1 前言

　　灯光及照明控制技术随着电子技术和计算机技术的发展而不断发展。20世纪60年代，为了提高控制精度和灵活性而出现的直接数字控制技术(DDC)随即被应用于自动照明控制;20世纪80年代末期及90年代，随着计算机网络技术在控制系统中发展应用，集散控制(DCS)很快主导工业控制领域。随后为了实现集散控制系统与控制器、传感器之间的通信，现场总线的工业控制技术很快发展成为主流技术。基于现场总线技术的智能灯光及照明控制系统是以现场总线为纽带把单个分散的灯具或传感测量装置联接起来，使之相互沟通信息，共同完成局部灯光及照明智能控制任务，并进一步结合互联网技术可实现远程或更大范围的智能灯光及照明控制。智能灯光及照明控制适应了灯光及照明控制向分散化、网络化、智能化发展的方向。

　　《数字可寻址照明接口》IEC62386系列国际标准的出台标志着全球智能照明新时代的开始。智能照明控制技术与迅猛发展的LED照明技术相结合将对照明产品及照明工程应用产生巨大的影响。同时，照明节能也从光源节能、灯控制器等部件节能、灯具节能发展到节能效果更明显的照明工程智能管理节能，这对照明行业的发展将产生巨大的推动作用。

　　2 灯光及照明控制分类及控制方式

　　(1)灯光及照明控制主要分为室内外灯光(包括舞台灯光)控制和室内外照明控制两类。

　　(2)灯光及照明控制方式

　　灯光及照明控制方式主要有传统灯光及照明控制方式、自动灯光及照明控制方式、智能灯光及照明控制方式。合理和正确地选用控制方式是实现灯光及照明实用性、舒适性和艺术性的有效手段，是节约能源的有效措施。

　　1)传统灯光及照明控制方式

　　利用供电线路中的手动开关来人工控制灯光和照明灯具的通断;利用供电线路中的手动调节器人工调节并实现灯光和照明灯具的调光控制。传统灯光及照明控制方式相对简单、直观。但由于整个系统的灯具及手动开关、手动调节器比较分散而无法实现方便和有效的管理。

　　2)自动灯光及照明控制方式

　　利用直接数字控制(DDC)技术集中控制灯具的开关和调节。一般是由人工操作使控制中心发出信号，通过直接数字控制器控制供电线路中执行器件的分合，实现灯具通断控制和调节。自动灯光及照明控制方式解决了传统控制方式的相对分散和无法方便而有效管理等问题。但是由于采用“点对点”的连线方式，使系统需要有与灯具数量相当的控制线路，因而大量的布线成本使系统难以考虑高质量的调光控制功能。

　　3)智能灯光及照明控制方式

　　基于现场总线技术的智能照明控制技术可根据不同区域的功能或用途、不同的时间、环境亮度实现对灯光及照明设备集中统一管理与监控的功能，并结合现代照明技术、照明艺术，科学的管理照明设备。

　　智能照明控制系统可以是楼宇自动化系统的一个子系统，也可以不依赖于楼宇设备自动管理系统而独立运行。它不仅可以实现开关控制和调光控制，还可以预设许多照明场景，并根据时间、场所的功能、室内外照度自动调整场景，使得不仅在照明参数指标方面达到实用要求，而且还可使人在舒适并富有艺术气息的照明环境里学习、工作和生活。

　　3 室内外灯光(包括舞台灯光)控制系统和室内外照明控制系统

　　(1)室内外灯光(包括舞台灯光)控制系统

　　室内外灯光(包括舞台灯光)控制特点主要是应用于室内舞厅、室内外文艺晚会、体育盛会开闭幕式等大型活动。例如2008年奥运会、2010年上海世博会、2010年广州亚运会都有大量应用。其中亚运会开闭幕式共使用了2000多台探照灯、2000多台电脑灯等专业灯具及大量的大型LED显示屏。涉及到珠江两岸约7km的区域，打造了全球最大规模的灯光城市行为艺术。

　　舞台类灯光控制系统特点是控制的灯光灯具数量多、每台灯具功能多、变化快。主要控制功能包括开关、调光、调色(机械式电机带动或RGB电子调色)、激光扫描、摇摆等;变化模式有隔行跳变、跑马方式、流水方式、渐亮渐暗、简单符号显示等多组模式;通过网络连接PC端软件将文字、FLASH动画、视频、图像等媒体信息表现出来。因此，可控节点多、功能变化多、控制速度快是它的基本要求。相反很多场合对控制准确度要求并不高，例如探照灯的摇摆角度、调色色度偏差等问题。另一方面，因为整个灯光活动时间只有几个小时，为了达到视觉冲击震撼力和艺术效果而需要灯光时常快速变化。所以，舞台类灯光控制一般对节能不太关注。

　　(2)室内外照明控制系统

　　室内外照明控制系统的特点是要求照明环境舒适，便于人们的学习、工作和生活。因此，它的照明控制特点是控制的照明灯具数量不多、每台灯具功能不多、相当长时间不变化。由此，系统可控节点要求不多(控制灯具多的整栋楼宇智能照明控制一般是通过多个子网互联而解决)、速度要求不高是它的基本特点。同时，对照明实用性、舒适性要求高，对照明控制的准确度(如调光稳定要求高)，对照明节能也要求高。

　　4 智能灯光控制系统和智能照明控制系统

　　智能灯光控制和智能照明控制系统的组成方式，主要有总线型、电力线载波型、无线网络型等。其典型控制总线协议主要有：DMX总线、i-bus总线、X-10总线、C-bus总线、HBS总线以及DALI总线等。

　　(1)DMX总线

　　DMX是digital　multiplex(数字多路复用)的英文缩写。DMX512协议最先是由USITT(美国剧院技术协会)发展而来的。DMX-512/1990协议的全称是《DMX-512/1990　Digital　Data　Transmission　Standard　For　Dimmer　And　Controllers(调光器与控制台用数据传输标准)》。它是一种单向传输的协议，不具备设备管理的功能，即只是控制台发出指令，调光器接收并执行指令。控制台不知各调光器是否接收到并正确执行指令。2000年的修订版DMA512A已能实现双向传输，即调光器可向控制台反馈自己的部分信息。DMX512主要用于并基本上主导了室内外舞台类灯光控制的大部分市场。当然也可以用于室内照明，但由于成本及功能等因素，室内照明应用很少。

　　DMX512是围绕工业标准EIA485属于接口、电压、电流等的“电”端的接口设计的。数据发送基于一种8位异步串行协议，带一个开始位(低电平)和两个停止位(高电平)，没有奇偶校验。因此，一个数据帧有11位元。由于每一位的宽度是4微秒，所以发送一个帧需要44微秒的时间。发送一个连续的数据流，则会产生250kb/s的波特率。全数字DMX512调光系统基本包括：DMX512数字信号传输协议、数字触发器、数字调光台、数字信号解码处理器。

　　1)DMX512数字信号传输协议：以帧为单位，每帧数据由同步头和512个字节组成。按串行方式进行数据发送和接收，数据传输速率为250Kbit/秒(比室内智能照明控制要求快百倍)。DMX512信号的同步头告诉接收设备：后面有512个字节(byte)的串行数据发送过来，请做好接收准备工作。对于调光系统。每一个字节数据表示调光亮度值。用二位十六进制数表示(从OOH-FFH)，其中OOH表示100%，第一个字节表示第一路亮度值。第二个字节表示第二路亮度值，以此类推第512个字节表示第512路亮度值。

　　DMX512信号的另外一个重要特性是信号差分输入工作模式。当干扰信号同时加在正信号线和负信号线上，采用信号差分输入时，输出端能滤除这个类干扰信号，有效地提高系统的抗干扰能力。此外，数据传送距离每段可达1000m.总线尾端应接一个120Ω的电阻，否则可能会失配而发生数据紊乱。

　　2)数字触发器：有两种工作方式，一为触发导通方式;一为触发关闭方式。触发关闭方式对电力系统的谐波干扰要比触发导通方式低。这是近年来研究出来的较为先进的触发方式。

　　3)数字调光台：电脑处理系统通过输入接口将推杆信息(如分控杆、集控杆、总控杆等)。按键信息(如记录场、集控、效果等)收集起来进行处理。处理结果通过输出接口转化为DMX512信号分别输出到相应的DMX信号输出口上，同时在显示器上显示出相应内容。

　　4)数字信号解码处理器：将512个串行数据接收并存入MCU的RAM存储缓冲区中。在时序节拍的控制下，数字信号解码器中的MCU根据电网的同步信号及RAM存储缓冲的调节亮度数据，输出触发脉冲控制晶闸管进行调光输出。

　　以上是全数字DMX512调光系统基本配置。DMX512系统还可采用分布式、模块化的计算机网络技术控制系统，通讯接口采用计算机通讯中通用的EIA-485标准，采用光纤(网线)传输控制信号。向下通讯采用标准DMX512信号，可控制512个DMX通道;向上通讯基于TCP/IP方式，实现多个DMX512子系统的半网络化或全网络化大范围控制。并进一步实现更有效和更完善的灯光设备管理。

　　(2)i-bus总线

　　i-bus总线是基于EIB(欧洲安装总线)标准的两线网络。EIB是European　Installation　Bus的缩写。EIB是1990年起源于欧洲的一个现场总线协议标准，主要用于民用建筑中各类电气设备的智能化控制。EIB是一个开放的、综合性系统，覆盖楼宇家庭自动化的。它不依赖于特定的设备制造商，只遵循统一的标准。作为EIB的管理机构，EIBA(European　Installation　Bus　Association)协会己拥有包括ABB、SIEMENS等著名电气集团公司近300家会员厂商，研发生产的各类功能模块达5000多种，占据欧洲楼宇、自动化设备80%的市场。目前，EIB标准以其同类产品中绝对优势的市场占有率而成为事实上的欧洲标准。鉴于EIB在欧洲的楼宇自动化和家庭自控市场占有主导地位，及其在北美的良好表现，该协议已被美国消费电子制造商协会(CEMA)吸收作为家庭自控的标准EIA-766.

　　EIB系统是专用于建筑电气设备控制的现场总线技术，所以很多EIB系统也应用于智能照明控制系统。与前两代的集中式控制和集散式控制技术相比，EIB系统是一个安全分散的全分布式系统，在这个系统中没有主/从的设置，所有的现场设备包括面板按钮、开关驱动器、调光驱动器、定时器等都是系统中的一个节点。当根据需求设计和选择的应用程序被下载入全部元件模块中去之后，各个元件就可以完全独立地进行工作。当有集中管理的需求时，作为中央管理单元的计算机也是作为总线系统中的一个节点参与管理工作。2000年8月，厦门国际会展中心是EIB在中国的第一次成功应用。北京首都国际机场T3航站楼智能照明控制采用了ABB公司的i-busEIB系统，共有包括普通照明和应急照明回路总共56000个，其中调光回路550个，风机盘管620套，屋顶融雪装置430个等，是目前世界上最大的EIB/KNX智能照明系统案例之一。

　　EIB通讯协议支持通讯介质分段组合的网络，包括双绞线、输电线、无线传输。最大传输距离可分别长达1000m、600m、300m。网络采用了域(Domain)、区(Area)、线(Line)的分层的结构。每一条Line上最多可以连接255个设备;一个Area内最多可容纳15条Line;而一个Domain则可容纳15个Area.连接通过特殊的线耦合器(Line　Coupler)和区耦合器(Area　Coupler)实现。相应的设备的地址也分为区地址(4位)、线地址(4位)和设备地址(8位)。控制信号与系统在设备间通过数据帧传输。基本数据格式由EIB协议规定，一个数据帧可携带多达14字节的数据，包括控制码、地址码、操作码、校正码四部分内容。

　　由上可知，由于没有采用主/从结构的设置，在现场的每个节点设备包括面板按钮、开关驱动器、调光驱动器、定时器等都是平等地位。也就是说，每个节点设备都可作为从属设置;或者只要内置适合的软件，在一定程度上每个节点设备都有可能作为主设置去控制其它从属节点设备。因此，每个节点设备都会相对很复杂，成本很高。这适用于如飞机场这类可投资上千万元的高档场合灯光及照明控制系统应用。而对于一般家庭和办公照明智能控制就非常昂贵了。另一方面，面板按钮、开关驱动器、调光驱动器、定时器等节点智能设备，只能对连接在上面的灯具产品的输入端进行控制和调节。因此，除了对白炽灯和低压石英灯灯具进行相位斩波调光比较适合外，对于其它气体放电灯灯具的调光控制不适合甚至无法应用。因此，EIB总线协议比较难实现高质量的智能照明控制比较困难。

　　(3)X-10电力线载波总线

　　X-10总线是利用电力线载波技术来实现照明电灯等家用电器控制的规范。它不需要另外布置控制线，易用价廉是它的最大特点，适合于家庭特别是旧房照明改造应用。美国X-10公司生产和销售的X-10产品在北美取得了巨大的商业成功。目前，数百万至上千万美国家庭在使用X-10产品。

　　X-10信号是根据电力线信号正负过零点处120kHz脉冲信号出现与否来进行传输。信号帧头标识符为1110，该标识符仅以真值形式传送，其余每个信号分别以真值和补码两种形式在交流电的零相位时开始传送。为了与三相交流电的过零点相一致，这些数据帧必须连续传送三次。X-10系统由发送控制器和多个接收控制器组成，各控制器可设定不同编码以示区别。使用时，发送控制器和接收控制器可插入室内不同的电源插座(注意不是置入最终端家用电器产品)，家用电器设备插接在这些接收控制器上。用户可在与控制器相连的键盘输入控制命令和接收控制器编码，实现家用电器及照明设备的远程控制。控制命令由120kHz脉冲串组成，在1ms时间内，有脉冲表示为“1”，无脉冲则表示为“0”，电源频率过零点同步。

　　每个X-10数据包包含有标识符、房间编码和单元/功能编码，共22bit.目前已开发出电力线路通信的嵌入式芯片、双向和三向通信组件、具有电脑接口的组件及相应软件等。

　　另一方面，X-10的面板按钮、开关驱动器、调光驱动器、定时器等节点智能设备，只能对连接其上的灯具产品的输入端进行控制调节，因此除对白炽灯和低压石英灯灯具的相位斩波调光还比较适合外，对于其它气体放电灯灯具的调光控制难以应用、甚至无法应用。

　　此外，X-10的反映速度慢(传送一个指令需零点几秒)、抗干扰性能差(信号加载在电力线中传送)的缺点。而我国电网质量不好、干扰大的问题等比较严重，这给X-10在我国的推广应用带来实质性的困难。因此，X-10产品在我国的应用例子并不多。