应用于办公领域的智能照明控制系统

从简单的手动控制开关到智能自动化环境的照明市场的变化为照明的工业控制带来了根本性的设计转变。通过有线或无线网络进行通信的传感器和分布式微控制器的集成使用是改造和新设计的当前标准。 通过为照明控制市场储备专用微控制器和传感器来实现这些系统开发。其中包括适用于板级和基于FPGA的解决方案的完整硬件和软件开发环境。

什么是照明自动化？

大多数照明自动化都是针对工业园区和高层办公楼。主要控制是设置灯的ON/OFF状态。最初控制是手动的 - 当你进入一个房间时，你会打开灯，然后在你离开时将它们关闭，除了一些关键区域，为了安全起见，灯总是打开。 20世纪80年代早期的主要进步是运动传感器，它通过使用简单的运动探测器来判断是否有人进入房间，将ON/OFF功能改为“免提”功能，在这种情况下它会打开灯。这种简单的技术现已过滤掉，是轻型交通区域住宅建筑的安装/建筑“代码”要求。

照明自动化现在有许多功能需要管理，因为有多种类型的照明（白炽灯，CFL，LED，OLED）。管理功能包括状态，状态（ON，OFF，dim），更换和维修的生命周期，房间的电源管理，传感器反馈，功率调整（停电，掉电，减载，峰值使用控制），与HVAC的集成，以及与事件和安全控制集成。为了与这些自动化系统连接，照明需要智能 - 来自嵌入式控制器和传感器的分布式信息，这些信息通过有线和无线网络与集中式管理中心通信。现代自动化系统中照明控制的关键是在整体能源使用和照明交付计划的背景下对照明系统进行被动/非侵入式监控和主动管理。

照明自动化还包括传统的DMX512接口舞台和演示照明控制系统。这是一种常见的固定电压互操作照明控制标准，可让节目指导时序，移动，亮度和颜色控制，以实现2轴和3轴性能/演示照明。 DMX512标准定义了照明控制可能的通信协议，命令和操作。由于该标准已经存在很长时间，因此STMicroelectronics（STEVAL-ILL030V1）提供的演示和评估板允许系统开发人员在安装之前创建程序并使用照明装置对其进行测试。该板使用ARM®32位Cortex-M3TM微控制器; MCU通过RS-485收发器和USB接口进行通信，并具有STCS1A LED驱动器。

最常见的照明自动化控制方法涉及使用运动传感器来管理灯的ON/OFF状态。有两种主要类型的运动传感器：被动红外型（称为MP型传感器）和区域反射型（称为MA型传感器）。松下电工提供的几种MP和MA传感器系统的示例如图1所示。

图1：MP和MA运动传感器。 （由Panasonic Electric Works提供）

MP运动传感器通过检测某个区域是否存在人员来工作。传感器测量当人体温相对于周围环境“移动”时区域内的红外线量的变化。这些传感器不发射任何红外光;相反，他们会看到观察路径中的红外能量。结果，它们具有非常宽的视角并且不依赖于距离。完整的MP传感器系统的框图如图2所示。

图2：MP运动传感器框图。 （由Panasonic Electric Works提供）

MA传感器通过发送红外光束并测量返回的反射光量来工作。传感器控制一个开关，确定某物何时进入给定的距离范围内。他们无法区分人和可能进入感应区域的其他物体，只有某些东西进入该区域并且是红外反射的。完整的MA传感器系统的操作框图如图3所示。

图3：MA运动传感器框图。 （由Panasonic Electric Works提供）

MP和MA传感器在设计上与工厂自动化（FA）传感器分开，有两个约束条件。 FA传感器放置在已知的良好控制的光照条件下，使得红外探测器在操作时不必处理大范围的信号。由于操作范围缩小，这些传感器具有更高的灵敏度和更短的响应时间。它们还暴露于更大量的背景电噪声，因此具有更高的噪声抑制规格。

用于照明控制的FA传感器的使用数量非常大。图4显示了运动控制传感器可以放置在住宅安装中的典型位置，而图5显示了运动控制传感器可以放置在商业设施中的典型位置。随着传感器的数量和种类繁多，与设备的通信非常重要。新系统不仅监控这些传感器的状态（开/关），而且还提供自适应控制模式所需的数据，通过智能照明管理进一步降低能耗。

图4：住宅运动传感应用。 （由Panasonic Electric Works提供）

图5：商业运动传感应用。 （由Panasonic Electric Works提供）

一个更高级的例子 - 假设有一个基于微控制器的系统和一个中央数据分析/存储 - 是办公室的主动照明结构。假设办公室和会议室有窗户，百叶窗，灯，HVAC控制，温度传感器，运动传感器和计算机化的会议室调度系统，智能自动化系统可以执行以下操作：

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在预定时间和会议期间，关闭/关闭办公室暖通空调的阻尼器会议的持续时间，以降低供暖/制冷成本。

当该人离开办公室时，关灯，并根据一天中的时间和一年中的季节，打开/关闭百叶窗允许自然采光和加热/冷却以支撑房间。

根据预定的会议，平衡会议室温度以确定与会者的数量，并根据之前的房间使用进行调整。

检测人员何时出现并合并调整会议室灯光（ON/OFF/Dim）控制百叶窗。如果激活了下拉屏幕，请相应调整百叶窗。当屏幕完全展开时，将灯光设置为房间的预定“昏暗”模式。

会议结束后，等待运动传感器指示人员已经离开，然后恢复房间到了初始状态。

这种情景的一个重要方面是与房间照明相关的环境管理。目前的荧光灯照明是开放式办公空间环境中产生的大约一半热量的原因。出于这个原因，在冬天，灯更长时间以降低加热区域的成本。然而，在温暖的季节，照明产生和损失的热量会产生大量的冷却能量消耗。荧光灯，镇流器和它们的CFL等效物也具有适度短的寿命。这些技术不能很好地适应调光，房间照明的调整是“整数”单位的灯 - 两个带两个开关的灯只给你四种可能的照明组合。

随着LED照明进入办公室和住宅照明空间，灯的温度管理和周围环境对其可用性是不可或缺的。 “线性和接口选择指南”中的温度传感器有三种输出类型：如果超过阈值电平，则为简单逻辑1/0;与温度有关的模拟电压输出;以及与温度有关的串行数字码流。

用于LED灯具，更简单的基于阈值的温度传感器，如ADI公司的ADT6501（见图6），用于指示灯模块需要断电或调光。最简单的模块调光方法包括MCU控制的脉冲宽度调制（PWM）。可以运行此循环来调整PWM的占空比，直到温度传感器指示它可以安全运行，或者它可以关闭灯，直到温度传感器复位。

图6：基于模拟器件阈值的温度传感器。 （由Analog Devices，Inc。提供）

模拟输出设备，如Microchip Technologies的MCP9700低功耗线性有源热敏电阻™，具有跟踪环境温度的输出。对于每个器件，电压输出引脚可以直接连接到微控制器的ADC输入。 MCP9700上的温度系数可以进行调整，以便为8位ADC提供1°C/位分辨率。这使得设备能够在灯打开/关闭，百叶窗打开或关闭以及进出房间的人员的情况下保持对室温的主动跟踪。其他器件集成了数据转换器，并将串行比特流直接发送到微控制器。

由于典型的控制环境具有许多传感器输入，这需要多个数据通道和数据转换器，因此大量的照明自动化系统正在集成到FPGA中。 FPGA可以集成集成微控制器（ARM，MIPS等），甚至可以允许多个独立且相关的内核存在于一个芯片中。在当前的Xilinx和Altera FPGA上使用模拟接口简化了环境控制系统的分区，这些系统要求照明由一个有源组件处理。

这些控制设计的关键要素是电源管理。虽然传感器是独立的电路元件，但它们需要集成到闭环反馈控制系统中。控制系统最终与可能在3伏到480伏之间工作的系统连接。因此，有必要监控电力的可用性，以实现照明和HVAC控制。由于照明需要有功功率并且在备用系统上操作是昂贵的，因此希望包括自动化物流，例如在停电和停电期间自动控制窗户和天窗百叶窗。诸如ADI公司AD5601单芯片nanoDAC®（见图7）等器件可用于监控可用功率。这些器件具有内部控制逻辑，可通过欠压检测电路确保上电复位（POR）至零电压。微控制器可以检测该模块的输出，以识别掉电情况并相应地调整发光。

图7：ADI公司AD5601单芯片nanoDAC框图。 （由Analog Devices提供）

所有这些自动化控制都需要传感器，控制系统和多个微控制器之间的通信。由于大多数工业环境都是改装环境，因此照明和HVAC系统不需要接线即可进行控制。为了使传感器和控制数据远离正常的IT系统，这些组通常不使用无线通信协议。相反，他们倾向于使用电力线调制解调器，在现有电力线上放置包含数据的载波信号;或者他们可以使用以太网供电（PoE），它通过标准数据线提供电源。虽然大多数工程师都听说过电力线调制解调器并了解他们的通信方式，但PoE系统是新的。