智能照明控制系统设计与浅析
【摘要】本文运用LonWorks现场总线技术对照明控制系统做了重点研究与设计，使得这个系统能够满足人们对节能和舒适生活的要求。基于LonWorks智能节点的照明控制部分，设计了硬件结构框图，分析了控制系统的工作原理及智能节点结构框图各个部分的主要作用，对控制系统软件进行了设计
【关键词】照明控制系统；LonWorks；程序设计
前言
“智能建筑”是综合计算机、信息通信等方面最先进的技术，使建筑物内的电力、空调、照明、防灾、防盗、运输设备等，实现建筑物综合管理自动化、远程通信和办公自动化的有效运作，并使这三种功能结合起来的建筑[1]。
随着智能建筑，特别是智能办公大厦的出现，使建筑要求与设计方法跟传统的办公楼比，大为不同。照明作为建筑不可缺少的部分，随着国际上“智能建筑”的大量出现，与之配套的智能照明技术也迅速地发展，并成为二十一世纪照明技术发展的一个重要方向。
21世纪，人工智能技术在建筑与照明中的应用趋势将会进一步扩大。正如英国的Glasgow市报指出：“Glasgow正在成为一个研究和发展太空时代智能建筑的国际组织的神经中枢。在智能建筑中的智能照明、供热、空调、通讯及办公设备将全部由电子计算机进行控制与管理。”
面对这一发展趋势，开发了不少智能照明设计，如智能灯具、智能照明控制与管理系统，包括在照明方面的计算机硬件和软件。此外计算机在照明设计和测试方面也得到广泛应用。澳大利亚邦奇开发的Dynalie智能照明控制系统，日本的智能照明建筑，特别是现代化办公室的智能照明技术等都值得我们研究与借鉴。
1 智能照明控制系统的优点
智能照明控制系统是指用计算机技术并辅助以其它手段，对电力照明实行自动控制，提供合适照明光环境的同时降低照明系统电能消耗和其它使用费用[2]。
智能照明控制系统与手动照明控制系统相比有很多优点，包括创造环境气氛，改善工作环境、提高工作效率，良好的节能效果，延长光源寿命，管理维护方便等。
1.1 创造环境气氛多种照明控制方式，可以使同一建筑物具备多种艺术效果，为建筑增色不少。现代建筑物中，照明不单纯地为满足人们视觉上的明暗效果，更应具备多种的控制方案，使建筑物更加生动，艺术性更强，给人丰富的视觉效果和美感。如建筑物内的展厅、报告厅、大堂、中庭等，如果配以智能照明控制系统，按其不同时间、不同用途、不同的效果，采用相应的预设置场景进行控制，可以达到丰富的艺术效果。
1.2 改善工作环境，提高工作效率智能照明控制系统以调光模块控制面板代替传统的平开关控制灯具，可以有效地控制各房间内整体的照度值，从而提高照度均匀性。同时，这种控制方式有效地解决了频闪效应，不会使人产生不舒适、头昏脑胀、眼睛疲劳的感觉。
良好的工作照明环境是提高工作效率的一个必要条件。良好的设计，合理选用光源、灯具及优良的照明控制系统，都能提高照明质量。
1.3 良好的节能效果智能照明控制系统借助各种不同的“预设置”控制方式和控制组件，对不同时间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理，实现节能。这种自动调节照度的方式，充分利用室外的自然光，只有当必需时才把灯点亮或点亮到要求的亮度利用最少的能源保证所要求的照度水平，节电效果十分明显，一般可达30%以上。
当今节能和保护环境已成为世界各国普遍关注的社会问题，并直接关系到社会的持续发展。在我国，照明用电量占总发电量的 10%以上；在英国，应用在照明上的能量大约占总消耗能量的 5%[3]，如果有效地利用照明用电，这个数量可以减少。
我国电力主要是来自燃煤，照明节电就意味着减少CO2、SO2、NO2等有害气体排放，可减少对大气环境的污染。
此外，智能照明控制系统中对荧光灯等进行调光控制，由于荧光灯采用了有源滤波技术的可调光电子镇流器，降低了谐波的含量，提高了功率因子，降低了低压无功损耗。
1.4 延长光源寿命智能照明控制系统能成功地抑制电网的浪涌电压，同时还具备了电压限定和轭流滤波等功能，避免过电压和欠电压对光源的损害。智能调光器慢慢地把灯调亮到一个设定的水平。刚打开灯时，这是相当重要的。在这一点上，白炽灯由于冷丝的热冲击易于失败。通过把灯慢慢地调亮到设定的水平，也被称为“软启动”，避免了冲击电流对光源的损害，可以相当多的延长灯泡的寿命。降低灯泡的亮度也可以延长灯泡的寿命。减低10%的亮度，灯泡可以延长一倍的寿命，而减少50%，可以延长到20倍[4]。还可以实现“软关断”，灯光慢慢地熄灭。当切换场景时，灯光的变化是渐变的，使人们不会有突然变化的感觉，充分考虑到人眼对灯光的亮暗适应性。
延长光源寿命不仅可以节省大量资金，而且大大减少更换灯管的工作量，可以降低照明系统的运行费用，管理维护也变得简单。
无论是热辐射光源，还是气体放电光源，电网电压的波动是光源损坏的一个主要原因。因此，有效地抑制电网电压的波动可以延长光源的寿命。
1.5 管理维护方便智能照明控制系统对照明的控制是以模块式的自动控制为主，手动控制为辅，照明预置场景的信息存储在内存中，这些信息的设置和更换十分方便，使建筑物的照明管理和设备维护变得更加简单。
2 智能照明控制系统的组成
智能照明控制系统能在最大程度上降低对人的依赖性，能满足各种场合下的灯光控制要求，管理维护方便，节能效果显著。
智能照明控制系统主要由输入装置、处理器和执行器三个部分组成。
输入装置可以不断检测周围环境的照度水平，可以探测到某个区域是否有人移动，以及输入人们的控制指令，并把相应的信号传送给处理器。输入装置包括传感器、定时装置和控制面板或遥控器。
处理器接受输入装置的信号，经过信息处理、判断、分析，输出控制信号。
执行器与灯具直接连接，控制灯光回路的闭合或断开和调节灯光到相应的水平，包括手动开关。
2.1 控制系统总体设计
LonWorks是一个开放的控制网络平台技术，是国际上普遍用来连接日常设备的标准之一。LonWorks是开放式技术。它采用分布式的智能设备组建控制网络，同时也支持主从式网络结构。它支持各种通信介质，包括双绞线、电力线、光缆等。控制网络的核心部分——LonTalk通信协议，即ANSI/EIA709。1-A-1999已经固化在神经元芯片(neuron chip)之中。该技术包括一个称之为LNS网络操作系统的管理平台，该平台对LonWorks控制网络提供全面的管理和服务，包括网络安装、配置、检测、诊断等。LonWorks控制网络又可通过各种连接设备接入IP数据网络和互联网，与信息技术应用实现无缝的结合。
LonWorks技术的另一个重要特点是它的互操作性。国际LonMark互操作性协会负责制定基于LonWorks的互操作性标准，简称LonMarks标准。符合该标准的设备，无论来自哪家厂商都可集成在一起，形成多厂商、多产品的开放系统。
2.1.1 LonWorks控制网络的基本组成
构成LonWorks控制网络的3大基本要素如下：
（1）LonWorks现场控制节点——这些节点可以直接采用神经元芯片作为通信处理器和测控处理器的节点，也可以以神经元芯片作为通信协处理器，主机或其他微处理器作为测控处理器的被称为基于主机(host base)的节点。
（2）通信介质——LonWorks系统可以在任何物理传输介质上通信。
（3）通信协议——LonWorks技术提供了一个公开的并遵守国际标准化组织(ISO)的分层体系结构要求的LonTalk协议。
基于LonWorks智能节点的照明控制系统主要是以Neuron芯片作为智能控制节点，控制下属的各类执行单元，控制系统总体结构如图1所示。
智能节点Neuron芯片一方面可以进行现场数据的采集和处理，另一方面也可以通过传输线路与其他控制节点连接，与上位控制机进行通信，实现了规模的扩展。构成LonWorks控制网络的Neuron智能节点由神经元芯片、传感器、控制设备、收发器和电源等组成，系统结构框图如图4-1所示。各部分的主要作用如下：
（1）神经元芯片控制现场数据的输入、输出以及信息处理，还可以实现与LonWorks网络的通信。
图1系统总体结构
（2）I/O接口测量电路主要负责采集现场数据，测量电路是由A/D模数转换器，电流互感器，电压互感器等部分组成。控制电路将控制命令传输给执行单元，是由D/A数模转换器，继电器，接触器等部分组成。当上端指令传到控制电路后，控制电路负责打开或关闭相应的灯对象。
（3）片外存储器如采用神经元3150芯片做节点处理器时，需要扩展片外存储器存放应用程序和有关信息。
（4）其他电路控制系统还包括晶振电路为神经元芯片提供工作时钟。复位电路可以避免神经元芯片工作在低于最小工作电压的情况出现。
2.2 硬件设计
基于LonWorks智能节点的照明控制系统的硬件设计主要有以下几个方面内容：神经元芯片控制模块的硬件设计，相当于普通单片机硬件设计的最小系统；基于神经元芯片的I/O接口电路设计，设计实现满足项目需求的I/O接口电路硬件；其他附属硬件电路设计，包括Service电路、复位电路等等。
2.2.1 控制模块电路设计
控制模块是在进行基于LonWorks技术的设备开发时候的一个通用模块，它把神经元芯片、存储器、收发器I/O以及网络端口等集成在一起，实现设计的即插即用，达到高效、低成本开发的目的。控制模块电路的一个重要功能是实现神经元芯片到电力线收发器的通信，神经元芯片的5个通信端口可以配置与多种传输介质接口(网络收发器)相连接，且可实现较宽范围的传输速率。本设计的控制模块电路主要由神经芯片TMPN3120E1M和电力线传输模块PLT-22构成，通信端口采用单端工作方式。
2.2.2 I/O接口电路设计
LonWorks节点的I/O接口电路是节点与传感器、执行器以及控制器相连的物理硬件接口。节点I/O接口电路的构成与神经元芯片的I/O对象是密不可分的。TMPN3120 E1M的11个I/O口中，IO0~IO3具有高电流吸收能力，可以直接驱动一些小功率设备；IO0~IO7具有低电平检测锁定功能；此外所有管脚都具有TTL电平输入功能。这些管脚通过可以灵活地配置成34种不同的I/O对象，用以满足用户的不同需求。比较常用的I/O对象有比特输入/输出，字节输入/输出，并行I/O，全双工同步串行(Neuron wire)I/O等等。
2.2.3 测量电路
这一部分电路主要实现对模拟设备的巡检，并把采集到的数据传至上位机的数据库，由上位机对数据进行分析处理，从而确定设备的运行情况等等，主要电路就是一个A/D转换电路。MAX188内部有4.096参考电压，可以使用单5V或 V电源输入，模拟输入可以通过软件配置为双极性/单极性和单端/差分工作方式。该芯片具有四线串行接口，可以直接与SPI、QSPI或Microwire外部逻辑的设备直接相连，精度达12位，并具有高速、低功耗等优点。MAX188的CS管脚与TMPN3120的IO0连接，管脚DIN与DOUT分别与TMPN3120的IO9和IO10相连。管脚SCLK与TMPN3120的CLK1连接，共用一个时钟信号。TMPN3120的IO8和MAX188的CH0分别为数字信号、模拟信号的输入端口，CH0通过外接传感器采集模拟数据。
2.2.4 控制电路的设计
控制电路是由D/A数模转换器，继电器，接触器等部分组成。当上端指令传到控制电路后，控制电路负责打开或关闭相应的灯对象。这部分主要电路为D/A及电流发送电路，该电路可将控制模块送来的串行数据转换成电流信号输出。
MAX539采用+5V电源供电，输出电压范围为0~2.6V。上电时内部DAC寄存器自动复位。采用3120的三个IO引脚分别与DIN、DCK及CS相连。图4-4中MAX539的7脚与AD694的3脚相连，将D/A转换得到的电压送给AD694。AD694的7脚与8脚相连后与MAX539的6脚相连，为MAX539提供2V参考电压。AD694的1脚与2脚相连，将输入缓冲放大器接成跟随器方式；4脚与5脚相连，使得AD694的输入电压范围为0~2V。9脚对5脚相连，实现4mA偏流，从而当输入电压为0~2V时，输出电流为4~20mA。AD694的电流输出端与一个NPN三极管TI相连，它的作用是将功耗移到片外，从而大大减小AD694的功耗，提高其性能，扩展其工作温度范围，减小自热误差。两只保护二极管VD1，VD2用于防止驱动感性负载时产生超过电源电压的尖峰电压，以防损坏AD694。电容Cs用于提高输出电流的稳定性。
3 软件设计
本软件设计与实现的核心工具是Neuron C语言。根据基于LonWorks智能节点的照明控制系统的要求，本节点需要实现两项功能：(1)通过I/O口对模拟数据进行采集，对其进行A/D转换后传送至上层PC，供监控人员查看。(2)接收上层发出的控制信息，通过I/O进行D/A转换，然后传送至底层，实现对现场设备的控制。因此，本节点的软件设计与实现也主要包括两部分：测量电路和控制电路，下面分别对这两部分的程序流程图进行阐述。
3.1 测量电路程序流程
测量软件流程主要是负责整个系统上所有灯对象的电流、电压值的检测。当上位机发出检测指令后，通过网络变量送到相应的节点，然后测出相应节点的电压、电流参数经A/D转换送到神经元芯片，再经过网络变量传递，经动态数据连接传递给监控软件，并进行图形化显示给操作者。这一流程可以不断循环进行，直到满足所有条件为止。
3.2 控制电路操作流程
控制软件流程主要是负责对整个系统上所有灯光的控制。当控制中心在监控软件下发出控制指令，经DDE传递给LonWorks网络，通过网络变量送到对应的节点，在经过D/A转换，放大驱动外部设备，从而打开或关闭相应的灯。这一流程也是可以不断循环直到满足所有条件为止。
4 结语
本文设计了一种基于LonWorks节点的照明控制方案，完成了软、硬件的设计。该节点方案集成了A/D和D/A转换模块，既能完成常规的数据采集工作，又方便监控人员对底层进行控制，可以根据用户需要控制是否进行数据采集，在很大程度上节省了能量和资源。此外，由于该节点是通过外部设备来完成相应的工作，因而配合不同的外设，可进行不同的控制。
参考文献：
[1]凌志浩. 从神经元芯片到控制网络. 北京航空航天大学出版社,2002:106-132
[2]清华大学自动化系.《智能信息处理和智能控制》.杭州：浙江科学技术出版社.1998,12:56-58
[3]杜异. 照明系统设计. 中国建筑工业出版社.1999,6:29-53
[4]D L Loe and E Rowlands. The art and science of lighting: A strategy for lighting design Lighting Res. Technol. 1996,28(4):153-1下载本文
