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【干货】详解无线照明控制系统应用
导读： 近年来无线照明产品越来越普及，从家居使用的Philips Hue、ilumi等产品，到大型楼层乃至建筑中使用的OSRAM Encelium等等，都已经或即将成为我们生活和工作中的一个要件。
近年来无线照明产品越来越普及，从家居使用的Philips Hue、ilumi等产品，到大型楼层乃至建筑中使用的OSRAM Encelium等等，都已经或即将成为我们生活和工作中的一个要件。本文旨在对已有的无线照明控制的设备、连接方式和协议做一个比较概括的介绍，使得读者能对这方面的知识有一个比较全面的了解。
典型的自动照明控制应用涉及输入设备（诸如光电传感器）以及与之交互的功率控制器（诸如开关、调光器等）。虽然这些组件可以集成到同一设备（例如，壁箱式占用传感器）中，但它们通常是分开安装的。为了进行交互，输入设备必须向控制器发送控制信号，然后由控制器来调控负载。传统的主要方法是沿着专用的低压线路（通常称为“硬连线”）发送控制信号。最近迅速普及的一种方法是使用在空中传播的无线电波进行通信，从而无需专用控制线路。由此产生的优势使得先进的照明控制具有更大的安装灵活性、良好的可扩展性和更低的安装劳动成本，适用于许多应用，特别是布线难度较大的应用，比如在外墙、高天花板、硬质天花板、石棉基底表面、需要重新配置的空间和现有的实体建筑物中的应用。
图1：无线控制的概念图。来源：Audacy Wireless Lighting Control。
优点
无线照明控制本身就具备硬连线控制系统的基本功能，而使用无线控制系统能够带来更多明显的好处：
●灵活性：无线控制设备可以放置在任何需要的地方，不受布线限制，包括难以布线的区域。独特的应用程序提供了更大的灵活性，这能有效缩短电气规划周期。安装后也可以相对轻松地移动设备并扩展系统。
●节省劳动力和材料成本：无线控制无需专用控制线路和相关的开关支路、钢丝绳、导管和其他原材料，可加快和简化安装进程。也无需对墙壁或天花板造成损坏，对业务运营几乎没有影响，因此无线控制非常适合于现有建筑物照明改造和街道照明等应用。
●可扩展性：随着空间需求的变化，可以轻松扩展无线照明控制系统。
无线控制的优势使这些解决方案特别适用于运行控制线路的成本太高或根本不可能的应用领域，例如户外区域、停车场、仓库等的升级改造。
无线系统
无线照明控制系统通常由以下部件组成：
●输入设备（例如：传感器和开关）；
●管理设备，包括网关（其功能类似于无线路由器）；
●服务器。
传感器具有无线发射器，通过空气将信号发送到嵌入在网关或中继器模块中的接收器，后者将信号发送到服务器，然后服务器与控制器通信以调节灯具的状态。开关通常将信号直接发送到灯具控制器。
无线控制的设备在安装前一般都需要设置。在设置过程中，所有设备都会被识别并添加到可编程网络中，在那里它们通常会被分组，并可由用户为分组命名，比如“大厅灯”、“走廊灯”、“卧室灯”、“厨房灯”等等。设置方法因制造商而异，包括按钮编程、条形码扫描、手机应用设置、图形数据库生成等。
对于要通信的设备，它们必须在彼此的信号覆盖范围内以确保可靠的信号传输。这些设备在拓扑内配置，以确保可靠的信号路径。它们必须使用相同的协议（通信方法）进行互操作。否则，如果系统中的设备使用不同的协议，那么系统就需要使用网关、通过网关编程将操作数据发送回中央服务器。
灯具控制器
功率控制器是一种基于继电器的设备，提供ON ／ OFF切换以及0－10VDC、DALI等全范围调光操作。在无线系统中，控制器具有嵌入式无线接收器，可接受范围内的无线电控制信号，然后在其设定规则内对这些信号进行处理。
传感器
大多数的商业建筑能源法规要求使用占用传感器和光传感器作为控制系统的输入设备。无线控制系统的唯一区别是这些传感器包含无线发射器以使用无线电波与系统通信。传感器可以是集成灯具的一部分或安装于灯具以外的独立组件。一些单独安装的独立传感器集占用传感器和光传感器的功能于一身，以最大限度地简化安装。还有一些传感器具备额外的功能，例如温度传感。
独立传感器可以由电池供电，如果使用EnOcean技术，则通过从所在空间收集能量（例如环境光）来提供动力。如果设备采用电池供电，则应配备高品质电池，以提供可靠性和长使用寿命。它还应与效率最高的设备相匹配，以最大限度地延长两次充电之间的时间。
开关和其他设备
与传感器一样，在大多数空间中需要开关以便于手动控制。手动控制的优先级应该高于任何预设定的程序，以便于用户在必要的时候可以自主地对系统进行控制，而不用受限于其他因素。开关也可提供调光操作。与传感器一样，它们可由电池供电或收集所在空间的能量，例如拨动开关产生的机械能。一些开关还提供附加功能，例如使用不同的按钮来选择不同的预设照明场景。
许多控制系统可以使用触摸屏手动控制面板。这些屏幕提供手动控制功能，可编程预设场景，具备联网功能，以及可以集成一些非照明功能，如温度控制和基于空间占用情况的节能调度。
最后，一些系统允许将第三方设备合并到网络中。例如，一些系统与无线插头负载控制器通信以满足现行的法规，而其他系统与暖通空调控制器通信以调控温度。
服务器和网关
如果无线控制系统联网进行单点日常操作和数据收集，它应具有中央服务器和（或）网关。服务器通常安装在IT或电气柜中，它存储关于网络上的照明和控制点的信息，它还存储调试、编程信息，还可以存储能源使用数据。
大多数联网的照明控制系统也使用网关将服务器的网络连接分配给设备（控制器、传感器和开关）。在大多数无线系统以及大多数有线系统中都是如此。在无线系统中，网关本质上是无线路由器，通常安装在完成装修的空间中。
图2：图片来自OSRAM Encelium。
如果服务器、网关和控制设备之间的连接中断，控制设备将按照上次配置继续运行。然而，与服务器中断连接可能导致能量数据和其他功能的丢失。在某些系统中，服务器功能已合并到网关中。通过将该服务器功能与网关功能相结合，位于受控空间中的一个设备就足以完成两项任务。
但是，在大多数系统中，服务器是与网关分开的。这种情况对于集中式控制系统来说是比较普遍的，对于大多数基于房间区域的系统而言通常也是如此。在这种情况下，网关必须通过某种形式的电缆连接到服务器，通常使用以太网电缆（即Cat 5e）来实现。在大型空间中，例如大型开放式办公楼层，服务器通常位于IT室或电气柜中。网关遍布整个受控空间。因此，电缆必须从受控空间中的网关路由到IT室或电气柜中。
如果业主允许，则可以使用业主现有的IT网络将网关连接到服务器。如果您可以将网关以及服务器物理连接至现有的网络端口，则只需确定网关的IP地址，服务器软件就可以找到它们并将它们拉到照明控制系统上。在这种情况下，不需要从受控空间到建筑物的核心排布额外的电缆来进行此连接。
图3：图片来自OSRAM Encelium。
云端服务器
现有的云端设备大多可以使用WiFi来进行云连接，而有一些系统需要使用的专用方法，例如使用专用的3G或4G调制解调器。在这种情况下，务必与制造商联系，了解您可以在何处找到该设备，以确保其信号到达最近的信号塔。如果该信号暂时丢失，系统的组件仍应正常运行，除了某些功能（例如，能源使用记录）要在恢复与服务器的连接之后才会重新生效。
当您使用具有云端服务器的无线照明控制系统时，制造商通常会处理部分或全部的调试与维护工作。这些工作通常涵盖分区、重新分区、更新软件、更新固件等。这通常会要求业主与制造商或承包商签订一段时间的维护合同并支付相应的费用。
图4：图片来自Current by GE。
协议
协议是用于设备设计的一组规则，以便它与具有相同协议的其他设备进行通信和互操作。需要注意的是，0－10V是一种控制方法，而不是协议，但DALI或其他数字协议可以利用数模转换设备来产生0－10V控制电压以实现调光功能。
图5：一个使用DALI协议的传感器。图片来自Enlighted。
当前普遍使用的协议包括ZigBee，DALI的无线扩展，Xbee，EnOcean，蓝牙，低能耗蓝牙（BLE）和Synapse网络设备协议（SNAP）。 2017年7月，蓝牙宣布推出蓝牙网格（Bluetooth Mesh）协议。其它的很多系统也使用各自专有的协议，其中许多与ZigBee类似。无线控制设备可以使用网关或共享通用协议与有线照明和楼宇自动化系统进行集成。
开放协议与专有协议
协议可以是开放的标准（开源）协议或不开放的专有协议。诸如ZigBee（IEEE 802．15．4）之类的开源协议提供了一个架构，使得不同供应商按照该协议所生产的设备能在这个架构中互相通信和操作。它还允许与其他制造商的设备进行通信，例如无线插头负载控制器和恒温器。但是，如果整个系统出现问题，就必须确定多个供应商之间的责任方。
基于专有技术的协议，如EnOcean，是授权给其他制造商，由他们提供基于该协议的设备。专有协议的设计要求系统中的所有设备都经过预先测试，保证可以互操作，但所有设备都必须从单个制造商处获得。这确保了系统将按照预期运行并有一个明确的责任方。但是，业主就不得不与单个制造商及其产品线绑定在一起了。
无线控制在电磁频谱上的开放短波射频波段上进行通信。 ZigBee和蓝牙均以2．4 GHz的频率运行。由于许多其他设备也在2．4 GHz上运行，因此专有的协议通常以不同的频率运行，例如315 MHz、434 MHz和900 MHz。
拓扑
网络在拓扑结构中进行配置。射频无线照明控制网络通常使用自愈网格或星形拓扑。在自愈网格中，数据在设备（如下图所示的D1，D6，D11）之间流动，在网关和给定的控制点之间进行通信。如果一个设备发生故障，信号流将通过其他设备重新路由至目的地 （D1，D6，D9，D10，D11），从而通过多个节点和节点冗余提高可靠性。这个过程就称为“自我修复”或“自愈”。
图6：自愈网格图。图片来自Lutron Electronics。
在星形拓扑中，来自所有无线设备的信号直接传输到一系列网关，再从这些网关传输出去。这些网关就形成了固定网络的枢纽。在一些系统中，一个或多个灯具控制器可被指定为中继器以扩展信号覆盖范围。相对较低的信号流量可以提高可靠性和速度，使得系统相应更敏捷、更精确。
图7：星形拓扑图。图片来自Lutron Electronics。
制造商还提供其他拓扑结构，例如集群拓扑。由于无线照明技术相对较新，因此没有大量的研究支持一种技术而否定另一种技术。代理商和业主应该向制造商询问他们的解决方案如何使项目受益的具体案例。
房间式控制系统与集中式控制系统
无线照明控制系统具有不同级别的功能以及相应的成本和调试流程，以便代理商能够根据项目需求而给出精确匹配的解决方案。大多数已安装的照明控制系统都是基于房间的，其中每个房间的系统都是自主运行的。该系统必须在现场进行编程、分区和校准。尽管一些制造商会提供带有传感器和控制器的连接照明组件，这些组建具有符合能源法规的预编程操作，但分区和校准工作通常也是不可避免的。虽然未来可以进行重新编程、重新分区和重新校准，但基于房间的控制系统主要还是被设计为“安装后不变”。一些制造商已经使他们的系统更加便于调试，使技术人员能够通过移动设备（如手机）的应用程序来设置和调整系统操作。
集中式无线控制系统类似于房间式的系统，但设备与中央服务器通信方式并不类似。因此，它们可以进行集中或远程的编程、分区和校准，具有更强大的功能，如自动化需求响应和全球日常管理。许多系统为控制器提供集成的功率计量芯片，无需在分支电路上安装电流传感器进行计量。这使得能耗测量以图形方式显示在用户界面上（如下图），并使系统进行监控，且具备自动通知和警报的功能。这些系统的准确性各不相同，因此业主需要询问制造商如何测量能耗。此类系统除了含有集成在灯具内的传感器外，还可提供独立传感器，并允许有线＋无线的混合设计，提升了设计的灵活性。
图8：图形化的照明控制界面。图片来自RAB Lighting。
节点
无线照明控制系统通常会建议限制连接到特定网关的节点数量。在一个无线控制系统中，节点就是任何一个以其自己的唯一地址（即，灯具控制器、传感器、开关等）无线地发送和接收指令和数据的设备。例如，某个制造商的系统硬性限制每个网关最多连接700个节点，而另一个制造商建议限制为每个网关100个节点。
用户应当了解这些限制是属于建议限制还是硬性限制。即使它只是建议的限制，也最好不要超过它。在一些系统中，操作软件可以是硬编码的，使得网关只能处理特定数量以内的节点。在其他系统中，限制仅仅是建议。这通常由无线网络上的预期数据流量来调控。请记住，某些设备可能会发送和接收比其他设备更多的数据。如果某些设备比别的设备有更大比例的数据流量，则可能会对网关处理数据流量的方式产生影响。
范围
影响无线控制设备安装位置的一个重要因素是信号范围。这些信号通常是低功率的，这就限制了它们的作用范围。无线控制系统通常用于低功率、低传输率和近距离范围。
制造商通常会发布有关设备和网关之间的覆盖区域以及最大范围的建议。虽然业主们希望尽可能少地安装设备以减少成本，但还是要将无线设备保持在有效范围内以确保连接可靠性。
在安装无线控制系统时，如果信号必须穿过障碍物（如内部隔板和密集的建筑材料，例如煤渣墙），要特别注意制造商的限制建议。制造商可以提供其他建议来帮助定位设备，例如使它们与金属物体保持一定距离，因为金属物体可能影响网络信息的准确传输。
图9：一种无线网关的覆盖范围示意图。图片来自Lutron Electronics。
典型的开放式办公室布局
在使用灯具集成控制的系统中，每个灯具都有自己的集成控制器和传感器。其他系统可以选择能够处理更大负载的控制器。这样，一组灯具可以连接到一个上游的控制器。在开放式办公空间以及许多其他类型的空间中，现行的规范要求阳光能照射到的区域中的灯具可根据当时的阳光照射情况对自身进行自动的控制。因此，当在一组灯具的上游使用具有高额定电流的控制系统时，需要仔细规划，以确保它们可以被划分成不同的区域（如主要日光区、次要日光区），以适应建筑能源法规的要求。但是，请记住，在使用此类系统时，未来对空间的改动可能导致需要重新布线。
图10：开放式办公室中的一种无线设备排布。图片来自Lutron Electronics。
典型的课堂布局
如在开放式办公空间中一样，教室中位于主要和次要日光区域的灯具也必须根据当时的日光情况进行自动控制，以符合大多数现行的能源法规。在一个具有与窗壁平行的三行灯具的教室中，第一行灯具通常在主要日光区域中，而下一行通常在次要日光区域中（如下图所示）。
图11：课堂中的一种无线设备排布。图片来自Lutron Electronics。
典型的仓库布局
仓库中的灯具通常以行的形式安装，以每个过道为中心。能源法规通常要求每个过道中的灯具在无人期间自动关闭（或者至少是自动调暗）。灯具的这种关闭（或调暗）的操作由占用传感器触发。由于法规通常要求特定行内的所有灯具同时自动打开或关闭，所以每行的末端处安装一个传感器就足以满足这个要求，而不需要在每个灯具上集成一个传感器。
在下图所示的系统中，每个灯具都有一个集成的控制器用于开启、关闭和调暗操作。独立占用传感器安装在每行灯具的北端，与灯具分开安装。在该系统中，传感器接口通过低压线连接到最近的灯具控制器。因此，传感器发出的信号通过灯具中的无线控制器并馈送到网关和服务器。
图12：仓库中的一种无线设备排布。图片来自Lutron Electronics。
如果使用集成在灯具上的照明控制的系统（每个灯具不仅具有控制器而且还具有集成传感器），则不需要额外的布线。电气承包商只需安装每个灯具并连接电源线（火线、零线和地线）。即使该应用不要求每个灯具使用自己的传感器，这种控制方式也可以降低安装成本和复杂性。
在某些阳光充足的地区，具有顶部采光（即天窗）的空间中的灯具必须根据日光条件自动调暗。因此，就需要光传感器和占用传感器。需要注意，能源法规通常也要求这样的空间中有手动开关。
结语
本文对无线照明控制系统的组成部分和通信方式做了一个比较概括的介绍，以期将现行的不同控制系统的共同特征都囊括在内。如文中所谈，无线照明控制系统已经广泛地应用于新建筑和老建筑改造中。然而我们也必须清醒地认识到，无线照明控制系统很快将不再是一种独立存在的控制系统。随着物联网的发展，无线照明系统已经逐步、且必将成为物联网系统的一个重要的组成部分。所以当今的无线照明系统开发商应当具备适应未来的眼光，为新的无线照明控制系统融入物联网这个大系统而做出必要的准备和铺垫，从硬件范畴的机械匹配、电压匹配、接口匹配等，到软件范畴的数据兼容、图形化兼容、互操作等。总之，这种融入已经成为一个不可逆转的大趋势，这种趋势可能带来一些技术上的阵痛，但同时蕴藏着巨大的市场机遇。
责任编辑：JRT来源： 中国半导体照明网
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