照明自动化原理设计详细介绍
一，引言
电照明系统中，照明控制承担的作用非常重要，一般均需提供如下的功能：
● 采用开关开启灯和关闭各类灯光；
● 采用调光装置提高和降低光输出。
特别需要强调的是现今除空调系统外，照明系统的平均能耗差不多已占到总能耗的40%，所以优秀的照明控制不只以提供产生多种视觉环境的照明应用为目标，更应以节省能耗和削减成本为目标的有效控制。最近十几年，科技日益发展，照明控制已越来越自动化，能允许更多、 更灵活的功能整合成为更大， 更可靠。从不同制造商获得的产品互用性明显扩展的系统。
本文将对照明控制系统及其自动化作简要讨论。
二，照明控制系统
照明控制系统的整体目的是在向指定场所提供产生视觉环境所需光的同时，尽量消除不必要的能耗，即
● 向需要光的场所及时提供光；
● 向光的场所正确无误提供需要的光量。
为此，控制系统必须明确给出如下信息：
● 正确指定系统采用的产品；
● 呈示照明控制设计所需操作实现时的特点：
● 满足节能要求；
● 安装费用降低。
原则上，这样的系统应由三个组分构成，其中当然包含用于传送控制信号通信和提供电能输送的接线连接：
表1 照明控制系统的组分构成
可以发现照明控制实际上就是1) 获得信息， 2) 针对获得的信息决定操作和3) 改变相应操作的一种装置系统。按输入、输出和系统运作来看待照明控制，则可概括于下表：
表2 照明控制系统运作的输入、输出关系
下图所示为照明控制系统示例，它是一个带控制站、占有传感器，光敏调光元件和定时开关或向照明主控制器提供各种输入的集中交换系统的完整照明控制系统
图1 照明控制系统示例
图中照明主控制器可以是开关控制板，调光控制板或两者的结合。 主控制器以逻辑电路得到的各种输出依次对照明负载实施控制。任何照明控制系统都须针对下述几个方面进行设计，它们是
● 用光场所：控制系统通过按光源类型、方案规划、建筑装饰的光洁度、陈设物品的布置等实际情况，采用不同灯具和控制装置以及日光的可用性来构建控制区域，灵活正确地将光投射到需要照明的场所。显然，被控制区域的分辨率越高，取得控制的面积越小，即控制系统可提供的精度越高。譬如，当有人在非工作期间进入时，控制系统只须自动开启仅进入使用区域的灯光，而非整个楼层的灯光。区域也可能比最大控制分辨率给出的更小，譬如开放式办公室内每位用户的单独照明，则可通过个人计算机或遥控器将灯光调节到自己偏好的状态。总之，控制区越小，控制的分辨率、费用节省的潜力和照明系统支持视觉需要的机会越大。
● 用光时间：有效的照明控制系统应确保照明时间运作的精确性，这取决于空间占用、开启或关闭灯基于时间或阈值设定等诸多因素。如空间占用情况是否可以预测、环境光量阈值是否设定。前者采用定时器即可简单控制，一般，当空间占无法预测时，可以采用空间占用传感器检测被监视区域中是否有人存在并自动打开和关闭区域内的灯光；或像路灯那样，完全可以通过设定环境光量阈值的方法实现用光时间的自动控制。 确保照明系统精确提供用光时间可以显著减少能源浪费，亦即为用户节省了费用。
● 正确的光量：控制系统根据空间执行任务的类型作出提供照明光量的正确判定。譬如，学校礼堂是各种活动范围的中心地， 将需要适合不同活动的各种照明水平所需的光量。同样光量的正确控制对节能有直接贡献。
● 能耗管理：采用先进照明控件的高级照明控制系统可使现有照明运行的能耗减少35%至50%，从而为用户降低成本、提升盈利能力和竞争力。
● 视觉性能：控制系统通过提升视觉性能，如会议室或体育馆等共享空间的多用途照明；适合空间演变要求造成特定效果的光照；餐厅及类似应用中设置情绪的照明；提高办公室和其它工作环境中照明的个人控制效能以增进工作人员的满意度；增强空间美感和想象力和防止污染最大限度地提高照明性能。视觉性能的提高往往比节能计算更难，但研究表明个人照明控制对提高工作人员满意度，从而对提高生产力有显著贡献。
三，照明控制的策略与技术
控制策略和用于执行策略的控制技术不同，尽管二者紧密相关。照明控制策略通常是指用于控制照明系统的基本方案。例如，一种称为表单控制的策略就是按列出的时间间隔计划表实施照明控制的方案。控制技术则指具体执行控制所采用的实际手段和措施。譬如，整栋大厦的集中控制系统与单个房间执行表单控制策略的技术可能完全不同。
照明控制策略主要包括：
● 基于空间占用（Occupancy-based）的策略：一种涉及照明装置的开启和关闭只是特定空间是否被占用的响应的策略。
● 基于表单（Scheduled）的策略：一种按预定时间间隔管理照明的策略。间隔时间可短为几分钟，或长至十几小时。根据可预测发生的天文事件，如黎明、黄昏，实施照明控制亦属于该策略。
● 光照等级控制（Light level control）：按某种方式调整光照输出等级以达到指定目标的策略。输出光照等级控制还包括如下分类：
采光：建筑内部能接受丰富自然光的区域，人造光则作为照明的补充和替换使用。
调光：使不同活动占用区具有适当光照等级，通常称作“任务调光”或“任务照明”。如单独从事绘画或读书的区域比书架和收藏柜要求的光照等级更高。
维持：减少照明系统中初使用灯的光照等级应，随灯使用时间的延长逐渐增加光照等级而使光照维持均匀。
● 负荷释放（Load shedding）：限制照明设备高峰使用期间的负荷以达到整体用量减少的目的。
上述控制策略的具体执行就需依仗相应的控制技术了。原则上可以采用红外，超声或红外-超声双重等常用传感技术扫探需照明区域，通过占用传感器（Occupancy sensor）检测区域是否被占用并向控制系统发送相应信号实施照明控制策略。基于空间占用的最佳照明控制涉及空间使用的设定。如下即照明相关的技术、器件及系统的简述：
● 传感技术和占用传感器：
● 无源红外技术（PIR technology）：PIR 技术通过PIR 传感器探测接近的红外能源，如运动的人体，辨认其与背景空间的差别并判定空间的占用状态 从而定位占用范围，发出开启或关闭灯的信号。为有效工作，PIR 传感器的视野需要对控制区域直接覆盖。
● 超声技术（Ultrasonic technology）：这是一种采用超声多谱勒信号检测空间占用的技术。传感器向空间发射超音声波，然后测量对象回波时间。当空间存在运动物体时，传感器将接收到不同频率的回波，籍此完成探测。当无法提供对控制区域视野直接覆盖时，该技术最理想。
● 双重技术（Dual technology）：混合应用PIR和超声技术通称。
● 定时开关（Time switches）：顾名思义，这是一类均在指定的时间间隔后开启或关闭光源的机械或电子装置。通过变更设定装置的时间间隔可适应使用者不同需要。通常时间间隔可从5分钟调节至长达12小时。这类开关毋需添加接线就能直接替换常规的墙开关并与整个控制系统兼容。
● 光敏控制（Photo-sensitive control）：这是一种通过自然光传感，实施人造光调控的组合技术。对能采集到自然光的区域，如门廊、前庭、临街办公室、走廊和其他有天窗的区域，光敏控制技术是最佳选择。此技术也理想地适用于大多数室外照明控制，如停车场、大厦入口、宾馆客服区。
● 控制板系统（control panel system）：采用控制板系统可实现预定的长期控制。控制板系统能从单一地点，按事先设定的计划几天、几星期，甚至几个月实施照明管理，还可与物业管理和保安系统方便协调接口。
● 遥感／调光控制（Remote/dimming control）：凡个人工作区域中的用户可根据他们具体工作配置需要的照明，选择该控制开启、关闭及调节照明的输出等级，该类控制对实施任务调整特别有用。
控制技术的采用取决于控制策略的决定。考虑下面的问题有助于缩小选择合适当控制策略的范围：
● 负荷与空间有什么特点？
● 系统控制的目标是什么？
● 对建筑、能耗有何特殊需求？
● 灯负载仅仅是开关交换还是需要明暗调光？
● 局部控制还是集中控制，或者两个都要？
● 需要何种控制精度？
● 期望性能和成本间有什么样平衡目标值？
● 需要何种程度自动化？
四，照明自动化设计
一般而言，照明的手动控制系统指的是个人通过按钮的切换、旋转、揿动或遥控器和其他途径执行操作的单一开关或一组开关和调光装置构成的系统，小规模情况下，的确具有成本低廉的优点，但随着照明系统规模的扩大，手动控制将失去其成本上的效益。此外，不需要照明时，是否关灯完全决定于人为因素，难免浪费电力增大能耗，照明范围越大，问题尤其严重。实践证明，手动控制功能的自动执行不但能源成本显著降低，还可提供其他好处。正因为此，照明自动化不只是选择控制策略需考虑的内容之一，更应看成为一项强制性法规。如美国能源部根据ASHRAE/IES 90.1-1999能源法规颁布的最低国家能源标准，除极少例外，商业大楼中凡面积大于5，000平方英尺，照明均须配置占用传感器和可编程时间调度装置提供自动关闭的功能。2005年10月加州制定的第24号法规则更严格。
图2 美国各州执行能源法规的地域统计
图2所示为美国各州执行能源法规的地域统计，由图可知，美国居大部分州都须执行能源法规。为满足能源法规和达标，美国绿色建筑委员会（U.S. Green Building Council）专门开发了一套旨在确保ASHRAE/IES 90.1-1999实施的LEED (The Leadership in Energy and Environmental Design) 绿色建筑测定系统(Green Building Rating System) ─ 一款第三方认证程序以及高性能绿色建筑全国接受的设计、建造和运作的基准。LEED 还为建筑物的业主或营办商提供了可能对楼宇产生巨大影响的性能进行实时可测的必需工具。在美国和世界其它许多国家中，LEED 认证已经是一项公认的标准。达到 LEED认证标准也是建筑项目真正绿色的最明和途径。值得强调的是照明自动化正是LEED认证的关键指标之一。
下表简单列出不同控制方式、控制策略对应执行的控制行为（仅以开关切换和明暗调光为例，未考虑集中与分散控制方式）：
表3 控制方式、控制策略和对应的控制行为
此乃照明自动化设计实施的基础。在此基础上，按一定流程即能完成照明自动化具体项目的设计（参见本期专栏 王 江《设计照明综合设计及应用》）。
五，多代理程序系统（MAS：multi-agent system）简介
多代理程序系统是一种分布式系统，它由多个代理程序主体（agent）组成，每一个代理程序主体都是一个独立完成特定任务的模块，最终的控制任务则通过模块间互相通信协同完成。MAS为控制系统的设计提出了一种自底向上的方法，现已在众多领域得到广泛应用。
照明自动控制采用MAS构建的系统，主要由调光控制模块，继电器控制模块，接触器功率模块，日光传感器模块和控制面板等部分组成，如图6。
图6 MAS照明自动控制系统
图中，调光控制模块与若干个可调光镇流器按星型连接，并与继电器控制模块相连。继电器模块分别与每个灯具的电源连接，并连接接触器功率模块。所有控制和传感器模块共享一条总线，组成局域网络。控制面板模块和遥控终端模块接受用户的请求，通过 RS-485 总线通知调光控制模块。日光传感器获取所需探测数据，与调光控制模块进行通信。调光控制模块本身作为系统的核心模块，根据获得的信息决定调光动作。它一方面直接控制调光镇流器调光，另一方面可以通过信号线控制继电器决定电路的通断。每个调光控制模块都可对多个灯具进行独立控制，有效利用了资源。
整个系统采用Silicon Lab 公司的C8051F系列片上系统产品构建。由于调光控制模块程序复杂，I/O 引脚需求多，日光传感器模块需要精确而快速的ADC对照度进行采样，所以使用系列中flash存储器较大、I/O 口较多、片上资源丰富的高端产品C8051F021。控制面板模块和遥控终端模块的工作较简单，对资源的要求不很高，使用较低端的C8051F330产品即可满足要求。
C8051F021为一款混合信号系统级 MCU 芯片，具有 32 个数字 I/O 引脚，与高速8051兼容的 CIP-51 内核，最高主频可达 25MIPS。C8051F021芯片内集成了12 位，100ksps 的 8 通道 ADC，并且带 PGA(可编程增益放大器)和模拟多路开关，两个 12 位的 DAC，可编程更新时序。64kB片上的flash 提供了可实现系统在线更新的IAP功能。加之片内含有4352（4096+256）字节RAM，省却了RAM外扩的麻烦和不稳定因素。 系统还提供SPI，SMBus/I2C 和两个 UART 串行接口，5 个通用的 16 位定时器，5 个具有捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列，片上看门狗定时器，VDD 监视器和温度传感器等。所有的模拟和数字外设均可由用户进行使能或禁止配置。
尽管C8051F330的 flash 存储器（8kB）和片内 RAM（768 字节），I/O 引脚（17）较少，但在处理速度、非侵入系统调试和系统可编程等方面保留了C8051F021的优点。
总之，这两款 MCU 集成了大量的模拟和数字器件，为实现照明自动化所需的传感、通讯和控制要求提供了便利，极大地简化了照明自动化控制系统的设计。
系统中所有模块和网络通讯均采用隔离DC/DC模块供电。
该照明自动控制多代理程序系统，不仅能根据用户特定要求进行场景切换，改变照度等级，还能感知工作区域内的光照，自动调节照明，营造明亮舒适，并富有艺术魅力的照明环境。限于篇幅，有关系统结构、系统协议、系统升级等软、硬件构成更详尽的细节不再展开，下次专栏再作介绍。
六，结语
优秀的照明控制系统应能在节省人力资源，降低能源消耗，延长灯具寿命，提高照明质量的同时，为人们营造明亮舒适、并富有艺术魅力的照明环境。随着人们生活水平的提高，高效、节能、环保、灵活、舒适和更人性化的照明自动化控制系统越来越受到广泛关注，本文讨论照明控制系统及其自动化，并对多代理程序照明自动控制系统作简要介绍。