摘 要： 照明智能控制是绿色照明的基石， 是现代照明不可缺少的核心技术之一。 文章分析了照明控制技术一百多年的发展历程， 讨论了主要照明控制网络， 并提出了提高与推广的方案; 文中强调了照明优化节能是核心任务，并给出了基于物联网的道路照明优化控制思路与方案; 本文着重阐明一种新的理念： 智能控制与固态光源联姻，必将突破传统的照明方法， 超越传统照明的功能， 还提供了新型智能灯具研发方案与思路。
关键词： 智能照明控制; LED; 节能照明; 照明控制网络; 一体化灯具; 超越照明
1 引言
1879 年， 爱迪生发明了白炽灯， 人类从此进入了电气照明的新时代， 白炽灯因此被誉为人类进入现代文明的里程碑。 正如很多史学家所认为的， 人类照明技术的发展史与人类的文明史同样久远。 作为照明技术重要内容之一的照明控制技术， 也同样如此。
从爱迪生控制电灯泡的机械式电气开关开始，照明控制技术的发展， 经历了一个多世纪的发展，如图 1 所示。 历史上每一次重大的科技突破， 照明控制技术也随之前进了一大步。 迄今为止， 照明智能控制技术的发展， 已经经历和跨越了电气时代、微电子时代、 计算机时代和网络通信时代， 并度过了照明光源的几次革命。 今天的照明智能控制技术正是与人类的光源技术、 电气技术、 微电子技术、微机技术、 自控技术、 通信技术和网络技术的学科交叉， 紧密结合和相互渗透的结晶。
在数码时代、 信息社会、 网络世界的今天， 照明智能控制技术把现代照明推向了节能化、 智能化、信息化、 人性化、 艺术化、 个性化的全新高度。 照明智能控制的重要地位， 必不可少， 已越来越受到人类的青睐。
电气化、 自动化、 智能化是照明智能控制前进的足迹。 今后， 照明智能控制将伴随着人类高新技术的征程， 向着智慧化的方向前进。
2 优势与理念
照明智能控制通过节能模型控制、 智能开关、智能调光、 “软开/软关”、 红外传感器随机实现 “人来灯亮， 人走灯灭” 或 “ 人来灯亮， 人走灯暗”， 光敏传感器结合自然光的恒照度照明， 各种灯光场景设定， 定时、 分时与分区照明， 抵御电网波动与浪涌等一系列照明控制策略， 可实现照明节能与呵护光源[1 ～8]。 在建筑室内照明智能控制领域，照明节能率可达 15% ～75%， 延长光源寿命 2 ～4倍。 在道路照明领域， 按目前控制水平， 一般节能率约 10% ～15%， 最好的大致也能接近 30%左右。
实现室内照明的人性化、 个性化和艺术化灯光场景， 及其一键化的便捷控制， 以及城市夜景照明或装饰照明的各种动态艺术灯光演示， 把人类的光环境提升到一个全新的境界。
传统的光源， 特别是曾一度是主流照明光源的气体放电光源， 可控性能极差， 开关次数越多寿命越短， 大范围调光会面临工作状态的恶化， 功率因数补偿不尽理想， 并非能够适应与发挥智能照明控制技术的优势， 而 LED、 OLED、 QLED 等固态光源， 没有脆弱的灯丝或其阴极， 所具有的微秒响应时间的可控特性， 丰富的光谱， 体积与结构充分的 “柔性”， 以及能适应任意降功率或调光使用等一系列优势， 成为了智能照明控制技术的天然配偶， 使得照明智能控制技术如虎添翼， 同时， 智能照明控制的功效提升， 又更加凸显了 LED 等固态光源的优势， 使其变得越发不可战胜， 进一步巩固和增强其成为主流照明光源的霸主地位。
今后， LED 等固态光源与照明智能控制融合，将会突破传统的照明方法， 超越传统照明的功能，产生史诗般的神奇功绩。
推广绿色照明， 追求节能低碳， 如果仅一味崇拜光源的发光效率， 有失偏颇。 照明智能控制自适应的优化控制， 能充分发挥照明节能的潜能， 可以把实际的照明功率密度值 LPD 降到极致， 远低于最新照明标准制定的指标。
综上所述， 今天， 照明智能控制的优势已经使人类产生了新的理念。 如果忽视照明智能控制， 绿色照明事业将会停滞不前， 照明的现代化将无从谈起， 照明智能控制技术已成为绿色照明的基石。
3 现状与发展
目前， 主流的照明智能控制系统主要是总线式照明智能控制系统或网络、 LED 城市夜景照明控制系统、 城市路灯/景观照明无线集中监控系统和一体化的 LED 智能灯具等大类。
3.1 总线式照明控制网络.
国内外， 总线式照明智能控制系统或网络， 有基 于 分 布 式 控 制 总 线 DCS ( Distributed controlSystem) 原 理 和 现 场 控 制 总 线 ( Field ControlSystem) 原理的测控系统， 而目前在建筑照明领域，应用更多的是后者。
现场控制总线是一种由一系列嵌入微处理机的分布式智能控制模块组成的控制总线， 可脱离主控设备运行， 不会因上位机故障而瘫痪， 可靠性高，是自动控制领域以数字通信替代传统 4 ～20mA 模拟信号传输标准和普通开关量信号传输方式的新一代控制总线， 属于全数字、 可自主运行、 串行式、 多点互联、 可寻址、 双向通信的智能通信测控系统。基于现场控制总线的照明智能控制系统， 遵循 ISO/OSI， TCP/IP 通信协议和 IEEE802 局域网 ( 以太网) 标准， 有与这些标准对应的开放性能、 通信带宽、 传输速率、 传输介质和网络拓扑， 为了有效通信， 共享介质访问控制方式采用载波监听多路访问/冲突检验方式 (CSMA/CD)， 大多数总线式照明智能控制系统的底层遵循 IEEE802 局域网标准， 采用非屏蔽五类线， 全二线联网， 网络拓扑允许为总线型、 星型、 树型， 但不可为环型。 总线传输速率为9畅6Kbps。 而通过网桥、 交换机， 或光纤传输与光纤交换机， 总线式照明智能控制系统可以扩展成中、大型的照明智能控制网络。
相关知识推荐：选择论文发表期刊要看哪些数据
总线式照明智能控制系统所具有的开放性， 使得运用智能网关、 智能路由器、 交换机、 光纤与光纤交换机或无线基站 AP， 几乎可以与任意不同通信协议的有线或无线通信网络互联， 如通过 RS485、 WLAN、Wi-Fi、 ZigBee、 DMX512、 GPRS/3G、 4G 等， 既可灵活升级或扩展成为多功能的或大型和远程控制的开放系统， 又可实现任意地域的便携电脑、 智能手机、 平板电脑等手持终端的无线移动式灯光场景监控。
总线式照明智能控制系统， 从上世纪 90 年代后的历届奥运会体育场馆照明， 到大型建筑、 工矿企业、 道路照明、 城市夜景、 公共照明、 高铁动车、家居建筑等方面已经得到了大量应用。
照明智能控制系统在多年发展过程中， 实际上已从照明控制延伸成为智能建筑、 楼宇自动化与建筑能源管理系统。 在智能家居中除灯光控制外， 还可以实施空调、 采暖、 窗帘、 天窗、 A/V 系统、 安防、 消防、 电梯等的测控管理。
事实上， 由于功能不断扩展， 集成传感器增多，总线式照明智能控制总线已成为物联网的成员。
目前， 专门面向照明的总线式智能控制系统，国内 外 品 牌 繁 多[ 9 ～15]， 主 流 品 种 有： PhilipsSCENIO、 C-BUS、 Dynet、 HDL-BUS、 Lon Works、KNX EIB、 GRANDAR、 luxCONTROL、 Nico、 i-bus、Instabus、 HomeServer、 Futronix、 DALI、 Lutron、 Elighting、 ZEIOT、 HOTOP、 EC-NET、 PrecisetechNet、iisfree、 DVACO、 LIGHTSPACE 等。
但是， 迄今的总线式照明智能控制系统， 在系统设定上存在专业性太强， 编程麻烦， 成为普通用户很难随意调整设定的电气系统， 难以普及[16，17]。 例如：当室内灯光场景编程设定后， 如须改变， 普通人群无能为力， 必须求助专业人士解决。 还有， 一些感应传感器性能比较粗糙， 例如： 红外感应传感器仅为单物理参数鉴别， 容易产生错判与误动作; 照度传感器难以实现较大范围较准确的照度平均值测量， 难以做到照明节能的精准控制; 此外， 总线式照明智能控制系统主要是综合布线， 安装麻烦， 改造也较繁琐; 还有， 如何实现真正优化控制等问题， 也需探讨如何提升， 等等。 这都是对今后发展的挑战。
3.2工业现场总线用于照明控制
原则上， 很多优秀的工业用现场控制总线 FCS，只要开发配套足够的照明控制总线模块， 都可用于照明智能控制， 虽价格较高， 但性能更优， 如： LonWorks 和 CAN 总线等。 LonWorks 拥有集成3 CPU 的 “神经 元 芯 片”， 并 固 化 了 开 放 式 的 通 信 协 议LonTalk， 全面支持 ISO/OSI 七层通信模型， 网络拓扑 还 允 许 环 型， 是 真 正 的 自 由 拓 扑 ( FreeTopology)， 而且对传输介质适应能力很广， 允许采用电力线， 具有自由传输介质 ( Free transmissionmedium) 的 优 势， 通 信 速 率 可 达 1畅25Mbps。LonWorks 开放性强， 采用网关等网络设备， 可轻易扩展为任意的大型网络或无线网络， 可实现移动监控， 远程监控。 目前， 有的基于 LonWorks 现场总线的智能家居和照明智能控制品牌已独占一方。
3.3 ZigBee 用于无线照明控制
ZigBee 是受到蜜蜂按 8 字翱翔采蜜与群体通信的启迪而开发， 于 2004 年诞生， 之后协议不断完善升级。 ZigBee 网络物理层和媒体访问控制层， 基于经 济 高 效 的 IEEE802畅15畅4 标 准， 具 有 低 速 率( <250kbps)， 短距离 (一般 10 ～100m， 增大功率可达 1 ～3km)， 短时延 (节点接入只需 30ms)， 大容量 (最多 5000 节点) 的特点。 采用工业科学医疗频 段 ISM ( Industrial， Scientific and Medical )，915MHz (美国)， 868MHz (欧洲) 和 2畅4GHz (全球)， 免执照。 网络拓扑可为星型、 点对点、 群集或网状 (Mesh) 等配置， 每一个 Zigbee 网络模块之间可相互通信， 不仅本身可以作为监控对象， 对所连接的传感器直接进行数据采集和监控， 还可以自动中转别的节点传来的数据。 配合网络协调器和路由器， 每个网络节点的距离可以从标准的 75 米无限扩展， 类似于 GPRS/CDMA 移动网的基站， 通讯距离可从标准的 75 米到几百米、 几公里， 并且支持无限扩展， 覆盖范围广阔[ 18]。
ZigBee 技术成本较低， 功耗较小， 使用简便，芯片齐全， 虽然晚于 “蓝牙” 短程通信技术， 却后来居上。 目前， ZigBee 无线通信技术在军事和工业领域已被广泛应用， 并已成为物联网的重要成员。在民用领域， ZigBee 也得到很多厂商的重视， 不少照明控制和智能家居品牌基于 ZigBee 技术。
ZigBee 适合低速传输， 数据量小， 体积紧凑，价格低廉， 覆盖范围大的组网需求， 对照明领域非常合适。 ZigBee 网络可以独立构成一种智能照明和智能家居的无线控制网络。 LED 结构紧凑的特点，使得嵌入 ZigBee 无线接口开发 ZigBee 网络灯具变得容易。 此外， 开发嵌入 ZigBee 无线接口的照明开关面板， 可以方便地替代原有的墙面开关， 把电气控制的家居照明升级改造为无线智能控制， 无需改动原来的任何灯具和电源布线， 而且成本较低， 这些都应该引起照明界关注。
3.4 闪联 (IGRS) 标准用于照明控制
闪联-IGRS ( Intelligent Grouping and ResourceSharing) 协议标准是中国本土技术创新制定的信息设备互联标准， 于 2003 年 7 月 17 日由 “闪联” 标准工作组发布。 “闪联” 是中国信息产业部牵头，由联想、 TCL、 康佳、 海信、 长城五家企业发起组建的联盟。 目前， “闪联” 的国内外成员已超过 100家， 在联盟内部已形成了较为完整的产业链， 包括闪联芯片与系列电子产品。 闪联协议已成为智能建筑国家标准和国际标准[ 19]。
闪联标准是建立在 TCP/IP 协议之上的应用层协议， 重点解决公共的 “连接” 问题， 设计目标是实现“3C 融合” (Communication、Computer、ConsumerElectronic-电脑、 通讯、 消费性电子产品)， “三屏共享” (电视、 手提电脑， 手机) 和 “三网融合” (电信网、 互联网、 广电网)。
闪联标准可将局域网中的设备互联拓展到广域网(异构网)， 并可与 WSN (Wireless Sensor Network )、Zigbee、 Z-wave (丹麦 Zensys 公司发布的无线网技术)、 Wi-Fi、 3G 等通信技术的联接和优化结合， 完美实现多网融合与应用， 包括有线与无线网。
闪联标准的优势是快速、 方便、 低成本、 无线通信、 自动发现、 动态组网、 资源共享和协同服务，可跨屏互动、 智能控制、 电能管理和无线办公、 娱乐等。
闪联标准是适合初学者使用的网络连接工具，无需了解很多 IT 相关知识， 使用者可用 PDA 掌上电脑上网， 控制自己家中空调的开机时间， 处理照明灯光的亮、 灭、 调光与复杂的灯光场景， 也能够使各种家电和电脑在连机范围内， 互相识别， 实现交互通信。 例如， 符合 IGRS 规范的笔记本电脑和TV 互相发现后， 笔记本电脑即可将所拥有的多媒体数据以数据流的形式分发到 TV 上进行播放， 同时，笔记本电脑也可以接收 TV 传来的电视节目流， 实现电视节目实时存储。
2007 年， 国际著名照明公司飞利浦已经加盟 “闪盟”。 基于闪联的智能家居系统， 已经被市场认可与推广， 包括照明智能控制。 闪联 “云服务平台”， 可通过智能手机、 PAD 和 PC 机， 发挥智能互联、 资源共享和协调服务的特色， 闪联智能家居网关， 可构筑的照明控制或智能家居网络， 所有符合IGRS 规范的各类照明控制设备和照明灯具均可接入， 组成开放性的家居信息与控制网络， 构建节能、舒适、 安全、 便利的智能居住环境， 见图 2。
目前， IGRS 通信已成为物联网的重要成员， 基于闪联的智慧家居和智慧城市的新概念正在实践。闪联标准的优势将会是划时代的， 很快将会成就 “大气候”。 照明界应敏锐领悟机遇的来临， 加快开发嵌入闪联协议通信接口的各类灯具和家居产品，推动照明的智能控制， 优化控制， 使照明电能管理向高水平方向发展。
3.5LED 城市夜景照明控制系统
LED 节能低碳， 色彩丰富， 控制性能优秀， 灯具结构灵巧， 在城市夜景照明中已基本取代高耗能的泛光照明技术， 成为城市夜景照明的主流。 同时， 因为LED 城市夜景照明工程项目的个性化， 艺术创意的多样性， 而且对三基色 LED 色彩变幻场景的要求千差万别， 因此系统控制方案可以有更多选择， 商业化较强也是原因之一。 近年来， 非标的 LED 城市夜景照明控制系统层出不穷， 不断创新， 成为重要特点[20]。
各种 LED 夜景照明的智能控制系统也是基于计算机通信控制的总线或网络， 或者是主 -从控制的分布式系统。 很多运用 TCP/IP 协议组网， 可使一个网络同时连接更多的 LED 景观灯具， 连接距离更长， 在通信带宽、 控制质量和可靠性方面都能得到提高， 远程监测和控制更为有效， 并且网络成本较低。 遵 循 TCP/IP 通 信 协 议 标 准， 通 过 RS485、DMX512、 ZigBee、 GPRS/3G、 CAN 、 Wi-Fi 等， 采用五类线、 光纤、 无线传输， 或网关、 交换机或无线基站 AP， 可灵活扩展成为大型的多路的 LED 景观照明控制系统， 构筑五彩缤纷的 LED 灯光场景。系统还可实现便携电脑、 智能手机、 平板电脑等手持终端， 实现无线移动式灯光场景监控。
黄以华、 廖世文等人开发出一种基于 TCP/IP和 DMX512 协议的大型分布式 LED 景观照明控制系统， 由 PC 计算机 (上位机)、 控制器、 解码器以及LED 景观灯具组成。 PC 机遵循 TCP/IP 协议与作为DMX512 信号发生器的 250 台控制器通信， 每台控制器再与三台 DMX512 信号解码器相连， 每台解码器兼做信号中继器并与 56 个 LED 灯通信， 解码器对 DMX512 信号进行频率调制和信号增强， 内部含有驱动电路的 LED 灯具， 采用 PWM 实现 256 级调光， 系统采用分布式连接[ 21]。
王薇等人开发的总线式 LED 景观照明系统， 由PC 机 (上位机)、 主控器 (下位机) 和多组三路输出的驱动器组成， PC 机由管理软件负责 LED 参数设置; 主控器是微处理机 LPC2119， 含有 ARM 内核， 32 位， 64 个通用 I/O， 可脱机运行， 通过光隔离控制， 形成 LED 白、 红、 黄、 浅蓝、 绿、 橙、 粉红等七种颜色以及跑、 跳、 亮、 闪、 淡入、 淡出等变化。 通过现场总线 CAN， 可扩展成较大网络[22]。
陆杭等人的 LED 景观照明系统， 由上位机控制软件集中处理， 并通过互联网和 3G/GPRS， 与场景控制器通信， 场景控制器再通过 ZigBee 无线网实现各路 LED 照明单元的光强及色彩变化， 采用轮询机制实时采集 LED 照明单元的状态， 实现与广播帧同步的 LED 多彩照明场景转换[ 23]。
丁国超等人开发的基于可编程片上系统 SOPC(System-on-a-Programmable-Chip) 的 256 色 LED 景观灯控 制 系 统， 系 统 下 层 设 计 了 可 重 用 IP 核(Intellectual Property core) 的片上系统、 MP3 播放器和 FAT (File Allocation Table) 文件系统， 通过上层软件完成按照灯具及其布灯的灯光场景数据编制，经过仿真和预览等步骤后， 再下载数据到控制系统中实现对 LED 景观灯具的控制[ 24]。
近些年来， 中国 LED 景观照明智能控制系统的开发与应用， 百花齐放， 推陈出新， 呈现出一派兴旺景象。 但是， 这些 LED 景观照明智能控制系统，基本未涉及到本身运行参数监测和故障报警的功能，作为智能系统， 的确存在重要缺陷。 而远程的城市景观照明集中监控系统， 对这种灯具数量庞大而又极其分散的 LED 景观照明系统， 难以解决现场参数监测和故障报警。 然而， 在目前的城市夜景照明中，高故障率、 低可靠性的问题屡屡出现。 LED 景观照明灯光演示， 因故障时而发生的混乱景象， 已成为城市夜景环境中的败笔。 因此， 今后， LED 景观照明智能控制系统实现智能化的运行参数监测和故障报警， 应该是主要研究课题之一。 3畅6 城市路灯/景观照明无线集中监控系统。——论文作者：梁人杰
