【中國半導體照明網專稿】（文/譚建川）近年來無線照明產品越來越普及，從家居使用的Philips Hue、ilumi等產品，到大型樓層乃至建筑中使用的OSRAM Encelium等等，都已經或即將成為我們生活和工作中的一個要件。本文旨在對已有的無線照明控制的設備、連接方式和協議做一個比較概括的介紹，使得讀者能對這方面的知識有一個比較全面的了解。

 

　　典型的自動照明控制應用涉及輸入設備（諸如光電傳感器）以及與之交互的功率控制器（諸如開關、調光器等）。雖然這些組件可以集成到同一設備（例如，壁箱式占用傳感器）中，但它們通常是分開安裝的。為了進行交互，輸入設備必須向控制器發送控制信號，然后由控制器來調控負載。傳統的主要方法是沿著專用的低壓線路（通常稱為“硬連線”）發送控制信號。最近迅速普及的一種方法是使用在空中傳播的無線電波進行通信，從而無需專用控制線路。由此產生的優勢使得先進的照明控制具有更大的安裝靈活性、良好的可擴展性和更低的安裝勞動成本，適用于許多應用，特別是布線難度較大的應用，比如在外墻、高天花板、硬質天花板、石棉基底表面、需要重新配置的空間和現有的實體建筑物中的應用。

　　圖1：無線控制的概念圖。來源：Audacy Wireless Lighting Control。

 

　　優點

 

　　無線照明控制本身就具備硬連線控制系統的基本功能，而使用無線控制系統能夠帶來更多明顯的好處：

 

　　●靈活性：無線控制設備可以放置在任何需要的地方，不受布線限制，包括難以布線的區域。獨特的應用程序提供了更大的靈活性，這能有效縮短電氣規劃周期。安裝后也可以相對輕松地移動設備并擴展系統。

 

　　●節省勞動力和材料成本：無線控制無需專用控制線路和相關的開關支路、鋼絲繩、導管和其他原材料，可加快和簡化安裝進程。也無需對墻壁或天花板造成損壞，對業務運營幾乎沒有影響，因此無線控制非常適合于現有建筑物照明改造和街道照明等應用。

 

　　●可擴展性：隨著空間需求的變化，可以輕松擴展無線照明控制系統。

 

　　無線控制的優勢使這些解決方案特別適用于運行控制線路的成本太高或根本不可能的應用領域，例如戶外區域、停車場、倉庫等的升級改造。

 

　　無線系統

 

　　無線照明控制系統通常由以下部件組成：

 

　　●燈具控制器（也稱為繼電器模塊、電源組或調光模塊），通常安裝在燈具內或燈箱內；

 

　　●輸入設備（例如：傳感器和開關）；

 

　　●管理設備，包括網關（其功能類似于無線路由器）；

 

　　●服務器。

 

　　傳感器具有無線發射器，通過空氣將信號發送到嵌入在網關或中繼器模塊中的接收器，后者將信號發送到服務器，然后服務器與控制器通信以調節燈具的狀態。開關通常將信號直接發送到燈具控制器。

 

　　無線控制的設備在安裝前一般都需要設置。在設置過程中，所有設備都會被識別并添加到可編程網絡中，在那里它們通常會被分組，并可由用戶為分組命名，比如“大廳燈”、“走廊燈”、“臥室燈”、“廚房燈”等等。設置方法因制造商而異，包括按鈕編程、條形碼掃描、手機應用設置、圖形數據庫生成等。

 

　　對于要通信的設備，它們必須在彼此的信號覆蓋范圍內以確保可靠的信號傳輸。這些設備在拓撲內配置，以確保可靠的信號路徑。它們必須使用相同的協議（通信方法）進行互操作。否則，如果系統中的設備使用不同的協議，那么系統就需要使用網關、通過網關編程將操作數據發送回中央服務器。

 

　　燈具控制器

 

　　功率控制器是一種基于繼電器的設備，提供ON / OFF切換以及0-10VDC、DALI等全范圍調光操作。在無線系統中，控制器具有嵌入式無線接收器，可接受范圍內的無線電控制信號，然后在其設定規則內對這些信號進行處理。

 

　　目前一些照明控制系統提供可集成到單個燈具中的控制器。許多系統還提供能夠處理更大負載的控制器，通常用于控制多個燈具。請注意，這需要從控制器到每個燈具的電源布線以及低壓調光控制布線。

 

　　大多數的商業建筑能源法規要求使用占用傳感器和光傳感器作為控制系統的輸入設備。無線控制系統的唯一區別是這些傳感器包含無線發射器以使用無線電波與系統通信。傳感器可以是集成燈具的一部分或安裝于燈具以外的獨立組件。一些單獨安裝的獨立傳感器集占用傳感器和光傳感器的功能于一身，以最大限度地簡化安裝。還有一些傳感器具備額外的功能，例如溫度傳感。

 

　　獨立傳感器可以由電池供電，如果使用EnOcean技術，則通過從所在空間收集能量（例如環境光）來提供動力。如果設備采用電池供電，則應配備高品質電池，以提供可靠性和長使用壽命。它還應與效率最高的設備相匹配，以最大限度地延長兩次充電之間的時間。

 

　　開關和其他設備

 

　　與傳感器一樣，在大多數空間中需要開關以便于手動控制。手動控制的優先級應該高于任何預設定的程序，以便于用戶在必要的時候可以自主地對系統進行控制，而不用受限于其他因素。開關也可提供調光操作。與傳感器一樣，它們可由電池供電或收集所在空間的能量，例如撥動開關產生的機械能。一些開關還提供附加功能，例如使用不同的按鈕來選擇不同的預設照明場景。

 

　　許多控制系統可以使用觸摸屏手動控制面板。這些屏幕提供手動控制功能，可編程預設場景，具備聯網功能，以及可以集成一些非照明功能，如溫度控制和基于空間占用情況的節能調度。

 

　　最后，一些系統允許將第三方設備合并到網絡中。例如，一些系統與無線插頭負載控制器通信以滿足現行的法規，而其他系統與暖通空調控制器通信以調控溫度。

 

　　服務器和網關

 

　　如果無線控制系統聯網進行單點日常操作和數據收集，它應具有中央服務器和（或）網關。服務器通常安裝在IT或電氣柜中，它存儲關于網絡上的照明和控制點的信息，它還存儲調試、編程信息，還可以存儲能源使用數據。

 

　　大多數聯網的照明控制系統也使用網關將服務器的網絡連接分配給設備（控制器、傳感器和開關）。在大多數無線系統以及大多數有線系統中都是如此。在無線系統中，網關本質上是無線路由器，通常安裝在完成裝修的空間中。

　　圖2：圖片來自OSRAM Encelium。

 

　　如果服務器、網關和控制設備之間的連接中斷，控制設備將按照上次配置繼續運行。然而，與服務器中斷連接可能導致能量數據和其他功能的丟失。在某些系統中，服務器功能已合并到網關中。通過將該服務器功能與網關功能相結合，位于受控空間中的一個設備就足以完成兩項任務。

 

　　但是，在大多數系統中，服務器是與網關分開的。這種情況對于集中式控制系統來說是比較普遍的，對于大多數基于房間區域的系統而言通常也是如此。在這種情況下，網關必須通過某種形式的電纜連接到服務器，通常使用以太網電纜（即Cat 5e）來實現。在大型空間中，例如大型開放式辦公樓層，服務器通常位于IT室或電氣柜中。網關遍布整個受控空間。因此，電纜必須從受控空間中的網關路由到IT室或電氣柜中。

 

　　如果業主允許，則可以使用業主現有的IT網絡將網關連接到服務器。如果您可以將網關以及服務器物理連接至現有的網絡端口，則只需確定網關的IP地址，服務器軟件就可以找到它們并將它們拉到照明控制系統上。在這種情況下，不需要從受控空間到建筑物的核心排布額外的電纜來進行此連接。

　　圖3：圖片來自OSRAM Encelium。

 

　　云端服務器

 

　　一些制造商允許業主在云環境中使用服務器，這就意味著現場沒有服務器。無線照明控制系統與云端的虛擬服務器相連。一些照明控制系統供應商實際上將此作為一種服務來提供。

 

　　現有的云端設備大多可以使用WiFi來進行云連接，而有一些系統需要使用的專用方法，例如使用專用的3G或4G調制解調器。在這種情況下，務必與制造商聯系，了解您可以在何處找到該設備，以確保其信號到達最近的信號塔。如果該信號暫時丟失，系統的組件仍應正常運行，除了某些功能（例如，能源使用記錄）要在恢復與服務器的連接之后才會重新生效。

 

　　當您使用具有云端服務器的無線照明控制系統時，制造商通常會處理部分或全部的調試與維護工作。這些工作通常涵蓋分區、重新分區、更新軟件、更新固件等。這通常會要求業主與制造商或承包商簽訂一段時間的維護合同并支付相應的費用。

　　圖4：圖片來自Current by GE。

 

　　協議

 

　　協議是用于設備設計的一組規則，以便它與具有相同協議的其他設備進行通信和互操作。需要注意的是，0-10V是一種控制方法，而不是協議，但DALI或其他數字協議可以利用數模轉換設備來產生0-10V控制電壓以實現調光功能。

　　圖5：一個使用DALI協議的傳感器。圖片來自Enlighted。

 

　　當前普遍使用的協議包括ZigBee，DALI的無線擴展，Xbee，EnOcean，藍牙，低能耗藍牙(BLE)和Synapse網絡設備協議（SNAP）。 2017年7月，藍牙宣布推出藍牙網格(Bluetooth Mesh)協議。其它的很多系統也使用各自專有的協議，其中許多與ZigBee類似。無線控制設備可以使用網關或共享通用協議與有線照明和樓宇自動化系統進行集成。

 

　　開放協議與專有協議

 

　　協議可以是開放的標準（開源）協議或不開放的專有協議。諸如ZigBee（IEEE 802.15.4）之類的開源協議提供了一個架構，使得不同供應商按照該協議所生產的設備能在這個架構中互相通信和操作。它還允許與其他制造商的設備進行通信，例如無線插頭負載控制器和恒溫器。但是，如果整個系統出現問題，就必須確定多個供應商之間的責任方。

 

　　基于專有技術的協議，如EnOcean，是授權給其他制造商，由他們提供基于該協議的設備。專有協議的設計要求系統中的所有設備都經過預先測試，保證可以互操作，但所有設備都必須從單個制造商處獲得。這確保了系統將按照預期運行并有一個明確的責任方。但是，業主就不得不與單個制造商及其產品線綁定在一起了。

 

　　無線控制在電磁頻譜上的開放短波射頻波段上進行通信。 ZigBee和藍牙均以2.4 GHz的頻率運行。由于許多其他設備也在2.4 GHz上運行，因此專有的協議通常以不同的頻率運行，例如315 MHz、434 MHz和900 MHz。

 

　　拓撲

 

　　網絡在拓撲結構中進行配置。射頻無線照明控制網絡通常使用自愈網格或星形拓撲。在自愈網格中，數據在設備（如下圖所示的D1，D6，D11）之間流動，在網關和給定的控制點之間進行通信。如果一個設備發生故障，信號流將通過其他設備重新路由至目的地 (D1，D6，D9，D10，D11)，從而通過多個節點和節點冗余提高可靠性。這個過程就稱為“自我修復”或“自愈”。

　　圖6：自愈網格圖。圖片來自Lutron Electronics。

 

　　在星形拓撲中，來自所有無線設備的信號直接傳輸到一系列網關，再從這些網關傳輸出去。這些網關就形成了固定網絡的樞紐。在一些系統中，一個或多個燈具控制器可被指定為中繼器以擴展信號覆蓋范圍。相對較低的信號流量可以提高可靠性和速度，使得系統相應更敏捷、更精確。

　　圖7：星形拓撲圖。圖片來自Lutron Electronics。

 

　　制造商還提供其他拓撲結構，例如集群拓撲。由于無線照明技術相對較新，因此沒有大量的研究支持一種技術而否定另一種技術。代理商和業主應該向制造商詢問他們的解決方案如何使項目受益的具體案例。

 

　　房間式控制系統與集中式控制系統

 

　　無線照明控制系統具有不同級別的功能以及相應的成本和調試流程，以便代理商能夠根據項目需求而給出精確匹配的解決方案。大多數已安裝的照明控制系統都是基于房間的，其中每個房間的系統都是自主運行的。該系統必須在現場進行編程、分區和校準。盡管一些制造商會提供帶有傳感器和控制器的連接照明組件，這些組建具有符合能源法規的預編程操作，但分區和校準工作通常也是不可避免的。雖然未來可以進行重新編程、重新分區和重新校準，但基于房間的控制系統主要還是被設計為“安裝后不變”。一些制造商已經使他們的系統更加便于調試，使技術人員能夠通過移動設備（如手機）的應用程序來設置和調整系統操作。

 

　　集中式無線控制系統類似于房間式的系統，但設備與中央服務器通信方式并不類似。因此，它們可以進行集中或遠程的編程、分區和校準，具有更強大的功能，如自動化需求響應和全球日常管理。許多系統為控制器提供集成的功率計量芯片，無需在分支電路上安裝電流傳感器進行計量。這使得能耗測量以圖形方式顯示在用戶界面上（如下圖），并使系統進行監控，且具備自動通知和警報的功能。這些系統的準確性各不相同，因此業主需要詢問制造商如何測量能耗。此類系統除了含有集成在燈具內的傳感器外，還可提供獨立傳感器，并允許有線+無線的混合設計，提升了設計的靈活性。

　　圖8：圖形化的照明控制界面。圖片來自RAB Lighting。

 

　　節點

 

　　無線照明控制系統通常會建議限制連接到特定網關的節點數量。在一個無線控制系統中，節點就是任何一個以其自己的唯一地址（即，燈具控制器、傳感器、開關等）無線地發送和接收指令和數據的設備。例如，某個制造商的系統硬性限制每個網關最多連接700個節點，而另一個制造商建議限制為每個網關100個節點。

 

　　用戶應當了解這些限制是屬于建議限制還是硬性限制。即使它只是建議的限制，也最好不要超過它。在一些系統中，操作軟件可以是硬編碼的，使得網關只能處理特定數量以內的節點。在其他系統中，限制僅僅是建議。這通常由無線網絡上的預期數據流量來調控。請記住，某些設備可能會發送和接收比其他設備更多的數據。如果某些設備比別的設備有更大比例的數據流量，則可能會對網關處理數據流量的方式產生影響。

 

　　范圍

 

　　影響無線控制設備安裝位置的一個重要因素是信號范圍。這些信號通常是低功率的，這就限制了它們的作用范圍。無線控制系統通常用于低功率、低傳輸率和近距離范圍。

 

　　制造商通常會發布有關設備和網關之間的覆蓋區域以及最大范圍的建議。雖然業主們希望盡可能少地安裝設備以減少成本，但還是要將無線設備保持在有效范圍內以確保連接可靠性。

 

　　在安裝無線控制系統時，如果信號必須穿過障礙物（如內部隔板和密集的建筑材料，例如煤渣墻），要特別注意制造商的限制建議。制造商可以提供其他建議來幫助定位設備，例如使它們與金屬物體保持一定距離，因為金屬物體可能影響網絡信息的準確傳輸。

　　圖9：一種無線網關的覆蓋范圍示意圖。圖片來自Lutron Electronics。

 

　　典型的開放式辦公室布局

 

　　在開放式辦公樓層中，無線信號的傳播通常要經過有阻礙的路徑，無論是在燈具與燈具之間，還是燈具、傳感器和開關三者之間。因此，開放式辦公室是使用無線照明控制系統的理想場所。

 

　　在使用燈具集成控制的系統中，每個燈具都有自己的集成控制器和傳感器。其他系統可以選擇能夠處理更大負載的控制器。這樣，一組燈具可以連接到一個上游的控制器。在開放式辦公空間以及許多其他類型的空間中，現行的規范要求陽光能照射到的區域中的燈具可根據當時的陽光照射情況對自身進行自動的控制。因此，當在一組燈具的上游使用具有高額定電流的控制系統時，需要仔細規劃，以確保它們可以被劃分成不同的區域（如主要日光區、次要日光區），以適應建筑能源法規的要求。但是，請記住，在使用此類系統時，未來對空間的改動可能導致需要重新布線。

　　圖10：開放式辦公室中的一種無線設備排布。圖片來自Lutron Electronics。

 

　　典型的課堂布局

 

　　如在開放式辦公空間中一樣，教室中位于主要和次要日光區域的燈具也必須根據當時的日光情況進行自動控制，以符合大多數現行的能源法規。在一個具有與窗壁平行的三行燈具的教室中，第一行燈具通常在主要日光區域中，而下一行通常在次要日光區域中（如下圖所示）。

 

　　因此，無論是使用燈具上的照明控制器還是使用上游的高電流控制器來控制每一行燈具，都很容易使主要和次要日光區域中的燈具符合能源法規的要求。

　　圖11：課堂中的一種無線設備排布。圖片來自Lutron Electronics。

 

　　典型的倉庫布局

 

　　倉庫中的燈具通常以行的形式安裝，以每個過道為中心。能源法規通常要求每個過道中的燈具在無人期間自動關閉（或者至少是自動調暗）。燈具的這種關閉（或調暗）的操作由占用傳感器觸發。由于法規通常要求特定行內的所有燈具同時自動打開或關閉，所以每行的末端處安裝一個傳感器就足以滿足這個要求，而不需要在每個燈具上集成一個傳感器。

 

　　在下圖所示的系統中，每個燈具都有一個集成的控制器用于開啟、關閉和調暗操作。獨立占用傳感器安裝在每行燈具的北端，與燈具分開安裝。在該系統中，傳感器接口通過低壓線連接到最近的燈具控制器。因此，傳感器發出的信號通過燈具中的無線控制器并饋送到網關和服務器。

　　圖12：倉庫中的一種無線設備排布。圖片來自Lutron Electronics。

 

　　如果使用集成在燈具上的照明控制的系統（每個燈具不僅具有控制器而且還具有集成傳感器），則不需要額外的布線。電氣承包商只需安裝每個燈具并連接電源線（火線、零線和地線）。即使該應用不要求每個燈具使用自己的傳感器，這種控制方式也可以降低安裝成本和復雜性。

 

　　在某些陽光充足的地區，具有頂部采光（即天窗）的空間中的燈具必須根據日光條件自動調暗。因此，就需要光傳感器和占用傳感器。需要注意，能源法規通常也要求這樣的空間中有手動開關。

 

　　結語

 

　　本文對無線照明控制系統的組成部分和通信方式做了一個比較概括的介紹，以期將現行的不同控制系統的共同特征都囊括在內。如文中所談，無線照明控制系統已經廣泛地應用于新建筑和老建筑改造中。然而我們也必須清醒地認識到，無線照明控制系統很快將不再是一種獨立存在的控制系統。隨著物聯網的發展，無線照明系統已經逐步、且必將成為物聯網系統的一個重要的組成部分。所以當今的無線照明系統開發商應當具備適應未來的眼光，為新的無線照明控制系統融入物聯網這個大系統而做出必要的準備和鋪墊，從硬件范疇的機械匹配、電壓匹配、接口匹配等，到軟件范疇的數據兼容、圖形化兼容、互操作等。總之，這種融入已經成為一個不可逆轉的大趨勢，這種趨勢可能帶來一些技術上的陣痛，但同時蘊藏著巨大的市場機遇。【聲明：本文系中國半導體照明網、極智頭條特邀原創稿件，未經允許禁止刪減轉載。】

 

　　筆者簡介：譚建川，建筑科學博士、照明學碩士。照明認證師 (LC)，WELL建筑標準認證師 (WELL AP)，照明工程師協會 (IES) 會員、專題委員會成員，領先能源與環境設計助理 (LEED GA)。畢業于美國紐約州的倫斯勒理工學院 (RPI) 的照明研究中心 (LRC)，現為照明產品經理和研發主管。致力于在物聯網 (IoT) 環境下實現人本照明 (HCL)，在居住空間中實現WELL建筑理念，以及為照明企業提供業務培訓、技術支持和產品策劃。

 

　　如有專業問題探討，請聯系：tjc.research@gmail.com

 

　　linkedIn: https://www.linkedin.com/in/jianchuan-tan-82151a64/