新型智能导轨照明装置技术研究与应用前景分析

胡建秋，缑从军

(1.东莞华明灯具有限公司，广东 东莞 523653；2.广东建筑照明智能化技术研究中心，广东 东莞 523653)

引言

目前，导轨照明灯具以其使用方便、调整照明状态容易等特性，广泛应用于商业照明及展陈照明领域。导轨照明装置中的导轨，需要承载灯具电源供电，并能够在导轨上灵活安装和使用专用的导轨照明灯具，一般只能用电源开关控制单个导轨供电回路中的照明灯具，技术水平还停留在十几年前，采用的安全与技术标准为《灯具用电源导轨系统安全要求》(GB/T 13961—2008)[1]。处于单个导轨供电回路上的照明灯具，只能简单地进行开关操作，或者采用常规切相调光器对导轨装置上的多个照明灯具进行群调光，无法对导轨供电回路中的灯具实现独立控制，同时也无法根据现场照明场景要求对导轨装置上的灯具进行分组调节与控制，限制了导轨照明装置在更多照明场合及照明场景使用。为了保障导轨照明满足专业照明的需求，需要专门在独立的导轨照明灯具上设置专有的独立调光装置对单个灯具进行调光，不但引起导轨照明系统调光不稳定，同时也造成了照明资源与能源的浪费。

为了实现导轨照明系统智能控制，现有常用的方法一是采用有线通信的DALI协议及控制系统进行导轨照明装置控制系统设计，首先需要在专业的导轨上搭配专有的DALI信号线，同时在导轨照明灯具中设计符合DALI协议的电子电路及软件系统，实现对导轨照明系统中的单个或多个灯具进行独立寻址，从而通过DALI控制器，实现导轨照明灯具的独立控制或任意分组控制，并可对单灯或灯组进行精确的调光控制。二是直接采用PLC协议进行导轨照明装置的系统设计，并需要在供电前段夹持相应的信号隔离及处理装置，在确保PLC信号可靠性与稳定性的基础上，实现导轨照明灯具的独立控制与任意分组控制[2]。

虽然DALI调光控制系统为照明控制带来了极大的灵活性，最终用户可根据现场照明需求，设计相应的照明控制方案。但DALI调光控制系统存在以下不足：一是导轨照明灯具采用符合DALI协议的驱动装置价格昂贵，再加上各个厂商提供的符合DALI协议的驱动器相互之间不兼容，导致智能导轨上的不同灯具不能正常工作[3]；二是需要在导轨装置上专门增加相应的DALI信号线，导致导轨装置系统结构复杂，导轨上的布线繁琐；三是需要独立的DALI控制设备对DALI导轨照明系统进行调节控制，DALI导轨照明系统设置及调控极其复杂，相应的操作人员以及终端客户具有相当的专业技能，才能对DALI调光控制系统进行准确无误的操控，从而限制了DALI控制系统在导轨照明上的推广使用。

以PLC(电力线载波)通信协议作为智能导轨照明，从原理上具有相当的优势，不需要额外增加单独的通讯信号线，但在实际运用过程中，一是需要独立的电源隔离控制装置，防止PLC信号受到电力线的干扰，才能确保智能导轨系统正常的工作；二是PLC在产品互联互通上还没有统一，导致智能导轨系统很难进行市场推广[2]。

为此，需要根据智能照明技术最新发展成果，结合导轨照明装置系统的优势，研究开发相应的新型智能导轨照明技术，一方面可兼容目前市场上流行的各种照明控制协议，另一方面可以采用物联网技术及网络技术进行远程控制，使得智能导轨照明装置系统应用范围及使用场景更加广泛，满足未来智能照明与情景照明的需求。

1 智能照明现状分析及在导轨照明系统中的应用

智能照明经过几十年的发展及技术积累，目前已经在各种照明场合得到了应用，但在智能照明技术发展中，由于各个行业、各个照明企业各自利益的驱使，再加上智能照明技术的多样化，市场出现了多种智能照明技术及相关技术标准与协议，从控制方式上，既有可靠性高、但需要控制总线的有线智能照明技术，如DALI有线智能照明控制系统(64节点)、DMX有线智能照明控制系统(512节点)、KNX/EIB有线智能照明控制系统(14 400节点)、BACnet有线智能照明控制系统(无限节点)、PLC复用电源线智能照明系统等；同时，随着无线通信技术的快速发展，又有无需专门布线的无线智能照明控制系统技术，如Wi-Fi无线智能照明控制系统、Zigbee无线智能照明系统、BLE MESH无线智能照明系统、NB-IoT无线智能照明系统等[4]，再加上照明行业原有的切相调光照明系统，市场上的智能照明技术及产品显现出多样化的趋势，目前还无法确定未来智能照明市场上既通用又统一的智能照明技术标准。为此，智能导轨照明装置系统采用可兼容多种调光方式的设计思路，以实现有线控制方式与无线控制方式的有机融合，确保智能导轨照明装置系统满足现代照明市场新要求，同时，也为未来智能照明技术提升与更迭替代打下良好的基础。

基于普通导轨照明装置和目前智能照明系统多样化的现状，设计一种新型智能复合型导轨照明装置，既能满足智能专业照明设计的需求，又能满足智能家居照明设计需求，为用户提供智能、健康及舒适的照明体验。同时，可通过智能平台APP，让用户轻松、快捷地对导轨照明灯具进行可靠的有线或无线控制，实现自适应照明控制，如对灯具开关，系统调光调色、简易分组进行控制，使用户既可以通过简单的用户界面实现各种灯光需求控制，同时又能通过智能系统学习功能，实现自适应照明，从而实现真正意义上的智能照明。

智能导轨照明系统控制示意如图1所示。新型智能导轨照明系统与常规智能照明系统采用的通信方式性能优势比较见表1。

表1 智能导轨照明系统与常规的智能照明系统采用的通信方式性能优势比较

图1 智能导轨照明系统示意图Fig.1 Schematic diagram of intelligent track lighting system

其中导轨总控制器为智能导轨照明装置系统的核心，可接收来自不同网络的各种调光信号，并将相应的控制信号进行处理后，转化为符合RS485总线协议的数据及控制信号，从而使得智能导轨照明装置系统能够兼容市场流行的各种有线智能照明协议与无线智能照明协议，相应的导轨总控制器可将智能导轨上使用的各种导轨电器、各种感应器和导轨控制器集中在智能导轨上，从而使智能导轨照明装置系统能够满足各种不同种类的智能照明需求，并且由于导轨系统内智能灯具、智能感应器与导轨控制器之间通过有线方式(符合RS485总线协议)进行连接，使得智能导轨照明装置系统工作可靠性得到有效保障[5]。

导轨电源系统可独立设置，或者集成在导轨控制器中，负责将市电转换成48 V直流电源，并输送给智能导轨照明装置中，同时导轨电源系统能够根据智能控制器的要求进行各种智能控制及设置。而导轨灯具驱动装置、导轨控制器与导轨感应传感器，均采用RS485协议总线结构，并把相应的控制指令或数据通过导轨有线信号线传输给符合RS485协议的智能灯具，从而使智能导轨照明装置系统可最大限度地兼容市场上各种智能照明控制协议，并实现高质量的智能照明与舒适健康照明。

智能照明导轨装置系统采用通用RS485总线作为智能导轨照明系统通信总线，采用通用RS485总线后，除了智能导轨系统数据的传送距离及抗干扰能力较好外，还具备相当高的性价比。通用RS485总线协议属于OSI七层模型协议标准，具备性能优异、结构简单、组网容易等优势，是目前常用的串行通讯接口协议，其优异的联网功能在智能仪表、工业控制领域得到了充分的验证[5]。RS485总线协议允许多个收发器连接到同一条RS485总线上，同时增加了收发器的驱动能力，允许连接多达128个收发器，最大传输距离可达1 000 m以上，从而可采用单一的RS485接口方便地建立起智能照明网络。

考虑目前导轨照明使用习惯，智能照明导轨装置控制系统需要兼容传统的开关面板及遥控装置对智能导轨照明系统内的灯具进行近程控制，同时可通过互联网，使用智能平台APP(手机APP、液晶面板)等对智能导轨照明系统内的灯具进行远程控制。

2 新型智能导轨照明装置技术方案

为了实现新型智能导轨照明，在结合现有智能照明的基础上，需要设计智能复合导轨结构及架构，并研究相应的智能导轨照明技术、导轨灯具控制技术及导轨装置系统控制技术。

2.1 采用专用的导轨总控制器技术及通讯连接兼容技术

可依据照明现场的遥控器、场景开关面板等，通过蓝牙MESH与导轨总控制器进行无线通信，避免了独立于导轨外的其他照明控制器控制智能导轨照明装置时，需要有线连接于导轨控制装置的技术难题，从而保障智能照明导轨装置即使没有Internet网络系统，也能独立可靠地对智能导轨照明系统进行控制。同时，相应地符合蓝牙MESH通讯协议的智能语音箱、智能手机、现场场景面板、遥控器等发出的指令，通过蓝牙MESH信号，传递到专用导轨总控制器中，并通过导轨总控制器编译成符合RS485协议的指令发送给连接到导轨系统上的各个智能灯具，从而对导轨照明灯具进行智能控制及场景设置。

2.2 智能导轨系统配置设计为通过通用智能平台实现

设计通过常用智能平台(如手机、平板电脑)的蓝牙MESH或Wi-Fi对导轨总控制器进行配网，且对于导轨装置系统，只需对导轨总控制器进行配网即可，无需对导轨系统上的独立灯具进行网络配置。同时，通过设计相应的APP软件系统，将导轨系统上的所有独立灯具显现在屏幕上，从而可对独立灯具进行命名、设置调光色温，也可对独立灯具进行分组、场景设置，如图2所示。

图2 智能导轨控制系统配置Fig.2 Configuration of intelligent track control system

2.3 智能导轨照明系统与通用终端智能设备互联后实现远程控制

以Wi-Fi互联网技术，手机蜂窝网无线通信技术以及物联网技术为基础，设计智能导轨照明系统与现有终端智能设备互联，以实现云控制与远程控制，也可使用其他终端设备APP直接与其他智能设备互联控制(如小度、天猫精灵、Alexa智能语音音箱等)。例如，通过常用智能手机APP就可查看所有导轨照明灯具的实时工作状态，避免因出门忘记关闭智能导轨照明系统而造成的能源浪费，同时不受时间地点的限制，可随时控制智能导轨照明系统。

2.4 智能导轨照明内部通信方式采用RS485总线协议

导轨总控制器、导轨控制器与导轨灯具之间通过RS485总线协议进行有线连接，即使智能导轨照明系统上的照明设备众多，也能保持系统可靠、稳定的运行。而一次性传递大量主数据的智能导轨照明控制系统如主控制面板、场景开关采用蓝牙MESH信号无线连接，有效传递控制数据的同时，避免了布线的繁琐，从而使得用户可按现场的需求灵活放置控制器面板的位置。

2.5 照明环境感知及日常管理采用总控制器进行处理

智能导轨照明系统中引入微波感应器和照度传感器等环境感应系统，通过导轨总控制器联动智能导轨照明系统中的灯具，以实现场景触发，通过完美结合人体探测技术以及loT物联技术，实现对家居、楼宇等照明场合进行精准照明控制。

设计专门的日程管理模块，对智能导轨照明系统的灯光进行定时控制；系统自带有日历，可以进行日期、星期、月份及特殊时日的设定，同时简单有效地控制日常灯光照明。特别对于商场或者工厂等大型照明场景，通过日程管理模块实现了对灯光的集中控制或者定时控制，避免因照明设备过多造成控制不便的技术难题。

设计专门的场景管理控制模块，以实现各种场景。对于固定场景模式，只需一次场景编程，设定场景选择，通过灯光控制系统点击按钮，即可直接实现既定的照明场景。

3 智能导轨照明系统技术难题分析及对策

(1)为了克服民用电网对系统的影响，采用低压直流供电。由于智能导轨照明系统中采用RS485通讯，直接采用民用电网系统后，将会导致不同民用电网使用导轨照明时，相应的智能导轨供电系统都需要根据民用电网的改变而改变每个独立灯具的供电系统，同时，民用电网上的电磁干扰将会导致智能导轨系统中的控制信号可靠通讯性能下降，为此，智能导轨照明系统统一采用48 V低压直流供电，只要改变智能导轨系统的电源供电即可，同时，智能导轨照明灯具内部供电回路上采用整流桥堆，可实现导轨照明灯具任意方向安装使用及导轨照明灯具的自由装配。

(2)为了检查导轨连接可靠性难题，设计专用导轨连接检测器。智能导轨照明系统由于采用48 V供电，导致导轨系统工作电流可达12 A，导轨串接时，需保证各段导轨连接良好。为了方便检测导轨连接的可靠性，设计专用检测器，如图3所示，只要将检测制具的发射端安装在导轨的一端，将接收器安装在导轨的另一端，通过接收器就可检测连接的可靠性。

图3 智能导轨专用检测装置Fig.3 Special detection devices for intelligenttrack

(3)为了解决导轨调光无法兼容各种调光接口难题，设计专用调光控制器。目前，照明市场上流行的调光方式繁多，设计单一的调光方式及接口将会限制智能导轨照明系统在市场上的推广，为了使智能导轨照明系统最大限度地兼容市场上流行的各种不同的调光方式，专门设计了可集成TRIAC、ELV、0～10 V、DMX几种不同的调光端口的导轨调光控制器[6]，实现用户可根据自己的爱好及现场需求选择相应的调光方式，如图4所示，现场使用调光方式时，只需在TRIAC/ELV、0～10 V或DMX三组接线端口中选择自己所需的端口接线即可，每种调光方式，都支持手机等智能平台APP直接进行控制，并杜绝在智能导轨照明系统调光时，因调光方式改变出现导轨照明灯具出光亮度的突变，从而有效解决了市场调光方式多样化引起的无法兼容的技术难题。

图4 多接口调光方式控制器接线示意图Fig.4 Cable connections to the controller in multi-interface dimming mode

(4)为了解决智能导轨照明灯具出光角及照射角度调节，设计了专用调节控制电路及结构。智能导轨灯具照射角度与出光角智能调节作为最基本的要求，已经成为市场流行的智能灯具标准配置，但目前实际应用中，往往会结合手动调节快速实现灯具智能调光调角。为了解决上述技术难题，专门设计了具有自主知识产权的照射角度调节技术，并应用了新型的电子透镜。电子透镜可通过调节电流改变内部的晶体组织，通过APP软件或其他控制设备发出指令对电子透镜进行电流调节，从而改变灯具的光束角，为高空间的灯光出光角调节带来了便利，照射角度调节技术可精确地控制灯具水平360°转动，垂直方向90°转动，并可配合手动调节，控制界面如图5所示。

图5 可调照射角度及出光角的智能导轨灯操作示意图Fig.5 Operation diagram of the intelligenttrack lighting with adjustable angle

4 智能导轨照明系统与市场前景分析

由智能导轨照明技术研究形成的智能导轨照明系统成果如图6所示。智能导轨照明系统通过网络或手机无线通信系统，支持第三方的语音音响、手机或平板、场景面板和遥控器等多种控制方式实现远程控制，可满足不同层次、不同场合照明的需求。而现场场景面板和遥控器采用蓝牙Mesh 5.0，可通过导轨控制器与智能导轨照明系统进行无线连接，实现了近程控制，在无网络的情况下，系统可正常进行工作，更加符合市场的需求。

图6 智能导轨照明系统成果示意图Fig.6 Schematic diagram of intelligent track lighting system

现场场景面板和遥控器上的场景，可通过手机等智能平台上的APP预先设置，用场景面板或遥控器进行一键进行切换，能让更多的人享受智能灯具带来的便利与照明舒适性。可搭配合适的环境感应传感器，对智能导轨照明系统中的灯具进行自动控制，实现节能照明的同时，使得照明与自然环境协调[7]，从而有效满足了市场健康舒适照明的需求。

设置的日程管理模块可精确实现照明时间控制与亮度控制，特别在一些公共的照明场合，一次设定后，可在长时间内不需对照明场景进行重新设置与管理，节能降耗的同时，有效缩减了照明管理成本[8]，真正实现了现场智能照明。

采用专门的调光转换模块进行精准调光，满足多种调光模式的同时，调光范围从0.1%～100%，且无频闪，同时可通过软件系统对单个灯具或多个灯具进行精确的控制，并根据场景的需求设置相应的色温，以营造不同的照明氛围，确保智能轨道照明满足现代照明的需求，具有广阔的市场前景。

5 结语

本文研究以导轨总控制器为基础的智能导轨照明技术，可兼容多种智能照明技术，并将DMX、0～10 V、ELV、Triac等多种调光方式集中在智能导轨照明装置中，能够让应用智能导轨照明的场所根据照明的需求，灵活地选择相应的智能控制方式及调光方式，并保障每种智能控制方式及调光方式均可利用智能导轨照明专用APP进行设置，实现远程与近程智能控制。同时，兼容多种智能控制方式及调光方式的导轨总控制器，可根据智能导轨照明技术的发展，实时进行软硬件更替，并给智能导轨照明系统提供新的功效，使得智能导轨照明适应性更强，从而确保智能导轨照明技术形成的系列产品有较长的生命周期。