（物理电子学专业论文）办公室照明的智能控制技术和策略研究.pdf

论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名：日期： 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：导师签名：日期： 鸯织里太乎昕。竹占晒敷 摘要 本文首先回顾了照明控制技术的智能化发展历史，总结和归纳了照明控制系 统的一般控制策略优缺点和适用场合，包括基于自然光反馈、时间表以及作业面 恒照度等几种主要控制策略，并介绍了照明控制系统的基本结构和组成方式等。 本文第二部分简要分析了办公室照明的质量要求，从国标推荐的照度指标、 照度均匀度、反射系数、显色性和色温、以及眩光问题等方面阐述了视觉作业任 务的理想照明需求以及推荐的照明方法等。 本文的重点在第三部分的三个实际的照明控制系统的设计和应用实践案例 分析。依次详细介绍了集散式和分布式照明控制系统的设计思想，a s c i i 文本通 讯协议的设计实现方法，镇流器的调光输出的线性化补偿控制算法的实现，图形 化的多线程通讯和控制软件的开发，串口菜单的监控方式的开发，在应用可编程 技术的实现方法，调光场景的动态渐变技巧，m o d b u s 协议的特点以及在嵌入式 平台上的实现方法，适合人眼亮度适应特性的调光指数补偿输出算法的实现，基 于日光反馈和基于作业面恒照度的调光控制策略的理论和实践分析。结果表明， 基于自然光的动态感应调光控制策略能够基本满足室内照度的设计指标，采用硬 件光隔设计以及软件数字滤波等方法能够提高系统的抗干扰能力和稳定性，这在 实际的工程应用中显得尤为重要。 本文的第四部分包括了对z i g b e e 无线传感器网络通讯技术的介绍和原型试 验的总结报告。分析了z i g b e e 技术在照明控制系统中的两种应用方式，即嵌入 式整合应用和适配器式应用方式。 本文的第五部分是关于嵌入式实时操作系统u c o s - i i 在c 8 0 5 1 f 0 2 1 平台上 的移植的技术报告。详细阐述了u c o s i i 的特点，移植注意事项和开发方法等。 本文探讨了照明控制技术在办公室照明空间中的应用方法和控制策略的适 应性研究。无论调光系统的通讯信道是无线还是有线方式，基于视觉作业照度需 求的调光控制策略思想是不变的，那就是强调“以人为本”的设计思想，保证和 提高视觉作业主体的工作效率和舒适度评价。在满足这一点的同时，适当考虑系 统的“节能”约束条件，形成系统照明效果的最优化解决方案。 关键词：照明控制，智能控制，控制策略，日光感应，z i g b e e ，r t o s ，u c o s i i 顿星大学孵枇洲近罂 a b s t r a c t t h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to fl i g h t i n gc o n t r o lt e c h n o l o g yw a sf i r s t l y i n t r o d u c e d ，w i t ha ne m p h a s i so ft h ea p p l i c a t i o na n di m p l e m e n t a t i o no f v a r i o u sf i e l d b u st e c h n o l o g y t h ep r o sa n dc o n so ft h eg e n e r a ll i g h t i n g c o n t r o ls t r a t e g yw e r et h e na n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h o s em a i n s t r e a mc o n t r o l s t r a t e g yb a s e do nt h ei n p u to fn a t u r a l1i g h t ，t i m i n ga n dm a i n t a i n i n ga c o n s t a n ti l l u m i n a n c ev a l u eo v e rt h ev i s u a lt a s kp l a n e t h eb a s i cs t r u c t u r e ， c o m p o s i t i o n ，a n dc o m p o n e n t so ft y p i c a l1 i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mw a sa l s o s t u d i e d t h e nt h eq u a l i t yd e m a n do f o f f i c el i g h t i n ga p p l i c a t i o nw a ss t u d i e d ， i n c l u d i n gt h er e c o m m e n d e dn a t i o n a ls t a n d a r do fi l l a m i n a n e ev a l u e ，t h e e v e n n e s so fi l l u m i n a n c e ，r e f l e c t i v ei n d e x ，c o l o rr e n d e r i n gi n d e xa n d c o l o rt e m p e r a t u r e ，a sw e l la st h eg l a r ei s s u e t h em a i np a r tc o v e r st h r e er e a lc a s es t u d yo ft h el i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m s w h i c hw ed e s i g n e d t h ed e s i g n i n gc r i t e r i ab e i n gd i s t r i b u t e doi n t e g r a t e d ， c o m m u n i c a t i o nm e t h o du s i n gp l a i na s c i ic o d e t h ei m p l e m e n t a t i o no f d i m m a b l eb a l l a s to u t p u tc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m , t h ed e v e l o p m e n to fa w i n d o w sb a s e dm u l t i t h r e a dd r i v e nc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c es o f t w a r e u a i 订 b a s e dm e n ut e c h n o l o g y ，i na p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gt e c h n i q u e ，d y n a m i c f a d e i na n df a d e o u tt e c h n o l o g y ，t h es t u d ya n di m p l e m e n t a t i o no fm o d b u s p r o t o c o l ，h u m a n - e y e - a d a p t i v ed i m m i n gc o n t r o la l g o r i t h m , t h ed a y l i g h t f e e d b a c kd i m m i n gc o n t r o lm e t h o d a sw e l la st h ec o n s t a n t - i l l u m i n a n c e c o n t r o lm e t h o dw e r er e s p e c t i v e l ye l a b o r a t e d t h er e s u l ts h o w st h a t ，t h e d a y l i g h tf e e d b a c kd i m m i n gc o n t r o lm e t h o dc a nm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t ， w h il eo p t o e l e c t r o n i cc o u p li n gt e c h n i q u ec o m b i n e dw i t hs o f t w a r eb a s e d d i g i t a lf i l t e r i n gt e c h n i q u eh e l pt oi m p r o v et h es y s t e m ss t a b i l i t ya n d n o i s ei m m u n i t y ，w h i c hs e r v ea so n eo ft h em o s tc r i t i c a lf a c t o r si n e n g i n e e r i n gp r o j e c t s t h ef o u r t hp a r to ft h ep a p e ri sab r i e ft e c h n i c a lr e p o r to ft h es t u d yo f 5 - 梗舅太擎博学。仙驯。勰 z i g b e ew i r e l e s ss e n s o rl o c a ln e t w o r kt e c h n o l o g y ，r e l e v a n te x p e r i m e n t s ， a n di t sp o s s i b l ea p p l i c a t i o ni nl i g h t i n gc o n t r o ls o l u t i o n ，i n c l u d i n gt h e i n t e g r a t e dc o - d e s i g na n dc e r t a i na d a p t e r s t h el a s tp a r td i s c u s s e dt h ep o r t i n gt e c h n i q u ea n dc o n c e r no fu c o s i i ， ar e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m , t oc 8 0 5 1 f 0 2 1 t h ep r o p e ri m p l e m e n t a t i o no fl i g h t i n gc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dr e l e v a n t c o n t r o ls t r a t e g yw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r n om a t t e rh o wt h ec o n t r o l s i g n a li st r a n s m i t t e d ，b eb yw i r eo rw i r e l e s s ，t h ei l l u m i n a n c er e q u i r e m e n t o ft h eg i v e nv i s u a lt a s kp l a n es h o u l da l w a y sb eg i v e np r i o rc o n s i d e r a t i o n d u r i n gd e s i g n i n gp r o c e s s ，w h i c hc o n f o r m st ot h ei d e ao fh u m a n o r i e n t e d d e s i g n ，e n s u r i n ga n de n h a n c i n gt h ep r o d u c t i v i t ya n dt h ef e e l i n g o fc o m f o r t o fo c c u p a n t sw i t h i nag i v e nl i g h t i n gs p a c e t h es e c o n dc o n c e r ns h o u l dg o t ot h ee n e r g y - s a v i n gp e r f o r m a n c e a n dt h e s et w of a c t o r sw i l ld o m i n a t et h e u l t i m a t eo p t i m u ml i g h t i n gc o n t r o ls o l u t i o n k e y w o r d ：l i g h t i n gc o n t r o l ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ， c o n t r o ls t r a t e g y ， d a y l i g h t i n gf e e d b a c k ，z i g b e e ，r t o s 。u c o s i i - 6 绣舅太攀 衅们占洲。删 第一章照明控制技术的智能化发展 1 1 照明控制系统的发展历程 1 1 1 照明控制系统的作用 “智能照明”概念的产生源于对照明系统的“节能”需求和对照明质量提出 的更人性化的要求。理想的照明解决方案不仅要求能为人们的工作，学习，生活 提供良好的视觉作业条件，以满足人们对照明的心理和生理需求，而且要做到充 分利用能源和节约能源。照明控制系统的作用如下： 1 改善视觉作业环境，提高工作效率 传统的电感镇流器的荧光灯工作时以l o o h z 的频率闪动，易使工作人员头脑 发胀、眼睛疲劳，降低了工作效率。而智能照明系统中采用的可调光电子镇流器 则工作在4 0 k 到7 0 1 d t z 的高频，不仅克服了频闪的负面影响，而且一定程度上提 高了荧光灯的光效。 人体功效学的研究表明，高色温的照明更有利于人们保持长时间的注意力集 中状态，而低色温的照明有助于人们放松身心。高照度的照明能够影响和抑制褪 黑激素的分泌，这能够帮助工作者保持头脑清晰不犯困。针对不同视觉对象的要 求，照明控制系统采用不同色温的光源的组合搭配完成照明任务，从而进一步提 高了工作效率和生活质量。 2 实现照明控制的智能化 采用智能照明控制系统，可以使照明系统工作在全自动状态，系统将按先设 定的若干基本状态进行工作，这些状态会按预先设定的时间相互自动地切换。此 外，智能照明可将照度自动调整到工作最合适的水平。 3 营造美学艺术效果 通过照明控制可以对建筑空间中的色彩、明暗的分布进行协调组合来创造出 不同的意境和效果，满足不同使用功能的灯光需求，营造良好的光环境。它能帮 助照明设计师充分体现其艺术才能。 4 节能 节能使当今世界最为重要的议题之一。1 9 9 4 年我国也开始组织制定了中国 的绿色照明工程计划。 照明节能一般有三种途径：一是采用高光效的光源进行照明实现节能；二是 梗里太茅 提高灯具的出射效率实现节能；三是利用照明控制系统，在满足照明需求的前提 下合理分配和管理人造光源的功耗，利用自然光源资源，实现节能。 5 延长电光源的使用寿命 智能照明控制系统中采用的电子镇流器能够对光源实旖多种保护性措施，诸 如余热启动，初始照度补偿，灯电流电压实时监测，灯故障检测报告等等。对于 荧光灯来说，灯丝的预热启动降低了阴极溅射的负面影响，一定程度上延长了灯 管的寿命；对于热辐射光源来说，软启动加电压的动作能够降低启动瞬间电压对 灯丝的冲击，从而延长了灯丝的使用寿命。 6 方面安装、维护和管理 目前的照明控制系统一般都采用总线式结构，设计和布线简单快速。对于系 统的维护，大多有专业的监控软件，对于回路的开灯状况，都可以得到及时的反 馈，节约了人工费。尤其是当空间的功能发生变更时，一般无需变更配线，只要 重新进行场景的设置即可，这样就便于大空间的任意分割，降低整体成本。 1 1 2 照明控制系统的发展 1 手动控制 最初阶段是手动控制：即利用开关等元器件，以最简单的手动操作来启动和 关闭照明电器，从而满足照明的要求，达到控制的目的。此时照明的控制仅停留 在让使用者有需要时手动开启照明电器，不能自动开启和关闭它。 2 自动控制 伴随着电器技术的发展，照明控制进入了自动控制阶段，它的特征是以光、 电、声等技术来控制灯具自动控制方式的缺点是与人的互动较少，局限于单个 或单组灯具的控制，难以完成网络化的监控任务。 3 智能化控制 智能化照明控制系统以计算机和网络技术为核心，利用微处理器技术和存储 技术，将来自传感器的关于建筑物照明状况的信息进行处理后，通过一定的程序 指令控制照明电路中的设备，调用不同的程序，执行不同的功能，就可以有不同 的照明水平，营造出不同的氛围和环境。 智能化照明控制系统是全数字、模块化、分布式的控制系统。整个系统由管 理模块、调光模块、探测模块、操作模块等各种功能模块组成。每个模块中含有 微处理器存储器，也可仅含存储器，系统的每个功能都储存于某个模块中。而系 统网络连接只需通过总线相连，它可以是一般的五类双绞线，或是通过在载波方 梗旦大茅懒呲蝴凇 式调制在电力线上，或是通过无线网络方式进行通讯。图卜1 就是一种总线式智 能照明控制系统的简单示意图。 沙 圆圆 矽毯 圆圆 图卜1 总线式智能照明控制系统示意图 沙吣 圆圆 智能照明控制技术经历了从模拟到数字化的转变。模拟技术的典型控制方式 是1 - 1 0 v 电压调光接口，而数字控制方案的代表是d a l i 技术。d a l i 协议首先存 欧洲提出。1 9 9 1 年，奥地利电子镇流器公司t r i d o n i c 和其它电子镇流器公司提 出了数字串行接口( d i g i t a l s e r i a li n t e r f a c e ) 。1 9 9 8 年欧洲照明设备生产协 会提出了数字可寻址照明接口d a l i ( d i g i t a la d d r e s s a b l el i g h t i n gi n t e r f a c e ) 方案。在国际电工协会( i e c ) 促进会的帮助下，d a l l 协议得到较快的发展。在美 国，国家电气生产委员会控制协会作为i e c 的联系者，在2 0 0 0 年成立了d a l l 委 员会，请求北美照明工程协会( i e s n a ) 控制协会讨论d a l i 协议提案。为了保证各 厂商的d a l l 组件之间完全兼容，在2 0 0 2 年夏，d a l i 正式被i e c 采用，d a l i 协 议被世界标准化，定为i e c 9 2 9 标准的附录e g ，这就建立了在全世界销售和使 用d a l i 组件的基础，而无需考虑厂商、国家；或技术上的不兼容。世界上各大 著名的照明设备生产商都支持这个标准。 德国电子电气生产协会( z v e i ) 成立了一个贸易协会：a g - d a l i ，目的是为了 促进d l i 协议和相关产品的推广和普及。到2 0 0 4 年2 月，a g - d a l i 共有3 2 个 棋旦大擎 成员，包括德国的o s r a m ；荷兰的p h i l i p sl i g h t i n g ；奥地利的t r i d o n i c 等。 d s i 协议d i g i t a ls e r i a li n t e r f a c e ( 数字串行接口) 代表了一种精确、 抗干扰、公认的控制技术。d s i 协议由锐高( t r i d o n i c a t c o ) 公司于1 9 9 1 年制 定。世界上众多厂商都在使用d s i 协议来控制他们的设备。d s i 已成为业界公认 的标准。d s i 信号用于在d s i 控制模块与数字式可调光控制装置之间的通讯。它 由8 位数据信息组成，通过2 根数据线进行通讯，数据传输速率是1 2 0 0 波特 秒，它能够提供精确的数字化调光控制效果。d s i 协议是d a l i 协议的基础。 每个d a l i 控制系统的控制范围可达3 0 0 m ( 最大2 5 0 m a 的驱动电流，2 v 的线 路压降) ，每个d a l i 控制接口可用于一个中等规模的建筑物内。d a l i 是一种双 线控制系统，可控制1 6 组，每组最多6 4 个电子镇流器。每组电子镇流器可以在 现场由控制装置加以设置，可在不用继电器的情况下完成对灯照明和调光的控 制，并且灯的工作状态可以存储在控制电路中。 通过网关，d a l i 可以非常方面地和现有的总线控制系统结合在一起，如e i b 、 l o n 和e t h e r n e t ，即通过网关构成控制范围更广的楼宇自动化控制系统。表1 - 1 给出了三种调光方式的比较。 性铑 控制电控糊信控制信号极 荧光囔了启 可分别 2 2 0 娃 动后亮度调光特性调光范围电褫电压 类塑缆可性要求寻址 处于0 控制 数字曼 镇魄器内 d a u溅黼 无是 指教1 1 0 0 可开关切 编码换控刳 数字曼镇流器内 d s i燃黼 无否指教 i 1 0 0 可开关切 3 一i 0 0 编码换控制 i - 1 0 vi i 0 0 由调光控 她3 一1 0 0 制器控制 1 1 0 v缴 有否否 线性 5 一i 0 0 1 0 一i 0 0 2 0 一i 0 0 表卜1 三种调光方式的比较 黪顿要太学婚铆鸭占洲。船 1 1 3 现场总线技术在照明控制系统中的应用 现场总线技术是2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的一种先进的工业现场控制技 术。它集数字通信、智能仪表、微机技术、网络技术等于一身，从更本上突破了 传统的“点对点”式的模拟信号或是数字一模拟信号控制的局限性，为真正的“分 散式控制，集中式管理”提供了技术保证。在传统的过程控制系统中，设备与控 制器之间总要通过点对点的物理连接以及标准模拟信号传递信息。这样不仅投资 大，而且具有控制精度低、抗干扰能力差、信号传输距离短、信息无法共享等缺 点。2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的d c s 机三十控制系统虽然解决了点对点控制 的诸多弊端，但其采用的i l o 控制站模块又带来了组态不灵活、数据无法分级共 享等弊端。而现场总线技术却能够很好地克服这些不利因素。它具有现场通讯功 能、现场设备互连、互操作性优良、分散的功能模块、开放式互联网络等特点， 不仅可以保证目前工业控制对数字通讯的要求，而且使其与i n t e r n e t 网络的互 联成为了可能。 现场总线控制系统实际上是自动化控制领域的计算机局域网络，在现场总线 上的每一个节点就是一个智能化的现场设备。它具有计算机网络的两个特点：一 是网络上传输的信号都是数字信号；二是多个节点可以共用一条传输物理介质， 传输信号的数字化使得校验和纠错变得益于实现，提高了信息传输的可靠性，而 传输介质的共享降低了系统互连的成本。 目前比较有影响的现场总线技术有p r o f i b u s 、c a n 总线、l o n w o r k s 、 c o n t r o l n e t 、c c - l i n k 、消费电子总线c e b u s 、欧洲安装总线e i b 、x - 1 0 协议、 建筑物自动化控制网络b a c n e t 、家庭总线系统( h b s ) 等等。 这些现场总线网络在照明控制工程中都有各种层次的应用。它们成熟的通讯 协议，供电方式，布线维护方法等有利于照明控制系统的部署和调试。但是这些 现场总线网络大多存在着通讯协议复杂，维护成本高，需要专用的通讯接口，组 网价格高等问题。由于各种网络协议之间互不兼容，方案众多，使得系统集成的 难度和成本相对较高。 1 2 照明控制系统的一般控制策略 照明控制系统的设计目标是为了帮助照明设计师实现他们的设计初衷。所以 照明控制策略也是应当是为照明对象服务的。 攫舅大孽鸭占蝴黜 1 2 1 自然光反馈控制策略 研究发现人对照明光源的使用周期和室内的自然采光的水平有着密切的联 系，因此，照明控制可以采用“自然光控制”的策略。自然光照明控制器由光敏 传感器、开关或调光装置组成，随外界自然采光的变化，自动控制室内光源的亮 暗和开关。当自然光的照度增加时，关闭一定量的电灯，或调低室内光源的亮度， 反之亦然。自然光控制系统通常用于办公建筑、机场、集市和大型廉价商场等场 所。 由于外界自然光的变换错综复杂，且常常夹杂着人为的干扰或瞬时突变的情 况，所以自然光控制策略的要点是必须正确识别自然光变化的长期趋势，例如可 以对照度的时变信号加以低通滤波器或限幅滤波器进行处理，避免出现控制动作 的频繁震荡以及过多的误动作。另一个要点是控制的整体性。由于基于自然光的 响应控制对室内照度的梯度变化不加以细致区分，所以一般对人造光源的控制一 般优先采用一致的算法，即进行整体的调亮调暗和开关动作，目的是为了简化控 制成本和降低室内照度的不均匀性。 这种算法的缺点在于系统的整体节能效果未做到最优化，照度变化已出现阶 跃性跳变等问题。 1 2 2 时间控制策略 对于每天的作息时间和内容基本不变的场所，可采用时间控制策略。这种控 制策略通过定时控制方式来满足活动要求，适用于普通的办公室、按时营业的百 货商场、餐厅或者按时上下班的厂房。 以办公室照明控制为例：每天8 点开始将光源调至8 嘴，表示一天工作时间 的开始，在中午1 2 点将光源关闭，表示午休的开始，同时也达到了一定的节能 目的，在下午1 点3 0 分，将光源打开，调至1 0 0 ，利用高照度照明降低员工犯 困的几率，在下班时刻将光源调至4 0 0 5 左右，即转换到清扫模式，实现照明功能 性转换，在晚间将光源彻底关闭，实现自动化管理。 时间控制策略的实现方式是采用实时时钟：签片。单机实时时钟管理的技术难 度并不高，然而网络化的统一控制存在着一个时钟通调的问题，一般采用定时同 步的方式协调各个模块和节点各自的时钟，通过基于时问排序的事件管理模式发 送和接收控制信息。 时问控制策略的优点是有利于规则的工作表管理，有利于人对于工作和休息 稷曼大攀 蚺铆船删鲥避恐 时间的把握和适应。但是单纯的时间控制策略的问题也是显而易见的：它的控制 方式的互动性和灵活性较差，不能很好地适应和感知作为主体的人的行为和需 求。基于工作表的控制比较机械，一般更适合一些功能性比较特殊的场合。 1 2 3 局部恒照度控制策略 局部恒照度控制策略的设计思路是最大程度地保持主要视觉作业面的照度 不变。考虑到个人的视觉能力差异较为显著，如老年人和年轻人对亮度的感受差 异很大，而不同的视觉作业要求也不尽相同，所以局部照明标准的制定主要是迎 合多数人满意的照度水平，但是也可以根据工作者的个人偏好等来调整设计照度 水平。 局部恒照度的控制策略更适合教室和办公室等一些功能性照明场合。恒照度 控制策略的核心是感知作业面的照明情况，间接地利用自然光的照明，动态调整 人造光源的亮暗和开关，在满足视觉作业基本要求的前提下实现节能。 这种算法的难点在于照度传感器的位置选取和照度传递分析算法。 照度传感器的安装是一个有争议的课题。 l u x m a t e 的系统将传感器面向窗户，优先感知外界自然光的变化情况。在控 制室内人造光源的亮暗时考虑了照度的梯度变化，但是这种室内照度的梯度关系 模型比较简单，有时不能很好地描述实际的照明分布情况，所以相应的控制效果 和理想模型有一定距离。 澳大利亚邦奇公司的日光传感器的一般安装方式是位于室内天花板顶上，需 要注意避免直射阳光或是人造光源的影响。通过灰度滤镜减弱环境光的方向性影 响，传感器感知到的是自然光源和人造光源在室内共同作用后的综合性照明效 果。传感器的数据通过总线共享给决策模块，从而实现反馈控制动作。这种传感 器的设计方式忽略了室内照度梯度的影响，由于它感受的是照度变化的平均值， 所以相应的控制方法也是整体一致的调光动作，这种调光控制策略在节能指标和 视觉作业舒适度等方面还有潜力可挖。 笔者认为，基于恒照度控制策略的照度传感器应当优先安装在视觉作业面的 正上方，同时必须避开直射的自然光源和人造光源的干扰，这样才能最大程度上 保证其感受到作业面的照明情况。然后结合相应的设计经验和现场校正实验，建 立视觉作业面照度变化情况和传感器感知的照度数据之间的函数关系，记录自然 光源变化时反映在传感器数据上的影响，以及人造光源的调光控制反映在传感器 数据上的变化，结合室内照明传递的相应模型，做出调光控制的决策动作。 橇旦大莩恻托懈础 根据锐高公司做的一项统计调查表明，在一个办公室采用不同的照明策略， 所带来的节能效果也不尽相同，如表1 - 2 所示。 照明策略 电黪镇流器( 固定输出型) 高频电子镇流器 固定输出型) 调光式高频电子镇流器( 手动调光) 调光式高频电子镇流器( 来人探测+ 手动调光) 调光式高频电子镇流器( 日光控制调光) 调光式高频电子镇流器( 日光控制调光+ 来人探测+ 手动调光) 消耗电量 + 3 0 1 0 0 i - 2 5 - 5 0 i h 6 0 一7 5 表卜2 办公室采用不同的照明策略后节能百分比 1 3 智能照明控制系统的一般组成方式 智能照明控制系统通常由调光模块、开关模块、控制面板、液晶显示触摸屏、 智能传感器、编程插口、时钟管理器、手持式编程器、监控软件( 网桥) 等部件 构成。 图l - 2 为邦奇公司照明控制网络的系统结构框图。它将上述各种具备独立功 能的控制模块或部件用一条五类数据通讯线( 四对双绞线) 按手牵手菊花链方式 连接起来，形成一个d y n e t 控制网络。 穆须爹大学 “患掣“ 柏 s 删p h 瑚 s o p p 叶 图卜2 邦奇公司照明控制网络的系统结构框图 1 3 1 人机界面 人机界面一般包括翘板式开关、轻触式按键、控制面板、遥控器、触摸屏等 方法。 翘板式开关是市场上最常见的传统灯具控制开关，功能简单，相对成本低廉， 款式多样，通常串接在强电回路中，通过直接切断市电的供电来实现对灯具的开 关控制。这种人机控制方法比较简单实用，但是用户得到的反馈信息较差，不利 于故障诊断，难以满足高级控制需求。 轻触式按键一般不直接参与通断强电回路，通常产生一个逻辑触发信号，间 接产生一个控制请求，优点在于布线要求相对较低，一般串接在弱电回路中，安 装维护和使用来的更为安全和方便，寿命相对更长。轻触式的操作包括短按、长 按、连续双击等方式。通常短按的效果是阶跃性调光变化，长按的效果是自动渐 变调光，双击动作对应开关操作。 控制面板一般用于中高级照明控制场合。它提供了场景切换，手动辅助控制 等功能，高档的控制面板还具有若干指示功能，用来表征当前回路的调光情况和 袒舅文学船驯甜鼎 开关情况，或显示当前照明场景的功能和状态。l u x m a t e 系统中的控制面板支持 现场调整场景回路状态的功能，这不仅大大降低了调试和维护工作的难度，而且 能够更好地满足用户的多种功能性要求，也扩大了产品的应用范围。一般公司的 控制面板的场景设定功能需借助专用的编程器才能完成。不同功能的场景照明对 应不同的场景选择按键，为了实现低成本的解决方案，一般可采用半定制的方法 定义场景按键的显示内容，以达到最大的灵活性和便利性。 如果追求更多的功能扩展和互动性更好的人机界面，那么触摸屏的方案是最 合适的。触摸屏的实现一般采用嵌入式系统解决方案，例如在流行的a r m 9 芯片 为核心的硬件平台上移植以w i n d o w sc e 为代表的嵌入式操作系统，在这个平台 上进行相关的高级应用开发。w i n d o w sc e 是一种界面优秀、开发方便的实时操 作系统，通过p l a t f o r mb u i l d e r 开发工具可方便地生成特定硬件平台上所需的 移植版本。m i c r o s o f t 公司提供了e m b e d d e dv i s u a lc + + 和e m b e d d e dv i s u a l b a s i c 等跨平台高级开发工具，为实现嵌入式平台上的各种应用提供了极大的便 利，大大降低了开发的难度。触摸屏方案的成本相对较高，开发工作量相对较大， 所以产品定位一般较高，适合一些高档商务和多功能应用的场合。借助于嵌入式 平台优秀的设计性能，触摸屏方案还可以方便地实现无线手持应用等多种先进的 的控制方式。 1 3 2 调光镇流器 在照明控制系统中，可调光电子镇流器是整个控制系统的执行元件，也是技 术含量较高的部件之一。 电子镇流器实质上是一个将低频交流电压转换为高频交流电压的电源变换 器。其基本原理是：5 0 h z 6 0 h z 的交流电压经过射频干扰( p f i ) 电磁干扰( 阴i ) 滤波器，全桥整流器和无源或有源功率因数校正器后变为直流电压，通过d c a c 变换器，输出2 0 7 0 1 d l z 高频交流电压，加到与灯管连接的l c 串联谐振电路上， 高频谐振电感l 与灯线串联，谐振电容与灯管并联或者谐振电容与灯管串联，产 生很高的谐振电压，加热灯丝，并给灯管提供高压，迫使灯管放电，进入气体发 光工作状态。 电子镇流器与电感镇流器相比自身节电1 娟左右；在输入功率相同的情况下， 电子镇流器的光效可提高1 3 。 对于白炽灯和卤素灯，一般用相控调光技术。即采用双向可控硅通过控制导 通角的方式调节光源的输入平均功率。这种调光方法技术上比较成熟，但存在着 黪顿要大挚毪占；勰 电磁干扰较大的弊病。 对于荧光灯进行连续调光，也可采用可控硅技术，但是这种调光方式的调节 范围有限，而且在调光过程中灯管容易出现闪烁和熄弧现象，降低灯管的寿命， 不推荐长时间使用。对于荧光灯的调光一般采用基于调频、调相或p 州技术的电 子镇流器。调相技术是i r 公司的专利，它通过调节灯管的电压和电流的相位来 实现对灯功率的控制，易于做到对灯输出的线性控制，调光特性较好。 荧光灯的调光镇流器一般采用专用的a s i c 芯片或微控制器为核心的解决方 案。 采用a s i c 芯片( 如i r 2 1 5 9 2 ) 的方案所需的外围分立元件较少，有些：笛片 甚至集成了从p f c 到p w m 控制以及半桥驱动和灯电流电压监控等在内的几乎功 能，这种解决方案有利于产品成本的控制和性能的统调。一般采用这种芯片的控 制接口是模拟电压，即i - i o v 的直流电压信号控制调光的程度。l o v 电压对应1 0 0 的调光值，而1 v 电压一般对应1 0 ，3 或1 的调光值。低调光值下的灯管较难 以稳定工作，所以能够做到调光至1 的电子镇流器较少，成本较高。实验证明， 低调光值的实际照明意义不大，一般在低于一定的调光域值后建议彻底关断荧光 灯，已进一步节能和保护灯管。 d a m 数控镇流器的调光方式有所不同，它通过关断内部的功率输出达到“关 灯”的效果，实际上在灯管熄灭的时候镇流器并未被切断供电，而是处于待机并 监听网络的状态。 模拟电压控制的方法有诸多的弊端，比如长距离的线路损耗使得调光电压有 所跌落，易造成灯组群控的不一致性，模拟电压的控制线路有严格的极性之分， 这大大增加了调光控制布线的难度，模拟电压的回路控制缺乏必要的灵活性，一 旦在施工阶段布线完成，日后在使用过程中几乎不可能再进行重新分组编排，以 回路为单位的控制方式难以精确到单灯，且无法对单灯的本地状态进行监控和反 馈，只能实现单向的控制。 以微控制器m c u 为核心的电子镇流器具有更为灵活的设计方式和通讯接口。 采用具有硬件p w m 输出模块的m c u 能够将软件开销做到最小，d a l i 协议的解析 也可以方便地通过软件实现。f r e e s c a l e 和a t m e l 公司最近推出了单片m c u 的电 子镇流器解决方案，为低成本的调光镇流器方案提供了多种选择。使用m c u 的 好处是系统具备多种通讯接口的选择，易于实现更高级的自动控制算法，易于实 现镇流器的智能化。 采用m c u 的电子镇流器方案通常可实现对人眼亮度特性的补偿调光算法。由于人 眼对亮度的感觉呈近似对数特性，所以在调光的过程中应当对输出功率进行指数 梗旦大孽昕桃础 补偿，才能让使用者感觉到线性的亮度变化，有效提高使用者的舒适度。补偿算 法的实现应当采用模型加实验验证的方法，将符合典型人眼调光特性的补偿函数 关系存储在f l a s h 中，根据系统的输入调光要求实时算出符合视觉特性的实际调 光值来控制灯管的输出。 1 3 3 传感器 在整个照明控制网络的构成中，传感器对系统照明控制策略的实现起了极为 重要的作用。在照明控制系统中主要采用以下一些传感器：时钟控制器，人员动 静探测器，红外遥控传感器，声控传感器，光敏传感器等。 时钟控制器实际上是一个实时时钟，一般由r e a lt i m ec l o c k 芯片实现。它 一般通过网络为系统提供时钟参考信号，决策模块利用时钟信号产生基于时间的 控制事件，展开各种控制应用。 人员动静探测器通过探测人的活动产生如下功能：当有人进入特定照明区域 时，开启照明系统；当特定照明区域内有人的存在和活动时，保持照明系统的开 起状态，当该区域内无人时，关闭照明系统。 通常人员动静探测器都采用以下几种技术： 1 ) 无源红外探测器( p a s s i v ei n f r a r e d ，简称p i r ) 将探头置于特殊的红外透镜的后面，其最大灵敏度为波长9 4 微米处，即对 应人体能量的峰值处，通过探测人的运动发出的能量变化而产生信号。为了避免 错误信号，一般设有一定的时间延迟功能。图卜3 给出了一个锐高公司的p i r 来 人探测器。 图1 - - 3 锐高公司的一种p i r 来人探测器 2 ) 超声波探测器( u l t r a s o n i c ，简称u l t ) 这种探头发射和接收由室内表面反射的超声波信号( 频率范围为2 5 “4 0 k h z ) ， 当室内有物体移动时会导致反射频率的改变，由此来探测运动。 稷旦太擎旧孕嘶仙洲嘣船 3 ) 采用双重技术( d u a lt e c h n o l o g y ) 将p i r 和u l t 相结合，只有两种探测器都探测到有人进入时才开启照明系统， 只有一种探测器探测到运动就会保持照明系统，当各种探测器都探测不到运动才 关闭照明系统，这样可以减少误操作的几率。 在传感器上还可以配上反射镜来实现来人探测域的扩大和聚焦。 红外遥控传感器通常由红外遥控器和红外信号的接收器一红外探头组成。 通过操作遥控器将不同功能的用户请求编码成为红外信号，当红外探头接收解码 后向照明系统传递信号，进行控制和灯光场景切换等动作。一般需要实现进行场 景参数的预设。 声控传感器利用驻极体话筒将声音信号转为电信号，当音量超过一定值时就 会开启灯光回路，并且随着声信号的消失，加一定延时后关闭灯光回路。 光敏传感器根据环境灯光的变化，采用光敏器件将可见光转化为电信号，从 而控制照明系统来保证得到作业面的照度控制在一定范围内。当作业面的照度与 预设值不符合时，就会开启或者关断照明系统，来维持合适的照度值。图1 - 4 给 出了l u m a t e 公司的一种日光传感器的示意图。 1 3 4 窗帘控制器 图卜4l u x m a t e 公司的一种日光传感器 窗帘控制器一般指的是电动百叶窗或电动卷帘窗等。 对百叶窗的控制分为高度控制和叶片控制两部分。一般的解决方案是采用直 流或交流电机。由于叶片的反转角度和整个页面的高度都是通过电机拖动实现控 制的，而电机的旋转是匀速的，所以对叶片的角度和页面高度控制可转换为对电 机旋转的时间控制。由于这种控制是单向的，缺乏必要的位置反馈，所以需要在 安装现场进行最后的微调。一般的电动窗帘通过上下限的行程开关限制电机的非 法动作，这进一步保证了电动窗帘的正常运行。 通过对窗帘的控制可以调节自然光的采光和降低阳光的直射眩光等问题，特 别是办公室、会议室等一些对眩光比较敏感的照明区域，对窗帘的同步控制也成 为照明场景转换的重要部分之一。 顿里太擎孵乍。僦州嘣础 1 4 网络化的照明控制系统 传统的灯光控制只是机械式地直接开关，不存在控制流。网络化的照明控制 系统一般由控制总线和供电总线组成。从结构上可分为中央集中控制式，集散型 控制系统和分布式控制系统等。 智能照明控制系统按网络的拓扑结构分，大致有以下两种形式，即总线式和 以星形结构为主的混合式。这两种形式各有特色：总线式灵活性较强一些，易于 扩充，控制相对独立，成本较低；混合式可靠性较高一些，故障的诊断和排除简 单，存取协议简单，传输速率较高。 中央集中式照明控制系统：系统所有的功能都由中央控制器进行集中控制， 如果中央控制器发生故障，则整个系统瘫痪。由于对中控器的依赖过多，系统的 信号处理能力有限。中央集中控制系统适用于规模较小，分布区域不大的场合。 图卜5 为中央集中控制系统结构示意图。 出叫! ：! ：竺i 变 甲甲甲娥： 攘 翻 鬻 一 图卜5 中央集中控制系统结构示意图 集散式照明控制系统：拓扑结构呈树状，底层设备向上一层设备输出控制信 号，或接受上一层的命令进行局部控制。主控机具有综合处理功能，控制和协调 整个系统。缺点在于子系统仍然是中央式集中式系统，可靠性不高，不够经济。 图1 - 6 为集散控制系统示意图。 靛钥蔹竣负载控制罄模块控射模块 - 2 0 梗舅大茅 图卜6 集散控制系统示意图。 分布式照明控制系统：将总系统的功能分散，即把信息处理和“智能”由主 机分散到各个设备或子系统，使得系统各个节点具有一定的自助管理能力。“功 能分布”是分布式系统的主要特征( 见图卜7 ) 。