P-BUS總線技術(shù)在智能照明控制系統(tǒng)的應(yīng)用
Application of P-BUS Bus Technology in Intelligent Lighting Control System
摘要本文介紹Pyxos網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基本常識(shí)，尋求更簡潔、方便且高效的智能照明控制方式、利用某公司模塊組件組建Pyxos網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能照明系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。
關(guān)鍵詞 P-BUS總線 智能照明控制 綠色照明
Abstract This paper introduces the basic common sense of Pyxos network protocol and seeks a intelligent lighting control method which is more succinct，convenient and highly efficient． It uses the module of a certain company to set up a Pyxos network SO as to achieve the automatic control of the intelligent lighting system
Keywords P-BUS bus， slave station，intelligent lighting control，green lighting
1 引言
現(xiàn)代化的建筑對照明的要求越來越高，不僅要求提供舒適的光照，而且不同的場合需要不同的照明環(huán)境。綠色照明需要科學(xué)設(shè)計(jì)和高效率、壽命長、安全及性能穩(wěn)定的照明電器產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)。照明電器產(chǎn)品包括：電光源、燈用電器附件、燈具、配線器材以及調(diào)光控制設(shè)備和控光器件。這里調(diào)光、控光主要指的是智能照明控制，傳統(tǒng)的照明控制一般采用手動(dòng)開關(guān)控制，對于上述要求很難實(shí)現(xiàn)，而且線路十分復(fù)雜，操作非常繁瑣，并且存在許多無法解決的問題。隨著用戶要求的提高和技術(shù)的進(jìn)步以及產(chǎn)品成本的降低，傳統(tǒng)的照明控制逐步被智能照明控制取代將成為一種趨勢。
2 智能照明控制系統(tǒng)總線介紹
熒光燈的調(diào)光控制方法是隨著電子鎮(zhèn)流器技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展而提高的，早期對帶有鐵芯鎮(zhèn)流器的熒光燈調(diào)光一般采用可控硅前沿相控調(diào)光器輸出直接調(diào)控?zé)晒鉄舻牧炼龋?/span>
表1 三種不同接口電子鎮(zhèn)流器的性能比較表
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類性 控制 |
控制電纜 |
信號極性要求 |
信號極性要求 |
熒光燈啟動(dòng)后亮度處于0 |
可分別尋址 |
調(diào)光特性 |
調(diào)光范圍 |
220V主電源電壓控制 |
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DSI |
2線 |
數(shù)字曼徹斯特編碼 |
無 |
是 |
是 |
指數(shù) |
1％～l00％．3％～l00％ |
鎮(zhèn)流器內(nèi)可開關(guān)切換控制 |
|
DALI |
2線 |
數(shù)字曼徹斯特編碼 |
無 |
是 |
否 |
指數(shù) |
1％～l00％ |
鎮(zhèn)流器內(nèi)可開關(guān)切換控制 |
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1V～10V |
2線 |
1～10V模擬量 |
有 |
否 |
否 |
線性 |
1％～l00％、3％-100％、l0％-100％、5％～l00％、20％～l00％ |
由調(diào)光控制器控制 |
鎮(zhèn)流器僅僅是串連在熒光燈回路中的一個(gè)負(fù)載．這種調(diào)光方法效率低，性能差，調(diào)光范圍窄．現(xiàn)今國內(nèi)外很少用。近年來隨著高頻電子型鎮(zhèn)流器的出現(xiàn)，改變了鎮(zhèn)流器的技術(shù)性能，不少公司逐步推出效率高、性能好、調(diào)光范圍寬、智能化程度高的高頻可調(diào)光電子式熒光燈鎮(zhèn)流器，這種鎮(zhèn)流器作為熒光燈的ECG(電子控制裝置)已成為當(dāng)今熒光燈調(diào)光控制的主流產(chǎn)品。
按鎮(zhèn)流器的控制線數(shù)目劃分，有二、三、四線三種，目前市場上最最廠泛的產(chǎn)品是“四線控制”鎮(zhèn)流器，調(diào)光控制器通過二條220V主電源線為鎮(zhèn)流器提供功率支持，二條超低電壓控制線可接口鎮(zhèn)流器實(shí)現(xiàn)開關(guān)、調(diào)光等各種功能性控制。按控制接口控制信號性質(zhì)可分成三種：
1)1～10V模擬量接口
2)數(shù)字信號接口(DSI)
3)數(shù)字可尋址燈光接口(DALI)
我們的P-BUS總線通過輸出DSI信號控制電子鎮(zhèn)流器，達(dá)到調(diào)光控制的目的。
2.1 直接模擬量介紹
1～10V接口的控制信號是直流模擬量，信號極性有正負(fù)之分，按線性規(guī)則調(diào)節(jié)熒光燈的亮度，調(diào)光時(shí)一旦控制信號觸發(fā)，鎮(zhèn)流器啟動(dòng)熒光燈，首先被激勵(lì)點(diǎn)燃到全亮，然后再按控制量要求調(diào)節(jié)到相應(yīng)亮度，按IEc929標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)鎮(zhèn)流器的最大工作電流為1mA。
2.2 P-BUS系統(tǒng)的介紹
P-bus系統(tǒng)是基于美國Echelon公司開發(fā)的Pyxos嵌入式控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為基礎(chǔ)的總線技術(shù)，它是一種專門擴(kuò)展I/O總線的技術(shù)，使用該技術(shù)可以使得任何機(jī)器內(nèi)部的各個(gè)組成部分之間形成智能的數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)，它是一種低成本的、網(wǎng)絡(luò)自安裝的技術(shù)，而且能夠和現(xiàn)有的基于GB/Z 20177的Lonworks控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)技術(shù)結(jié)合，構(gòu)成任意規(guī)模的自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。Pyxos FT技術(shù)使用曼切斯特編碼方式，采用雙相PSK調(diào)制，載波頻率與通信位速率相同，即載波頻率312.5KHZ，通信速率為312.5kbps,另外在波形的調(diào)制成形方面，充分考慮到使通信信號實(shí)現(xiàn)最小的反射。通信中，使用前導(dǎo)編碼，實(shí)現(xiàn)通信信號無極性，從而避免由于安裝錯(cuò)誤引發(fā)的故障。Pyxos FT技術(shù)，支持在一對雙絞線上，既傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號，又能傳輸24V的交流或直流電，也就是說，基于Pyxos FT技術(shù)的設(shè)備，可以同時(shí)從通信數(shù)據(jù)線上取得工作電源。這些特點(diǎn)，特別適合那些不能為設(shè)備提供本地供電方式的應(yīng)用場合。
2.3 P-bus系統(tǒng)的構(gòu)成
基于Pyxos網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的設(shè)備連接構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲С挚偩€拓?fù)浜妥杂赏負(fù)鋬煞N方式?？偩€拓?fù)淙鐖D一所示，自由拓?fù)淙鐖D二所示。圖中P代表Pyxos中的Point節(jié)點(diǎn)。
使用總線拓?fù)鋾r(shí)，總線的最大長度為400米，分支長度可以為0.3米，在總線的兩端各是一個(gè)阻抗為105歐姆的阻容網(wǎng)絡(luò)組成的終端匹配器。對于自由拓?fù)浞绞?，Pyxos網(wǎng)絡(luò)所有的連線最長為100米，在網(wǎng)絡(luò)的任意位置使用一個(gè)阻抗為52歐姆的阻容網(wǎng)絡(luò)作為終端匹配器。
在Pyxos網(wǎng)絡(luò)中，Pilot和Point節(jié)點(diǎn)均使用一個(gè)Pyxos芯片。
2.3 基于 P-bus系統(tǒng)的設(shè)備
P-bus總線技術(shù)基于Pyxos嵌入式控制網(wǎng)絡(luò)，Pilot作為主設(shè)備，Point作為從設(shè)備，一個(gè)Pilot節(jié)點(diǎn)最多可以管理32個(gè)Point節(jié)點(diǎn)。Pilot節(jié)點(diǎn)必須使用一個(gè)主處理器，一個(gè)典型的Pilot設(shè)計(jì)如圖三所示。
圖三 一個(gè)基于Atmel SAM7S64的Pilot節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖
系統(tǒng)最小的結(jié)構(gòu)是Point節(jié)點(diǎn)（從設(shè)備），一條P-bus總線即一個(gè)Pilot節(jié)點(diǎn)（主設(shè)備）最多支持32個(gè)Point節(jié)點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)最多支持200條總線，即200個(gè)Pilot節(jié)點(diǎn)。也就是說整個(gè)系統(tǒng)最多支持200x32=6400個(gè)Point節(jié)點(diǎn)
P-bus智能系統(tǒng)主要有以下基本控制功能：
·設(shè)定燈電路的發(fā)光電平值。
·遠(yuǎn)程開關(guān)燈電路。
·存儲(chǔ)和調(diào)用預(yù)先設(shè)定的燈電路工作參數(shù)值。
·可以查詢每個(gè)電子鎮(zhèn)流器的工作狀態(tài)。
·可以查詢每個(gè)燈負(fù)載的工作狀態(tài)。
利用以上的有關(guān)信息可以判斷照明系統(tǒng)的有關(guān)工作狀態(tài)。
P-bus照明控制系統(tǒng)構(gòu)成燈光控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：簡單、可靠、功能優(yōu)良。
1)通信結(jié)構(gòu)簡單可靠，P-bus系統(tǒng)通信協(xié)議是基于Pyxos通訊協(xié)議，是一種基于分時(shí)復(fù)用技術(shù)（TDM）的鏈路層數(shù)據(jù)通信協(xié)議，使用雙相PSK信號調(diào)制技術(shù)。所有設(shè)備都能夠周期地、可預(yù)測地取得網(wǎng)路的使用權(quán)，也就是說，設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)確定性的操作；在數(shù)據(jù)報(bào)中沒有地址信息，只有數(shù)據(jù)，沒有額外的數(shù)據(jù)開銷；網(wǎng)路可以始終運(yùn)行，不需要使用長的前導(dǎo)報(bào)文來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備間的同步，因而可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速通信；不需要使用心跳技術(shù)，正常的設(shè)備在每一個(gè)屬于自己的時(shí)間片都會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)的管理。Pyxos通信協(xié)議是一個(gè)嚴(yán)格遵循主/從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的協(xié)議，在一個(gè)Pyxos網(wǎng)絡(luò)中可以有一個(gè)主設(shè)備（Pilot節(jié)點(diǎn)）和最多32從設(shè)備（Point節(jié)點(diǎn)）。所有的通信均通過Pilot，在不同的從設(shè)備Point之間不支持報(bào)文路由。Pyxos通信使用短的數(shù)據(jù)包進(jìn)行通信，Pyxos網(wǎng)絡(luò)中有限的設(shè)備數(shù)目可以限制MAC延時(shí)。總線上的每個(gè)控制器在通信中作為Point，而總線上的像鎮(zhèn)流器這樣的ECG只是響應(yīng)Point的命令起SLAVE的作用，系統(tǒng)具有分布式智能功能。
2)安裝簡單方便，安裝P-bus系統(tǒng)接口有2條主電源線，二條控制線，對線材無特殊要求，安裝時(shí)也無極性要求，只要求主電源線與控制線隔離開，控制線無需屏蔽，要注意的是當(dāng)控制線上電流在250mA，線長300m時(shí)壓降不超過2V。
3)節(jié)約能源、方便管理、維護(hù)：功能和控制的修改方便靈活，只需少量的程序調(diào)整，不需要現(xiàn)場重新布線就可以實(shí)現(xiàn)。此外，可節(jié)約能源，提高效率。通過將時(shí)鐘，光線控制設(shè)定使系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行到最佳狀態(tài)，合理節(jié)約能源，方便管理和維護(hù)。
合肥圖久智能科技提供的P-bus燈光場景控制系統(tǒng)專門用于燈光及其他設(shè)備的控制，可以提供亮度、燈光場景組合等控制效果，并且可以根據(jù)用戶的其他要求，在該控制系統(tǒng)中增加其他控制功能。
SMC-MO是熒光燈調(diào)光控制器，通過服務(wù)器交換機(jī)可以將多段Polit子系統(tǒng)連接成一個(gè)規(guī)模較大的燈光控制系統(tǒng)，這個(gè)控制系統(tǒng)的主干網(wǎng)可以運(yùn)行比Pyxos協(xié)議更高一級的協(xié)議，如以太網(wǎng)協(xié)議等。
圖四中的主干線一般采用RS485、Lnworks、TCP/IP的一種，若采用Lnworks則需要增加網(wǎng)關(guān)模塊。
P-bus控制系統(tǒng)還可以將DSI控制、0～10v調(diào)光控制、繼電器燈光回路控制等融于一體，一整個(gè)建筑物及局部區(qū)域燈光進(jìn)行控制，從而更進(jìn)一步的達(dá)到照明節(jié)能的效果。
同時(shí)P-bus控制系統(tǒng)還可以接入樓宇智能控制系統(tǒng)中，或者多個(gè)P-bus控制系統(tǒng)形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。
3.1 P-bus 特點(diǎn)介紹
·每個(gè)P-bus主控制器可以連接1～32個(gè)P-bus從模塊；
·每個(gè)P-bus主控制模塊可以連接最多255個(gè)I/O設(shè)備；
·每個(gè)模塊最多可以提供5個(gè)九鍵場景開關(guān)選擇，可以根據(jù)用戶需要增加；
·場景開關(guān)也可以選用液晶觸摸屏代替，選用液晶觸摸屏，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需求設(shè)置、存儲(chǔ)1～6組場景；
·每個(gè)P-bus控制器預(yù)留與樓宇智能控制系統(tǒng)或其他控制器組網(wǎng)通訊的擴(kuò)展功能；
·P-bus控制器還可以增加對其他設(shè)備的控制功能，如對窗簾步進(jìn)電機(jī)的控制等；
·每個(gè)P-bus控制器最少預(yù)存1個(gè)場景，并且可以根據(jù)用戶需求增加或改變場景；
·提供集成的控制箱及簡單快捷的接線方式；
·僅需接入設(shè)備（電源看具體情況決定需要與否），即可實(shí)現(xiàn)控制功能，不需要其他任何設(shè)置；
·P-bus控制器與場景開關(guān)(或觸摸屏)分離安裝，增強(qiáng)了房間的美觀性；
·可以將傳統(tǒng)的0～10V調(diào)光控制、繼電器回路控制等接入控制系統(tǒng)，形成統(tǒng)一控制；
·多個(gè)控制器形成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，可以對整個(gè)建筑物形成整體或區(qū)域燈光控制，并可以選擇集中或區(qū)域本地控制等功能。
3.2 P-bus智能照明系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)介紹
(1)高可靠性
系統(tǒng)采用了“分布式控制”的概念，既便于照明系統(tǒng)的中央臨控，又避免了“中央集中式照明控制系統(tǒng)”可靠性差的致命弱點(diǎn)。由于采用預(yù)置信息“分布式控制”，當(dāng)系統(tǒng)中某個(gè)模塊出現(xiàn)故障，只是與該模塊相關(guān)的功能失效．而不影響網(wǎng)絡(luò)其它模塊正常運(yùn)行。從維護(hù)的觀點(diǎn)來看，這種“分布式控制”的概念，既有利于快速故障定位．又有利于提高了大型照明控制系統(tǒng)的 “容錯(cuò)”水平。同時(shí)．由于采用高性能的開關(guān)器件，周密的電路保護(hù)措施使該產(chǎn)品即使在最惡劣的環(huán)境下都具有極高的可靠性。
(2)可觀的“節(jié)能”和“延長燈具壽命”效果
系統(tǒng)能對場地所有燈光根據(jù)需要預(yù)先設(shè)置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)合理的能源管理功能。燈具損壞的致命原因是電網(wǎng)過電壓，電子產(chǎn)品對電網(wǎng)沖擊電壓和浪涌電壓的成功抑制和補(bǔ)償以及軟啟動(dòng)和軟關(guān)閉技術(shù)的引入使燈具壽命延長，對昂貴燈具以及難安裝區(qū)域的燈具有特殊意義。由此可知，“節(jié)能”和“節(jié)燈”對減輕供電壓力，降低用戶運(yùn)行費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)照明管理智能化都具有極大的經(jīng)濟(jì)意義。
(3)安裝簡便，操作直觀
電氣維修工程師僅需接受簡單的培訓(xùn)，就能很快管理大型照明系統(tǒng)，并取代原有空氣開關(guān)或其它開關(guān)和保險(xiǎn)絲，用操作直觀的控制面板取代原有手動(dòng)開關(guān)，兩者之間可用價(jià)格低廉的數(shù)據(jù)總線實(shí)行低壓控制連接，改變了原有手動(dòng)開關(guān)需接入強(qiáng)電線路的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，既安全又能簡化布線工程，而且系統(tǒng)的重組和今后的維護(hù)十分方便。
(4)網(wǎng)絡(luò)控制，便于管理升級
智能照明系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、集中控制、無線遙控、電腦控制、定時(shí)控制、網(wǎng)絡(luò)控制等多種控制方式，并提供燈光軟啟、調(diào)光、亮度記憶、場景記憶等智能化操作和管理。
在某四星級賓館智能樓宇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用了P-bus系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)可以完成以功能：
·場景的預(yù)發(fā)、調(diào)用：通過燈光營造現(xiàn)場多種不同需求的動(dòng)態(tài)場景氣氛；
·調(diào)光：根據(jù)用戶的個(gè)人要求、現(xiàn)場的需要設(shè)置個(gè)性化燈光效果：
·日照補(bǔ)償：在固定照度的條件下，利用自然光調(diào)高調(diào)低現(xiàn)場燈光。達(dá)到節(jié)能的目的；
·紅外、來人感壹亮燈：燈光智能化的體現(xiàn)，適用于走廊、過道、八門場景：
·時(shí)間控制：通過預(yù)設(shè)時(shí)間開關(guān)、燈光的燈光遙控；
具體功能可以做到如下：
1)自動(dòng)開燈功能
當(dāng)客戶打開房門．鑰匙燈立刻點(diǎn)亮，指導(dǎo)客戶插卡取電。當(dāng)客戶插卡取電舌．就進(jìn)人了回家模式，根據(jù)情況和設(shè)定可以得到想要的燈光和電器的組合場景等。
同樣，利用運(yùn)動(dòng)檢測傳感器町以檢測房間內(nèi)有無人，從而自動(dòng)決定是否房間需要照明，一旦檢測到房間有人，自動(dòng)接通照明裝置；人一旦離開房間存一定預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間后(如5min)，自動(dòng)關(guān)閉照明，并可實(shí)現(xiàn)房間恒亮(照)度照明(如在有陽光的情況下，自動(dòng)降低電照明的發(fā)光程度)，也可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)光控制。
2)場景功能
只要輕按一個(gè)鍵，就可以得到想要的燈光和電器的組合場景，如回家模式、離家模式、會(huì)客模式、就餐模式、影院模式、夫妻夜話、夜起模式等。
以標(biāo)準(zhǔn)間為例，作為一個(gè)客人集中(唯一)活動(dòng)的場所，一般配有吊燈、射燈、壁燈、筒燈等，可以用不同的燈光相互搭配產(chǎn)生不同的照明效果，如休閑、娛樂、電視、會(huì)客等場景模式供隨時(shí)選用。
例如：
設(shè)定會(huì)客模式為吊燈亮80％、壁燈亮60％、筒燈亮80％；
看電視場景為吊燈亮20％、壁燈亮40％、筒燈亮10％；
因?yàn)椴捎昧苏{(diào)光控制，燈光的照度可以有一個(gè)漸變的過程，通過遙控器或通過面板的現(xiàn)場控制，可以隨心所欲地變換場景，營造一種溫馨、浪漫、優(yōu)雅的燈光環(huán)境。
3）燈光軟啟動(dòng)
開燈時(shí)，燈光緩緩的亮起，關(guān)燈時(shí)，燈光緩緩地熄滅，消除了光線驟變對眼睛的刺激，既保護(hù)眼睛也減小電流對燈絲溫度的沖擊，延長了燈具的使用壽命，保護(hù)燈泡。
4）亮度調(diào)節(jié)
可以任意調(diào)節(jié)燈光的亮度，從而配合各種家庭場景設(shè)置，為客戶營造出更多更加溫馨和浪漫的場景氛圍。
5）記憶功能
芯片會(huì)自動(dòng)記憶前一次開燈時(shí)設(shè)置的燈光效果，讓智能照明系統(tǒng)的操作更具人性化。
6）安全功能
在房間中的運(yùn)動(dòng)檢測傳感器，除了感知客人的進(jìn)入，還可以感知未經(jīng)過授權(quán)的人的進(jìn)入。同時(shí)在控制臺(tái)，可以看到是否有人員在房間內(nèi)活動(dòng)，做到安全防范。
4.2 控制系統(tǒng)圖
酒店標(biāo)準(zhǔn)間控制方案是將走道燈、床頭燈需要控制的燈光全部接入到P-bus系統(tǒng)，再將控制開關(guān)如插卡開關(guān)、門鈴信號、開燈信號等接入遠(yuǎn)程I／0的開關(guān)量輸入點(diǎn)，也可將溫度調(diào)節(jié)器的模擬信號接入遠(yuǎn)程I／0的模擬量的輸入點(diǎn)?？照{(diào)溫度控制可以由遠(yuǎn)程I/O開關(guān)量輸出點(diǎn)或模擬輸出點(diǎn)完成。
圖5是酒店標(biāo)準(zhǔn)間的控制系統(tǒng)圖，圖6為總線控制系統(tǒng)簡圖，可以根據(jù)要求增加和修改控制點(diǎn)。
對于整體，P- bus總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是不確定得，可以構(gòu)成線型、樹型、星型或混合型。在酒店中可以采取任何形式的結(jié)構(gòu)，具體采用哪種形式或是多種并存根據(jù)客房的分布設(shè)計(jì)。
圖5酒店標(biāo)準(zhǔn)間控制系統(tǒng)圖
圖6總線控制系統(tǒng)簡圖
5 結(jié)束語
隨著人們生活質(zhì)量的提高和環(huán)境的改變，在未來的生活中，引入人類行為學(xué)、心理學(xué)的研究成果，在自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的基礎(chǔ)之上^，按照人類行為心理需要，將生活中的各種功能系統(tǒng)，通過自動(dòng)化產(chǎn)品，與外界相連通的集控制、監(jiān)測、管理與交流于一體的居家智能化住房必定會(huì)很快進(jìn)入平民百姓家。
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