照明控制技術的發展及應用現狀

張鈺唯 葉煒 許煜

(浙江大學控制系，杭州 310027)

1 引言

照明是利用各種光源照亮工作和生活場所或個別物體的措施，利用太陽和天空光的稱“天然采光”，利用人工光源的稱“人工照明”。照明控制是對照明使用光的質和量的駕馭，對包括人工光源和自然光源在內的各種光源的使用狀態進行調整，以實現更舒適、更優美、更節能的照明環境的具體手段。當我們把多個調整照明的手段整合在一起，并使它們之間互相協調工作，以達到控制照明這一目的時，就組成了一個照明控制系統。

隨著科技的發展和人們物質、精神生活水平的提高，照明不僅僅是滿足人們視覺上明亮的要求，還要滿足藝術性要求，要創造出豐富多彩的意境，給人們以視覺享受。自1973年世界上發生第一次能源危機以來，國際上對照明節能的逐漸重視起來，并提出了“綠色照明”理念，在發展綠色照明工程的過程中照明控制起到了非常重要的作用，這也在很大程度上促進了照明控制技術的發展。目前，照明已經從一種功能性安排轉變為實現功能、創造藝術、改善環境、引導行為的復雜系統，因而要求照明控制兼顧安全、可靠、靈活、經濟等諸多方面。

2 照明控制方式

照明對人類的重要性不言而喻，但目前擺在人類面前更大的困惑是日益枯竭的能源，以及發電、生產過程中對環境造成的污染，選擇一個合適的照明控制方式是非常重要的。正確的照明控制方式是實現照明藝術性和舒適性的有效手段，是節約能源的有效措施［1］。

(1)蹺板開關控制

蹺板開關設置于門口，對于面積較大、燈具較多的房間，采用雙聯、三聯、四聯開關或多個開關控制。對于樓道和樓梯照明，多采用雙控方式，使得在任意入口處都可以控制照明燈具。

(2)空氣開關控制

小型空氣開關控制在本質上類似于蹺板開關控制，主要用于燈具容量、數量較大的場所或者室外環境，如停車庫、大教室、室外路燈、景觀照明等。

(3)定時開關、聲光控開關等節能型開關控制

對于住宅、公寓樓梯等公共區域的照明開關適宜采用紅外移動探測加光控開關。也可采用智能定時器，按照工作時間及非工作時間不同的時間段切換不同的燈光組合，在滿足需要的前提下投入最少的燈。

(4)手動遙控控制

通過紅外線遙控器，實現在正常狀態下對各區域內的照明燈具進行手動控制和區域場景控制。

(5)場景控制

用戶預設多種場景，按下一個按鍵，即可調用到想要的場景，可實現根據場景需要投入適量的燈具工作，避免浪費。

(6)動靜探測控制

在特定場所或整棟樓宇，根據人員走動情況對照明燈具進行控制的一種方式。通過調光模塊和動靜探測器等電氣元件實現照明燈具的自動開關控制。

(7)恒照度控制

通過調光模塊和照度動態檢測器等電氣元件來控制照明場所內相關燈具的開或關，保持場所的照度不會隨日照等外界因素的變化而改變，始終維持恒定。

3 照明燈具的控制技術

照明燈具的控制可分為開關控制和調光控制，實際上“開”和“關”控制是調光控制中的兩個極端，從這個意義上講開關控制也可屬于調光控制范圍。調光控制可調節燈具的亮度，調光的軟啟動和限壓技術可保護昂貴的燈具不受電沖擊損害，延長燈具的工作壽命，降低運行成本和維護費用，同時調光還可節省大量電能。

按發光原理劃分，照明光源通常可分為熱輻射光源和氣體放電光源，其典型的光源分別為白熾燈和熒光燈。對于熱輻射光源來說，只需要調節供給光源的電壓即可調節光通量的輸出;而對氣體放電光源來說，實現調光控制并非那么簡單，不能簡單地通過控制供電電壓來調光，這類光源都有匹配的鎮流器，通過控制鎮流器輸出電壓的頻率和幅值來調節光源的光通量輸出。隨著各種新型燈具的不斷涌現，微電子技術、電力電子技術以及計算機技術的蓬勃發展，調光設備已從小功率單燈家用調光器發展到如今用微處理器控制的可對各類電光源進行穩定調光的大功率多通道調光控制器，常用的調光技術因電光源技術性能的不同可分成前沿相控調光，后沿相控調光和正弦波電壓調光三種。

最早使用照明調光的劇場舞臺燈光采用可變電阻調光、調壓器調光等笨重的調光方式，操作控制十分不便。1962年英國開始將可控硅用于調光，這是調光方式的一個重大革新，由于可控硅體積小、重量輕、控制方便，至今仍被不少調光器制造商沿用［2］，可控硅調光是一種前沿相控方式 (Phase-on)的調光器。為了解決帶有容性負載燈具的調光問題，又出現采用MOS晶體管組成的后沿相控調光方式(Phase-cut)的調光器，在這種后沿相控方式中，調光器相控斬割的電壓正弦波下降時間可通過修改晶體管驅動電路來增大，減少電磁干擾和噪聲。然而前面二種相控方式調光器總是解決不了正弦波形被斬割和產生高次諧波干擾這兩大問題，而且由于相控斬割方式的工作電流不是在整個正弦波周期內流過控制器件的，因而電能的利用效率較低［3］。澳大利亞邦奇電子公司開發了一種正弦波電壓調光方法，它的功能等效于可以調控電壓輸出有效值的變壓器，輸出電壓波形不會因被斬割造成波形畸變或者產生高次諧波干擾，不會污染電網，能量轉換效率高，可以調節各類燈光。新一代的正弦波調光設備采用了脈寬調制技術 (PWM)，通過調節燈具的輸入功率達到改變其輸出光通的目的，調光的效率很高，電流控制也非常精準。可調光電子鎮流器就是使用這種技術，目前熒光燈可調光電子鎮流器已比較成熟，金鹵燈的可調光電子鎮流器還在發展中，同時利用PWM控制是降低LED光線輸出的最佳方法，可在保持控制器高效工作的同時，提供一個相對穩定的顏色輸出［4，5］。

4 照明系統的控制技術

照明控制系統以實現顯著的節能效果為主要目的。有效的控制可以延長光源壽命，改善工作環境，提高照明質量，實現多種照明效果。

(1)傳統照明控制系統

傳統照明系統將照明分為一般照明、局部照明、混合照明等，按照一定的照度標準與其他指標進行設計。在照明的控制方式上多以手動為主，僅能實現簡單的開關控制與調光控制。如利用設置在燈具配電回路中的手動開關元件控制配電回路的通斷，實現開關控制;利用設置在燈具配電回路中的手動調節元件調節配電回路的電氣參數 (電壓、電流、頻率等)，實現調光控制。

傳統照明控制方式，功能簡單，有效直觀，造價低廉，但布線復雜，當采用雙控方式或三聯控制方式時，照明回路中布線的復雜度隨著控制開關數量增多而成倍增加;動力線按需分線，用機械開關通、斷電源，系統固定后無法再改動，系統擴展維護困難;動力線與控制線重疊，不存在控制信息流的概念，控制相對分散，無法有效管理，過多依賴控制者的個人能力。

(2)自動照明控制系統

隨著照明技術的發展，建筑空間布局經常變化，照明控制要適應和滿足這種變化，如果用傳統控制方式，勢必到處放置蹺板開關，不美觀也不方便。隨著電氣技術的發展，照明控制達到了第二階段—自動控制階段，利用數字控制技術來遙控燈具的開關。通常是控制中心發出信號，通過直接數字控制器 (DDC)來控制配電回路中交流接觸器的分合，從而控制配電回路的通斷，實現燈具開關控制。

采用該種方式，解決了傳統方式控制相對分散和無法有效管理等問題，易于根據全局情況進行控制計算和判斷，在控制方式、控制時間的選擇上可以統一調度安排，自動化程度相對提高。但由于DDC系統本身固有的技術特點，使得自動照明控制系統也表現出不足:無法實現調光控制，而且也很難實現燈光場景等預設置和場景管理等功能;對控制器本身要求很高，必須具有足夠的處理能力和極高的可靠性。盡管DCS逐步取代DDC系統，而且實現了分散控制與集中管理功能，但對于底層的設備來說仍然是傳統的DDC技術。

(3)智能照明控制系統

智能照明控制系統是利用計算機技術、網絡通訊技術、自動控制技術、微電子技術等現代化的科學技術，實現可根據環境變化、客觀要求、用戶預定等條件而自動采集系統中的各種信息，并可對所采集的信息進行相應的邏輯分析、判斷，同時對結果按特定的形式存儲、顯示、傳輸，以及反饋控制等處理，以達到最佳的控制效果［6］。目前的智能照明控制系統多數采用現場總線技術，具有數字化分布式控制的特點和開放性。

隨著智能照明控制技術被越來越廣泛地認可和使用，相關產品層出不窮，需求量也逐漸加大，一些廠商已經開始設計符合一定標準的照明網絡系統構架，制造相應的燈光網絡產品。現有的智能照明控制標準根據其開發背景和功能特點可分為以下兩類:一類是智能家居協議中的燈光控制部分，這類照明系統多依托于樓宇設備管理系統。下面是其中一些主流協議。

●X-10［7］

X-10是電力載波的國際通用協議，它是將120KHz的編碼信號加載到60Hz(我國是50Hz)的電力線上，由發射端將一串 X-10信號 (地址碼和操作碼)以廣播的形式發送給網絡，然后網絡中的每個接收端可以收到X-10信號，首先甄別地址碼，如果地址碼匹配則執行后面的操作碼，因此每個接收端都必須預先設定一個地址碼。電力線將電能傳到各個電器，同時也將所有的電燈、電器連成了網絡。

X-10是世界上最早出現的，也是最簡單的家庭自動化網絡系統。它合理的利用了電力線的網絡資源，使電力線除了傳送電流之外還能起到了網線的作用，省去了大量的開槽布線的費用，是這套系統的最大的一個優勢。在智能家居20余年的發展歷程中，X-10技術是最耀眼的明星，但照明控制仍是其最具特色的方面。

●CEBus［8］

CEBus的全稱是消費電子總線 (Consumer Electronics Bus)，它的發展可以追溯到1984年，直到1992年，所有的CEBus規格說明書才得以發布。

參照ISO的OSI網絡協議建議書，CEBus可劃分為物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層，其物理層是開放的，目前支持的媒介有電力線、雙絞線、同軸電纜、紅外線和無線電等。特別是電力線，利用了家庭中已有的走線，不需要另外布線，因而對于現有住宅的改造非常方便，同時不同的媒介能滿足不同設備對通訊量的要求。總線中的每個節點的地位是平等的，不需要一個主控設備。對于多節點競爭訪問網絡資源的解決方法是采用沖突檢測和沖突解決 (CSMACD/CR)，網絡中各節點的控制關系通過綁定來實現，從而使整個智能建筑中的電器系統能成為一個智能的整體。

CEBus在很多方面彌補了X-10的不足，它的物理層幾乎定義了所有的傳輸介質，尋址能力也得到了很大的加強。

●Lonworks［9、10］

在80年代后期，埃施朗公司 (Echelon)開始開發LonWorks技術平臺。LonWorks控制網是以對等方式工作，監控傳感器、控制執行器之間可靠地通信，并管理網絡操作，提供對網絡數據全面接入的任何裝置集合。LonTalk通信協議是LonWorks技術的核心，該協議提供一套通信服務，使裝置中的應用程序能對其他裝置發送和接收報文而無需知道網絡拓撲、名稱、地址或其他裝置的功能。

基于Lonworks智能節點的照明控制系統主要是以Neuron芯片作為智能控制節點控制下屬的各類執行單元。智能節點Neuron芯片一方面可以進行現場照明信息的采集和處理，另一方面也可以通過傳輸線路與其他控制節點連接，與上位控制機進行通信，實現規模擴展。

LonWorks總線技術擁有支持電力線載波收發等獨特優勢，并降低了布線復雜度，可直接實現與Ethemet的互聯，具有通訊速率高、通信距離遠的特點，在應用層給用戶很大的自由度，有很好的靈活性，目前在世界范圍內應用廣泛。

●EIB［11］

EIB是歐洲安裝總線 (European Installing Bus)的簡稱，1990年，歐洲主要電氣制造商共同制定了EIB協議標準。EIB出現較晚，但發展比較迅速，目前在全球已經擁有110多家生產廠商。

和CEBus類似，EIB網絡也是一個完全對等的分布式網絡。網絡上的每個設備都具有相等的地位。EIB中每個Domain最多可以有15個域 (Area)，每個域最多可以有15條線 (Line)，而每條線最多可容納255個設備。EIB的元器件均為模塊化元件，主要分為傳感器和執行器兩類，分散安裝在建筑的不同區域，通過總線連接起來。每個傳感器及執行器均內置微處理器及存儲器，故這些元器件可分別獨立工作，任何一個元件的損壞不會影響系統其他部分運行，因此具有高度的安全性。

在EIB電氣安裝總線的標準上，ABB開發出一套i-bus智能系統［12］。系統的所有功能都通過一條總線來控制，可以完成照明、電動百葉窗、供暖系統和空調系統的控制，尤其在燈光照明控制上，其具有很強的靈活性，可實現照明的開關控制、調光控制、場景控制、遠程控制、延時控制、定時控制、光線感測控制、紅外線遙控、移動感測控制、與其他設備系統的聯動控制等，充分體現了EIB的特點。

T-bus也是基于 EIB標準的兩線網絡，其最大的特點就是在大型建筑內只需一根T-bus總線即可通過電纜傳輸信號，憑借專業的網絡轉換設備，實現不同接口和不同設備之間的連通。

●HBS［13、14］

家庭總線系統 (Home Bus System，HBS)是由日系企業:日立、三菱、松下、東芝等聯合提出的概念，由日本電子工業聯合會/無線工程電子協會HBS標準委員會制定。協議主要用于電器開關量以及簡單模擬量的控制，采用專用總線，具有抗干擾強、響應速度快、開發成本及風險較低的特點。

HBS對開放系統互連七層模型做了精簡，由三層結構組成，分為物理層、數據鏈路層和命令層。HBS以雙絞線和同軸電纜為通訊介質，介質的最大長度為200m，HBS總線上的信號采用脈寬編碼方式。協議的數據鏈路層主要是通訊幀結構的設計，在介質訪問子層，HBS采用帶沖突檢測的載波監聽多路訪問(CSMA/CD)協議。命令層定義所有傳送信息，使網絡上傳送的信息在整個系統中有唯一解釋。

另一類協議是著名的燈光設備制造商單獨開發出來的，或者是某一領域的廠商聯合起來專門設計的實用性很強的調光系統。

●DALI［15、16］

數字化可尋址調光接口 (Digital Addressable lighting interface， 簡 稱 DALI)，1994 年 列 入IEC60929標準，得到國際主要芯片、燈具、鎮流器和夾具制造商的支持，商業化應用開始于1998年。

DALI是照明控制設備之間數據通信的接口標準，利用它可以將不同廠家生產的電子鎮流器、調光控制設備和傳感器等構成一個照明控制系統，每個DALI控制系統可通過雙絞線連接最多64個電子鎮流器，而這個 DALI控制系統又可以和另一個DALI控制系統級連構成更大控制范圍的照明控制系統，并且通過DALI控制協議確保每只燈負載和DALI數控可調光電子鎮流器的工作狀態信號反饋回DALI控制系統，從而實現對整個照明系統的控制;同時也可以監測鎮流器甚至光源的工作狀態和故障信息，這給例行維護和集中管理帶來極大的便利。

該技術的最大特點是可對單個燈具獨立尋址并進行精確控制，即所謂單燈控制，這一理念為控制帶來極大的靈活性，用戶可根據需要隨心所欲地設計滿足其需求的照明方案，甚至在安裝結束后的運行過程中仍可任意修改控制參數，而無需對線路做任何改動，同時，可保留傳統的布線方式，結構簡單，中間模塊少，簡化安裝，調試也十分便捷，降低成本，可實現許多基于回路控制的智能照明控制系統無法實現的功能。

●DMX-512［17］

DMX-512協議是美國劇場技術協會 (USITY)制定的數字多路復用協議，適用于一對多的主從式控制系統，其互連形式采用了多點總線結構，不存在信息通路阻塞問題，其連線簡單，可靠性高。協議對數據的格式、數據的傳輸、連接電纜和連接方式、聯結器等做了規定。現在北美地區呼聲較高的ACN協議和歐洲地區的ART-net協議均在此基礎上發展而來［18、19］。

ACN是旨在提供下一代燈光控制網絡數據傳輸的先進控制網絡標準。ACN要完成包括DMX協議的更多工作。ACN將統一燈光控制網絡，允許單一網絡傳輸很多不同種類與燈光有關的數據，并且可以連接來自不同廠家的調光設備;它可以應用于任何支持TCP/IP協議的網絡中。

Art-Net是一個用10 BaseT技術，基于 TCP/IP的以太網協議。其目的是用標準網絡技術遠程傳輸大量的DMX-512數據。它由Artistic Licence發明且已公布出版，采用這一標準的聯盟成員不斷擴大。

●C-Bus［20］

C-Bus照明管理系統是澳大利亞 Gerard Industries Dty Ltd于20世紀90年代初研發出來的智能型、可編程的照明管理系統。系統中各元件均內置微處理器，以數據信號方式來傳送、辨識及記憶信息，并通過一對非屏蔽雙絞線作為總線制架構使系統的各單元可互相聯系工作，對室內外照明及其他設施進行控制。

C-Bus系統總線上協議為CSMA/CD，每個網段可以接100個單元，各網段之間可以靈活連接，如采用網絡橋、集線器、交換機等，網段數量不受限制。系統采用自由拓撲結構，可設計成線形、樹形、星形等拓撲結構，組網非常方便。

●Dynet［21］

Dynet協議是澳大利亞邦奇電子工程公司在Dynalite智能燈光控制系統中使用的協議。Dynalite系統是一個真正的分布式控制系統。Dynet網絡上的所有設備都是智能化的，并以點到點方式進行通信。

Dynet網絡由主干網和子網構成。每個子網都可以通過一臺網橋與主干網相連，主干網最多可聯接64個子網，每個子網可連接64個模塊，系統最多可連接4 096個模塊。數據在子網的傳輸速率為9.6kbps，主干網的傳輸速率可根據網絡的大小設定，最高可以達到57.6kbps。Dynalite系統可以通過Dlight軟件來進行設定和調整，Dlight軟件還可以對系統的運行情況進行監控，自動檢測損壞燈具及報告燈具壽命、工作運行狀態等，從而管理整個系統。

上述協議在照明控制領域都有自己的特色，如DMX-512常用于戶外的燈光表演，ACN和 Art-net協議是在DMX-512協議基礎上發展起來的，在娛樂業調光領域運用較廣;EIB是一個在歐洲占據主導地位的樓宇自動化標準，在國內的一些大型工程中也逐漸得到應用，如廈門國際會展中心、上海新國際博覽中心等，但由于其價格方面的原因，在普通家庭的照明設計中尚不多見;別墅型場所適合采用HBS系統;DALI協議主要是對可調光電子鎮流器進行控制，可以將控制落實到單只燈具;CEBus多用于鐵路站場的智能化照明系統［22］;C-bus和 Dynet協議是專門的調光網絡協議，在調光功能上均有自己的特色。這些協議在各自的領域均有自己的優勢，占據一定的市場，所以在短時期內無法將照明網絡統一到一種協議上，在設計照明控制系統的時候應該根據使用場所、控制范圍、用戶要求、外部銜接系統等選擇適當的協議。

5 無線照明控制技術

縱觀各種現有的照明控制系統，采用計算機網絡技術、現場總線技術構成一個完整的集通信、設備控制、安全防范等功能于一體的智能系統，控制范圍和應用范圍都越來越廣泛，卻難以脫離各種線纜的羈絆。當用戶需要增加新的功能或者進行技術升級和設備更換時，每次都要重新布線、安裝、組態和調試，大大增加了時間和成本的投入。在這種情況下無線技術開始慢慢滲透到照明控制系統中，無線通信技術和照明控制網絡結合，發揮兩者優勢實現智能、高效、便捷的照明控制。

GPRS(General Packet Radio Service)，通用無線分組業務是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接。通俗地講GPRS是一項高速數據處理的技術，和以往連續在頻道傳輸的方式不同，是以封包式來傳輸的，每個包的前面有一個分組頭 (其中的地址標志指明該分組發往何處)，數據傳送之前并不需要預先分配信道，建立連接;而是在每一個數據包到達時，根據數據包頭中的信息臨時尋找一個可用的信道資源將該數據包發送出去。在這種傳送方式中，數據的發送和接收方同信道之間沒有固定的占用關系，信道資源可以看作是由所有用戶共享使用。利用GPRS網絡可以將照明控制系統的燈具或者執行器的監控信息通過即時消息方式發送給用戶，實時監控控制系統當前狀態;結合已有的照明控制系統形成廣域的智能控制網絡，大大減少系統監控和維護的人力物力，提高系統性能;也可以通過GPRS公用通信網絡和互聯網實施對地域分散的照明控制系統的集中監控和統一管理。

ZigBee協議是一項基于 IEEE802.15.4無線標準研制開發的，關于組網、安全和應用軟件方面的技術標準［24］。它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技［23］。ZigBee是用于超低功耗的無線個人局域網的標準協議，它是由50多家公司聯合起草的，具有成本低、功耗小、應用領域廣、具有標準的網狀結構等優點。ZigBee協議滿足 ISO開放系統 OSI參考模型，ZigBee協議的物理層和MAC層采用 IEEE802.15.4標準，上層包括網絡層和應用層由ZigBee聯盟定義，用戶層由用戶定義。世界各大無線芯片生產廠商陸續推出了支持該標淮的無線收發芯片。

ZigBee的自組織成網功能給智能照明網絡的布建和維護工作帶來極大的便利，只需在網關節點處開放權限、地址，就能收發節點數據;ZigBee的近距離、低復雜度、低功耗、低成本等特點都與照明控制系統的要求相符，不但滿足照明控制系統中的基本使用條件，同時功能上滿足智能照明控制的性能和容量需求，而且有利于照明控制技術在不同領域的應用。因此可以將ZigBee收發芯片嵌入到電光源的終端控制中，構成布線成本極低、全數字無線尋址、全雙工通信的照明控制系統;當然也可以不改變原來的傳統技術，在傳統技術互聯的節點加入ZigBee技術適配器使之成為無線組網。通過ZigBee網絡還能夠方便的與現有的其他各種網絡連接，甚至利用互聯網實現遠程管理。雖然與DALI協議相比，無線協議棧需要更多開銷，不過這些開銷都需要與其易于安裝的優勢進行權衡考慮。

ZigBee和GPRS結合也不失為一種好的照明控制系統方案，充分利用兩者的優勢。如圖1所示的博物館照明控制系統網絡，用來實現對具有不同照明要求的區域進行分布式、智能化控制:照明終端主控制器接收控制中心通過GPRS發送的控制信號，然后通過Zigbee網絡發送命令到照明終端控制器，對其進行控制操作或讀取其狀態;同時終端主控器將現場采集的燈具狀態信息通過GPRS模塊發送到控制中心;控制中心的管理者通過人機界面對控制網絡進行配置和管理，發布控制任務，同時收集狀態信息。

6 展望

隨著科技的進步，各種具備互動控制能力的節能高效的照明設備將陸續被發明使用;對照明設備的控制功能會越來越靈活，而設備與控制器的通訊方式將逐步統一;圖像處理等新技術將不斷應用到照明控制中，使得控制效果更準確、更智能;現代控制理論研究將深入到照明控制策略，達到真正意義上的智能;充分利用先進通信技術開發出適用于不同層次需求的照明控制系統，提高系統兼容性，逐漸形成照明控制行業標準。

圖1 博物館無線照明控制網絡系統

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