場(chǎng)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(shí)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(chǎng)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(jìn)入時(shí)，控制系統(tǒng)只須自動(dòng)開啟僅進(jìn)入使用區(qū)域的燈光，而非整個(gè)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(dú)照明，則可通過個(gè)人計(jì)算機(jī)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(fèi)用節(jié)省的潛力和照明系統(tǒng)支持視覺需要的機(jī)會(huì)越大。
● 用光時(shí)間：有效的照明控制系統(tǒng)應(yīng)確保照明時(shí)間運(yùn)作的精確性，這取決于空間占用、開啟或關(guān)閉燈基于時(shí)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(cè)、環(huán)境光量閾值是否設(shè)定。前者采用定時(shí)器即可簡(jiǎn)單控制，一般，當(dāng)空間占無法預(yù)測(cè)時(shí)，可以采用空間占用傳感器檢測(cè)被監(jiān)視區(qū)域中是否有人存在并自動(dòng)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(shí)現(xiàn)用光時(shí)間的自動(dòng)控制。 確保照明系統(tǒng)精確提供用光時(shí)間可以顯著減少能源浪費(fèi)，亦即為用戶節(jié)省了費(fèi)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(dòng)范圍的中心地， 將需要適合不同活動(dòng)的各種照明水平所需的光量。同樣光量的正確控制對(duì)節(jié)能有直接貢獻(xiàn)。
●? 能耗管理：采用先進(jìn)照明控件的高級(jí)照明控制系統(tǒng)可使現(xiàn)有照明運(yùn)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(jìng)爭(zhēng)力。
●? 視覺性能：控制系統(tǒng)通過提升視覺性能，如會(huì)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(gè)人控制效能以增進(jìn)工作人員的滿意度；增強(qiáng)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(jì)算更難，但研究表明個(gè)人照明控制對(duì)提高工作人員滿意度，從而對(duì)提高生產(chǎn)力有顯著貢獻(xiàn)。
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(shí)間間隔計(jì)劃表實(shí)施照明控制的方案?？刂萍夹g(shù)則指具體執(zhí)行控制所采用的實(shí)際手段和措施。譬如，整棟大廈的集中控制系統(tǒng)與單個(gè)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(shí)間間隔管理照明的策略。間隔時(shí)間可短為幾分鐘，或長(zhǎng)至十幾小時(shí)。根據(jù)可預(yù)測(cè)發(fā)生的天文事件，如黎明、黃昏，實(shí)施照明控制亦屬于該策略。
●? 光照等級(jí)控制（Light level control）：按某種方式調(diào)整光照輸出等級(jí)以達(dá)到指定目標(biāo)的策略。輸出光照等級(jí)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(bǔ)充和替換使用。
調(diào)光：使不同活動(dòng)占用區(qū)具有適當(dāng)光照等級(jí)，通常稱作“任務(wù)調(diào)光”或“任務(wù)照明”。如單獨(dú)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(jí)更高。
維持：減少照明系統(tǒng)中初使用燈的光照等級(jí)應(yīng)，隨燈使用時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加光照等級(jí)而使光照維持均勻。
●? 負(fù)荷釋放（Load shedding）：限制照明設(shè)備高峰使用期間的負(fù)荷以達(dá)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(cè)區(qū)域是否被占用并向控制系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)信號(hào)實(shí)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(jiǎn)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(cè)接近的紅外能源，如運(yùn)動(dòng)的人體，辨認(rèn)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(hào)。為有效工作，PIR 傳感器的視野需要對(duì)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(hào)檢測(cè)空間占用的技術(shù)。傳感器向空間發(fā)射超音聲波，然后測(cè)量對(duì)象回波時(shí)間。當(dāng)空間存在運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，傳感器將接收到不同頻率的回波，籍此完成探測(cè)。當(dāng)無法提供對(duì)控制區(qū)域視野直接覆蓋時(shí)，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(shí)開關(guān)（Time switches）：顧名思義，這是一類均在指定的時(shí)間間隔后開啟或關(guān)閉光源的機(jī)械或電子裝置。通過變更設(shè)定裝置的時(shí)間間隔可適應(yīng)使用者不同需要。通常時(shí)間間隔可從5分鐘調(diào)節(jié)至長(zhǎng)達(dá)12小時(shí)。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(gè)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(shí)施人造光調(diào)控的組合技術(shù)。對(duì)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(chǎng)、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(shí)現(xiàn)預(yù)定的長(zhǎng)期控制?？刂瓢逑到y(tǒng)能從單一地點(diǎn)，按事先設(shè)定的計(jì)劃幾天、幾星期，甚至幾個(gè)月實(shí)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(gè)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(jí)，該類控制對(duì)實(shí)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(fù)荷與空間有什么特點(diǎn)？
●? 系統(tǒng)控制的目標(biāo)是什么？
●? 對(duì)建筑、能耗有何特殊需求？
●? 燈負(fù)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(gè)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(dòng)化？
四，照明自動(dòng)化設(shè)計(jì)
一般而言，照明的手動(dòng)控制系統(tǒng)指的是個(gè)人通過按鈕的切換、旋轉(zhuǎn)、撳動(dòng)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(diǎn)，但隨著照明系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，手動(dòng)控制將失去其成本上的效益。此外，不需要照明時(shí)，是否關(guān)燈完全決定于人為因素，難免浪費(fèi)電力增大能耗，照明范圍越大，問題尤其嚴(yán)重。實(shí)踐證明，手動(dòng)控制功能的自動(dòng)執(zhí)行不但能源成本顯著降低，還可提供其他好處。正因?yàn)榇?，照明自?dòng)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(xiàng)強(qiáng)制性法規(guī)。如美國(guó)能源部根據(jù)ASHRAE/IES 90.1-1999能源法規(guī)頒布的最低國(guó)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(shí)間調(diào)度裝置提供自動(dòng)關(guān)閉的功能。2005年10月加州制定的第24號(hào)法規(guī)則更嚴(yán)格。
? 圖2 美國(guó)各州執(zhí)行能源法規(guī)的地域統(tǒng)計(jì)
圖2所示為美國(guó)各州執(zhí)行能源法規(guī)的地域統(tǒng)計(jì)，由圖可知，美國(guó)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(dá)標(biāo)，美國(guó)綠色建筑委員會(huì)（U.S. Green Building Council）專門開發(fā)了一套旨在確保ASHRAE/IES 90.1-1999實(shí)施的LEED (The Leadership in Energy and Environmental Design) 綠色建筑測(cè)定系統(tǒng)(Green Building Rating System) ─ 一款第三方認(rèn)證程序以及高性能綠色建筑全國(guó)接受的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)作的基準(zhǔn)。LEED 還為建筑物的業(yè)主或營(yíng)辦商提供了可能對(duì)樓宇產(chǎn)生巨大影響的性能進(jìn)行實(shí)時(shí)可測(cè)的必需工具。在美國(guó)和世界其它許多國(guó)家中，LEED 認(rèn)證已經(jīng)是一項(xiàng)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。達(dá)到 LEED認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)也是建筑項(xiàng)目真正綠色的最明和途徑。值得強(qiáng)調(diào)的是照明自動(dòng)化正是LEED認(rèn)證的關(guān)鍵指標(biāo)之一。
下表簡(jiǎn)單列出不同控制方式、控制策略對(duì)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(duì)應(yīng)的控制行為
此乃照明自動(dòng)化設(shè)計(jì)實(shí)施的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，按一定流程即能完成照明自動(dòng)化具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)（參見本期專欄 王 江《設(shè)計(jì)照明綜合設(shè)計(jì)及應(yīng)用》）。
五，多代理程序系統(tǒng)（MAS：multi-agent system）簡(jiǎn)介
多代理程序系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，它由多個(gè)代理程序主體（agent）組成，每一個(gè)代理程序主體都是一個(gè)獨(dú)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(jì)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(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)
圖中，調(diào)光控制模塊與若干個(gè)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(gè)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(qǐng)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(cè)數(shù)據(jù)，與調(diào)光控制模塊進(jìn)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(dòng)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(hào)線控制繼電器決定電路的通斷。每個(gè)調(diào)光控制模塊都可對(duì)多個(gè)燈具進(jìn)行獨(dú)立控制，有效利用了資源。
整個(gè)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(duì)照度進(jìn)行采樣，所以使用系列中flash存儲(chǔ)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(jiǎn)單，對(duì)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(hào)系統(tǒng)級(jí) MCU 芯片，具有 32 個(gè)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(dá) 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(gè) 12 位的 DAC，可編程更新時(shí)序。64kB片上的flash 提供了可實(shí)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(kuò)的麻煩和不穩(wěn)定因素。 系統(tǒng)還提供SPI，SMBus/I2C 和兩個(gè) UART 串行接口，5 個(gè)通用的 16 位定時(shí)器，5 個(gè)具有捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列，片上看門狗定時(shí)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(jìn)行使能或禁止配置。
盡管C8051F330的 flash 存儲(chǔ)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(diǎn)。
總之，這兩款 MCU 集成了大量的模擬和數(shù)字器件，為實(shí)現(xiàn)照明自動(dòng)化所需的傳感、通訊和控制要求提供了便利，極大地簡(jiǎn)化了照明自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
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(dòng)控制多代理程序系統(tǒng)，不僅能根據(jù)用戶特定要求進(jìn)行場(chǎng)景切換，改變照度等級(jí)，還能感知工作區(qū)域內(nèi)的光照，自動(dòng)調(diào)節(jié)照明，營(yíng)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(jí)等軟、硬件構(gòu)成更詳盡的細(xì)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(zhǎng)燈具壽命，提高照明質(zhì)量的同時(shí)，為人們營(yíng)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(dòng)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(dòng)化，并對(duì)多代理程序照明自動(dòng)控制系統(tǒng)作簡(jiǎn)要介紹。