智能建筑中分布式照明控制系统的设计与实现

（广东工业大学 机电工程学院 广东省微纳加工技术与装备重点实验室，广州 510006）

分布式智能照明系统是智能建筑系统的重要子系统之一，采用计算机技术、智能控制技术、传感器技术和通信技术[1]。智能照明系统提高了照明质量，不同的场合通过设置不同的情景模式，使人们拥有舒适安逸的工作生活环境，提高了工作效率；延长了灯具的使用寿命，减少了灯具更换次数，降低了维修成本；通过调节LED灯的亮度，可以达到节能目的，更加符合现代绿色节能减排的理念[2]。

如今，LED在照明领域中广泛使用，不同场合的需求不一样，传统的开关控制无法满足人们对智能照明的需求，现已逐渐转化到模拟控制和数字控制方式。分布式智能照明控制系统中，澳大利亚邦奇电子公司的Dynalite系统，法国施耐德电气公司的C-BUS系统，瑞士ABB公司的基于EIB总线的I-BUS系统[3-4]，均采用有线数字方式控制，其信号稳定、耐久、全面，价格成本低于无线方式。在居住建筑中，普遍应用无线方式包括Zigbee，WiFi等，无线方式具有信号不稳定、功耗大等缺点，且目前技术成本相对有线方式较高。由于工业建筑需要稳定的照明系统，所以仍普遍采用有线方式进行控制。

现代智能建筑照明控制系统，不仅是为了满足人们的视觉照明，更加注重室内环境的氛围，营造舒适安逸的环境，因此会采用适当的控制策略进行优化；为了实现节能最大化，要求充分利用自然光，即根据季节转变、日照时间的长短，采用合理的控制方式进行LED调光，并在特定的时间、空间内保持照度亮度、照度色温，实现照明科学控制管理，节约成本，实现绿色、低碳、环保的生活工作环境[5-7]。

在此，针对建筑智能照明系统分布广泛，控制方式需求多样化，灯具数量多等特点，采用了分布式系统架构。该系统不仅要求本地控制，还要求远程控制，故上位机采用B/S结构，只要通过浏览器就能访问系统，进行管理操作。

1 光照传感器的布置方法

1.1 室内照度比例模型

光照传感器如果安装在工作面上，容易受到办公文件的遮挡，如果放置在墙面较低位置又容易受到走动人员的影响，势必影响照明质量，因此有必要对光照传感器的安装位置进行探索。通过室内房间建模，找出照度传递比的关系，通过DIALux工具仿真得到室内照度传递比的系数。

分别位于平面Ai，Aj上点i，j的位置关系如图1所示，ρ1，ρ2为各自的漫反射率。

图1 均匀漫反射Ai，Aj的位置关系示意Fig.1 Location relation of homogeneous diffuse reflection Ai，Aj

点i所在的微元面Ai的最终照度Ei，由直射照度Edi和反射照度Eri两部分组成：

而微元面Ai最终照度为Ei，反射的光通量φj为

各个表面反射在Ai的平均照度最终为

用矩阵FE=Aφ0形式表示，即为

通过矩阵变换，最终的表现形式为

其中，GF为光通量传递函数矩阵

Gij为光源i对j点的光通传递函数，当光源位置确定不变时，其由室内的各点相对位置确定，不受光源通量的影响，若已知各光通量的值 φ1，φ2，…，φn，空间两点照度比K为

由此可知，室内两点照度比K由光通传递函数和各光源唯一确定。

1.2 照度传递比唯一性和确定

安装灯具后，光源的位置固定不变，所以只需要确定光通量的大小即可。由于直接测量光通量大小不易实现，采用检测墙面照度变化量的办法来计算工作面的照度。实验数据来源的空间模型大小为10 m×8 m×4.5 m，工作面距地1.0 m，顶棚灰浅（ρ=0.2），四周墙壁为大白粉刷（ρ=0.7），地面为油漆（ρ=0.1），均为漫反射材料。选用的LED灯具为600 mm×300 mm，光通量7200 lm，功率60 W，安装高度为3.5 m。根据国标GB50034—2013《建筑照明设计标准》的要求，室内平均照明要求为350 lx，根据上述参数，通过DIALux软件工具，计算出室内应安装的灯具数量，DIALux 3D建模效果如图2所示，仿真平均照度分布如图3所示。

图2 DIALux 3D建模效果图Fig.2 3D modeling renderings of DIALux

图3 DIALux仿真平均照度分布Fig.3 Simulation average illuminance distribution of DIALux

影响照度传递比的因素有：①触发调光指令的墙面传感器变化量足够大；②照度变化比足够大。为了保障墙面照度变化量，工作面上的照度变化量不能过小，图4为工作面照度分别为10 lx和50 lx时K值的波动情况。

图4 工作面照度变化时K值的波动范围Fig.4 Fluctuation range of K value during illuminance change of working face

由图可见，工作面照度的变化量控制在30～50 lx，可以满足照明要求。变化量小，K值波动大；变化量大，工作面一次照度变化梯度大，会使人产生视觉疲劳。

选择室内的一面墙为研究对象，确定安装光照传感器的位置，墙面的位置记为B点，工作面上位置记为A点。通过改变均匀A点的照度变化量，记录B点的照度变化量，

墙面选择的观测点如图5所示，墙面选择观测点的照度传递比等值线如图6所示。

图5 墙面观测点Fig.5 Wall observation points

图6 照度传递比等值线Fig.6 Illuminance transfer ratio isoline

由图6及上述K值的选择，光照传感器的最佳安装高度确定为1.8～2.2 m，且光源光中心在墙面垂直投影点两侧至少1.2 m范围内。

房间光照传感器的具体安装数量和安装位置受不同房间空间的影响，光照传感器的安装仅针对需要自动调节亮度的房间。

2 照明控制策略

照明控制耗能在整栋楼宇的20%～25%，因此采取最优策略进行节能是必需的。

2.1 正常照明控制策略

分时段控制根据上下班时间调整某些场合的灯的开关和亮度，避免下班之后工作人员忘记关灯。

动静探测利用红外传感器等对公众走廊、楼梯等场合的灯进行控制，做到人来灯亮、人走灯灭。

恒照度控制某些场合需要恒照度，在白天的时候，自然光照射到室内，可以适当降低灯的亮度。使用光照传感器检测室内的照度，进行自动调节。

场景控制可以对某些场合预设多个场景，根据实际需要，在多个设置的场景中进行切换，达到营造适宜的室内氛围，也做到了节能。

手动控制能够随时根据实时需求，对灯进行开、关和无级调光等操作。控制不仅要求在本地进行，而且也能够远程控制，这样更方便管理。

2.2 应急照明控制策略

应急照明通常包含在消防系统中，但是照明系统应当与消防系统进行联动，当出现消防紧急情况的时候，正常照明也应配合工作。如当某楼出现紧急情况，及时进行灯光的闪烁，示意需要紧急疏散，并指明安全通道方向，以及通知其他楼层的人员。

3 照明系统控制设计

3.1 照明系统硬件系统

鉴于整栋楼宇分布范围广，控制灯的数量众多，所以采用分布式系统结构，达到“集中管理、分布控制”标准，分布式照明系统硬件结构如图7所示。

采用的IDEABOX3作为现场级的PLC控制器，可以通过gLink总线进行本地I/O扩展，EthenCAT总线进行远程I/O的扩展。数字量I/O模块用于控制继电器的闭合，进而控制LED灯强电，达到开关的目的，模拟量I/O输出的0～10 V的电压对LED进行调光控制。光照传感器将现场的光照度采集反馈给控制器，与设定进行比较，采用PID控制算法进行自动调光。

3.2 照明系统软件设计

3.2.1 系统PLC程序设计

整个系统在硬件上采用分布式控制结构。为了在软件上也符合分布式架构，选择基于IEC 61499[8]标准的设计理念进行软件设计。IEC 61499是用于工业过程控制系统的国际标准，精确地定义了分布式工业控制系统的功能块描述和应用程序的体系结构、模型和文本语法。

系统主要采取模块化的设计理念，将物理模型划分为区域，然后在软件上进行模块化设计，这样便于管理。分布式照明系统的IEC 61499设计框架如图8所示。

图8 分布式照明系统的IEC 61499设计框架Fig.8 IEC 61499 design framework of distributed lighting system

由图8可见，将物理楼宇抽象为一个复合的楼宇功能块（Building_CFB），将物理楼层抽象为一个复合的楼层功能块（Floor_CFB），房间模型抽象为房间功能块（Room_CFB），房间功能块由众多基础功能块构成，如基本功能块、服务功能块以及由它们构成小的复合功能块等。

基于IEC 61499标准，主要是图形化编程，将事先设计仿真正确的各种功能块进行事件和数据的连接，组合成系统控制程序，具体的功能块可以运用ST（结构化文本）、C++语言进行编程，其优点在于事件驱动模型，即当某一具体事件被外界触发后，与事件绑定的数据才参与算法，其他的数据不参与，这样加快了程序的运行周期。

3.2.2 系统上位机程序设计

选择Web技术设计照明系统，采取B/S架构，采用JavaScript，HTML，CSS编程，可以远程访问系统，有良好的人机交互界面，可以在界面上清楚地观测实际物理模型，并加以控制。上位机软件主要功能如图9所示。

图 9 上位机软件功能模块Fig.9 Upper computer software function module

用户管理模块主要包括用户信息、登陆以及系统日志等；

控制管理模块对LED控制模式的选择，如恒照度需要自动模式、走廊等地方需要定时模式等；

数据库管理模块包括历史数据的记录与统计、实时状态数据的实现等；

其他模块有动态的3D模型人机交互界面，可以清楚地了解楼宇的实体模型。

4 照明系统运行效果展示

4.1 照明系统运行效果

照明系统达到了节能环保、远程控制的要求，实现了无物理开关，减少了布线工作量，通过Internet浏览器进入系统人机界面，或通过移动终端如iPad等，安装APP，进入控制系统进行操作。输入用户登录信息之后，进入到主界面，点击物理楼宇模型，即可分别进入中试楼、研发楼的具体楼层。照明实际运行效果如图10所示。

图10 运动控制器成品存放区Fig.10 Motion controller finished product storage area

进入到房间模型，照明控制系统调光面板如图11所示。图中左侧的3D模型是可以旋转的，模型中的小方块为LED模型，可以单击进行灯的开关控制，模型上的亮、灭与实际灯的亮、灭是一致的。能够进行情景模式的选择，如自动模式、午休模式、投影模式、一键关灯、紧急疏散等；显示室内的温度、湿度、照度等；能够进行手动无级调光。

图11 照明控制系统调光面板Fig.11 Dimmer panel of lighting control system

4.2 系统的节能效果分析

试验仍以10 m×8 m×4.5 m空间内的灯为例。房间内有12盏60 W的LED灯，在墙上的适当位置安装2只光照度传感器运行24 h得出数据，以东莞的夏季晴朗天气为标准。表1为不同场景的照明节能分析。

表1 不同场景的照明节能分析Tab.1 Lighting energy saving analysis of different scenes

由表可知，对LED灯进行调光，可以实现很大程度的节能效果，恒照度可以充分地利用室外的自然光，自动降低灯的亮度，节能率可以高达32%。不同亮度LED灯的对比如图12所示。

图12 LED灯不同亮度对比Fig.12 Different brightness contrast of LED

5 结语

智能楼宇中分布式控制系统的设计与现实，遵循了“集中管理、分布控制”标准，基于分布式控制设计原则，使系统具有良好的扩展性，可以随意删减和增添控制节点；实现了智能照明系统环保节能、安逸舒适、操作简便的目的。通过建立室内光照度传递模型，确定了室内光照度传感器的适合安装位置，用于构成闭环控制系统，对LED灯进行调光控制。不仅实现本地的管理操作，也可通过Internet联网进行远程操作；系统具体良好的人机交互界面，可以清楚地了解楼宇建筑的物理模型和灯具的分布位置。分析了LED处于不同的亮度和场景时，系统的节能效果。

[1] 王靓，煮瑞华.教学楼宇智能照明控制管理系统的设计[J].现代电子技术，2015，38（24）：102-103.

[2] 莫夫，李超，余亮.基于物联网的小区智能照明管理系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2016，24（5）：56-61.

[3] Martirano L.A smart lighting control to save energy[J].Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems（IDAACS），2011，14（16）：32-38.

[4] 王宁，陈磊.基于Zigbee的校园路灯智能照明系统设计[J].数字技术与应用，2016，7（2）：14-17.

[5] 田静.照明系统节能改造在引黄工程的应用[J].中国科技信息，2016，12（15）：37-40.

[6] Dibowski H，Ploennigs J，Kabitzsch K.Automated design of building automation systems[C]//IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，57（36）：06-13.

[7] De Paz J F.Intelligent System for Lighting Control in Smart Cities[J].Information Sciences，2016，372（12）：241-255.

[8] Vyatkin V.Function blocks for industrial process measurement and control systems-Part1：Architecture，IEC 61499-1 Standard [J].International Electrotechnical Commission，2012，24（9）：24-57.