照明控制的网络技术

3．2　照明控制的网络技术

1）传统照明控制方法和网络化照明的优势

21世纪是一个网络化时代，数字控制技术水平不断提高，网络化技术正逐渐渗透到各种传统控制之中。在照明领域，人们己经不满足于单纯地提供亮度这一功能，而是面向系统控制方式的灵活和视觉上的艺术美感发展，智能照明控制系统（网络化照明）就是在这样的背景下产生的。

传统方式能量流和信息流合一，控制简单、有效、直观，但其一旦布线完成后系统就不能再改动；此外，要实现复杂的控制要求时，布线量将大大增加，这使得系统的可靠性下降，一旦出错，线路的检查也相当费时。随着大量商用办公楼和复式住宅的推出，办公楼管理人员和用户需要对照明器具的实时工况予以监视，而传统技术对此无能为力。至于提供安全、舒适、便利的生活环境，实现灯具联动，根据环境自动调整或控制灯光亮度等，使用传统技术更是无法想象。

在满足照度要求的前提下，为了节约能源，目前经常采用节的能措施包括:光控开关控制、定时开关灯控制、光控＋定时开关控制、稳压控制、降压调光控制和声控＋延时控制。这几种常见的照明控制方式在一定程度上解决了照明自动化问题和节能问题，但是还存在一定的不足之处，主要表现在:控制策略单一、无法实现场景模式控制、无单灯控制、无照度控制或难以实现和缺乏故障检测。综上所述，传统的照明系统已不能满足现代化的控制要求。

智能照明控制系统集多种照明控制方式、电子技术、通信技术和网络技术于一体，解决了传统方式控制相对分散和无法有效管理等问题，而且具有许多传统方式无法达到的功能，比如场景设置以及与建筑物内其他智能系统的关联调节等。

智能照明控制系统一般由传感器（如照度感应器、面板开关等）、执行器（如调光电子镇流器、网络通信单元路由器、中继器等）以及辅助单元（如电源、导轨等）组成，遵循统一的网络协议，借助各种不同的“预设置”控制方式和控制元件，对不同时间、不同环境的光亮度进行精确设置和合理管理。此外，智能照明控制系统中还可对荧光灯进行调光控制，由于荧光灯采用有源滤波技术的可调光电子镇流器，降低了谐波的含量，提高了功率因数，降低了低压无功损耗。因此，在灯具制造工艺相同水平的情况下，在建筑物中采用智能照明控制系统不仅能操作简单、管理维护方便，还可以满足工作生活多样性需求，并且可以有效地达到节能的目的。

其优势主要体现在以下几方面:

（1）照明节能化。智能照明控制系统可以通过各种网络技术实现系统级节能，即控制策略节能和终端级节能（电光源、灯具节能），以实现照度的按需分配。

（2）使用环保化。智能照明控制系统可以通过网络技术，合理分配照度需求，避免产生光污染；同时，一些智能照明控制系统还可通过网络技术，合理分配每个电光源的工作时间，以有效延长灯具的使用寿命，减少资源的消耗。

（3）控制智能化。智能照明控制系统可以通过网络实现定时控制、光控、策略控制、日照控制、延时控制、多时段控制、场景模式控制和用户特殊需求控制等，以实现照明控制的全面智能化。

（4）维护实时化。网络技术在照明系统中的应用，可以实现照明故障的自动检测和报警，使系统得到更为及时的维护。

（5）服务人性化。网络技术的应用，可以使照明依据按需分配的原则，实现局部控制与整体控制的有机结合，以实现照明服务的人性化。

2）照明控制网络技术的发展

现代意义上的智能照明网络是从舞台灯光控制系统发展起来的:1986年美国剧场技术协会（USITT）的工程委员会开始制定控制灯光设备和附件的数字式传输标准———DMX 512协议，1990年发布正式文本。现在调光网络领域中影响较大的ACN协议和Art－Net协议都是在此基础上发展而来的。世界上一些厂商已经开始设计符合以上标准的灯光网络系统构架，制造相应的灯光网络产品。

随着楼宇自动化和办公自动化的兴起，智能照明控制系统的应用从剧场的舞台灯光控制逐渐拓展到各种建筑物的照明，控制范围和规模已从单个厅室扩展到整栋建筑，甚至整个城市的景观亮化控制。照明控制技术方式已由集中控制方式转变到集散控制和分布式控制。特别是分布式控制的出现，使照明控制方式达到了比较完美的应用。

与此同时，面向建筑物照明的网络协议也纷纷涌现，并各有特色，形成了百花齐放、群雄争霸的局面。根据协议的开发背景和功能特点，这些协议大致可分为以下几类:一类是著名的灯光设备制造厂商单独开发的，例如，澳大利亚Clipsal的C－Bus协议和Dynalite公司的Dynet协议，美国路创的LUTRON灯光控制技术等；另一类是某一领域的厂商联合，针对专门调光系统制定的协议，如数字可寻址照明接口（DALI）协议；还有一类是智能家居协议中的灯光控制部分，如EIB和X－10系统的灯光控制子系统等。这些协议在各自的领域均有自己的优势，占据一定的市场，所以要在短时期内将调光网络统一到一种协议上是不现实的。鉴于市场的不确定性以及技术突破的不可预见性，在可以预料的相当时期内，多种协议并存、相互融合借鉴将仍是不争的事实，如同工业控制领域有多种现场总线标准，其中多种常用标准长期共存一样。

智能照明控制系统按其网络的拓扑结构大致可分为以下几种:

（1）集中式

集中式系统结构主要为星形拓扑，即以中央控制节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互连结构，如图3．8所示。各照明控制器、控制面板等设备均连接到中央控制器上，由中央控制器向照明控制器等末端执行单元传送数据包。该系统的优点是:照明的控制功能高，故障的诊断和排除简单，存取协议简单，传输速率较高。缺点是:因过分依赖中央控制器，故系统的可靠性和经济性相对较低。虽然采用多种改进措施后，可提高中央控制器和系统的一些可靠性，但其价格上的劣势仍十分突出。

（2）集散式

集散式系统结构主要为星形拓扑（多层次），即以中央控制节点为中心，把分控中心连接起来，再由分控中心把若干外围节点连接起来的辐射式互连结构，如图3．9所示。该系统层层相套，中央控制器向各分中心控制器传送数据包，各照明控制器、控制面板等设备均连接到分中心控制器上，由分中心控制器向照明控制器等末端执行单元传送数据包。该系统的优点是:除具备集中式系统的特点外，系统将控制分散至分中心，因而可靠性也相对提高了一些。缺点是:系统的经济性相对更低，可靠性虽有提高却仍不能令人满意。

图3．8　集中式智能照明控制系统

图3．9　集散式智能照明控制系统

（3）早期分布式

早期分布式系统结构主要为以总线拓扑为主，兼有星形拓扑的混合形，如图3．10所示。总线拓扑即采用单根传输介质，让所有的节点通过其相应的硬件接口直接连接到传输介质上。系统将原控制中心的控制功能分散至靠近末端的控制设备，各照明控制器、控制面板等设备直接连接到总线上，通过一种访问控制策略，决定设备与监控中心信息传输的顺序。由于该系统中照明控制器与被控末端的灯具之间仍是星形结构，故将此系统称为早期分布式。该系统的优点是:由于各单元可独立工作、各单元的功能相对单一，系统的可靠性和经济性相对较高，而且系统易于扩充。缺点是:照明的控制功能一般，故障的诊断和排除困难，传输速率一般。

图3．10　早期分布式智能照明控制系统

（4）分布式

分布式系统结构主要为总线拓扑，如图3．11所示。该系统与早期分布式系统极为相似，只是将控制功能进一步下放至最末端的灯具（含简易的智能电气元件），处于最末端的灯具既是被控对象，同时也是控制元件。利用灯具原有的电源线加载信号，实现对光源的控制和监测功能。该系统的特点是:具备早期分布式系统的全部特点，可靠性更高，现阶段受控制技术的影响，该系统的经济性稍差一些；灵活性和扩充能力极高（尤其对于改建建筑和控制变化较大的场所）；弥补了早期分布式系统照明控制功能的不足。

3）网络化照明系统的比较

常用网络化照明系统包括X－10、DALI、EIB、C－Bus和PLC等。X－10是全球第1个利用电力线载波来控制灯饰及电子电器的产品，并将其成功地商业化。该技术包含一套完备的电力线载波通信控制协议，因此也称其为X－10协议。该系统的原理简单、实用，在欧美已有近30年的成功应用，被认为是家居智能化的一种重要手段。

图3．11　分布式智能照明控制系统

数字可寻址照明接口（Digital Addressable Lighting Interface，DALI）是一个专为电子镇流器调光控制而开发的开放数字通信协议。该协议定义了电子镇流器和控制单元之间的数字通信，可实现集中控制、单独控制、分组控制和场景控制。主要应用于室内照明。

欧洲安装总线（European Installation Bus，EIB）在亚洲称之为电气安装总线（Electrical Installation Bus），也有人称之为i－Bus。EIB是一种专门用于智能建筑领域的现场总线标准，可以满足现代化建筑对于越来越复杂的配套设施以及多功能的要求，是电气布线领域使用范围最广的行业规范和产品标准。网络化照明控制只是这一标准的重要内容的一部分。

C－Bus系统是由澳大利亚奇胜电器公司专门针对照明需要开发的一个智能化系统。C－Bus是一个二线制的照明管理系统，可以独立运行。C－Bus系统可方便地与楼宇自控系统、保安系统、消防系统等其他系统连接。它遵从以太网的CSMA／CD标准协议，可设计成总线型、树形、星形等拓扑结构，组网方便。

电力线通信（Power Line Communication，PLC）技术包括宽带电力线（Broadband over Power Line，BPL）通信技术和窄带电力线载波（Narrow over Power Line，NPL）通信技术。利用PLC技术组网来实现照明网络化、自动化，仅是PLC在照明领域中的一个重要应用，也是未来照明通信的重要方式。基于PLC的照明监控系统具有下述优点:无需布线，投资少，安装简单，使用方便；布线系统也无需维护。其缺点是:低压配电网负载复杂、多变；物理拓扑和逻辑拓扑可能会随时发生变化；通信链路可靠性相对较差；低压配电网物理拓扑结构复杂；网络路由算法与策略复杂；一般局限于一个台区内的通信。

除了上述各种专业照明用网络技术外，还有一些其他网络技术也应用于网络化照明领域，包括CAN总线、DeviceNet总线、LonWorks总线、RS－485总线等典型工业现场总线；以太网（Ethernet）总线等计算机系统总线；WLAN、GPRS、GSM、ZigBee等无线通信系统，这些技术在网络化照明领域也都有过成功的案例。

表3．2列出了部分从事智能照明控制系统研发公司的一些产品，在传输介质、拓扑结构、通信协议等方面各具特色。

表3．2　部分照明控制系统网络比较