P-BUS總線(xiàn)技術(shù)在智能照明控制系統的應用
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，尋求更簡(jiǎn)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)現智能照明系統的自動(dòng)化控制。
關(guān)鍵詞 P-BUS總線(xiàn) 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
現代化的建筑對照明的要求越來(lái)越高，不僅要求提供舒適的光照，而且不同的場(chǎng)合需要不同的照明環(huán)境。綠色照明需要科學(xué)設計和高效率、壽命長(cháng)、安全及性能穩定的照明電器產(chǎn)品來(lái)實(shí)現。照明電器產(chǎn)品包括：電光源、燈用電器附件、燈具、配線(xiàn)器材以及調光控制設備和控光器件。這里調光、控光主要指的是智能照明控制，傳統的照明控制一般采用手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，對于上述要求很難實(shí)現，而且線(xiàn)路十分復雜，操作非常繁瑣，并且存在許多無(wú)法解決的問(wèn)題。隨著(zhù)用戶(hù)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 智能照明控制系統總線(xiàn)介紹
熒光燈的調光控制方法是隨著(zhù)電子鎮流器技術(shù)不斷創(chuàng )新發(fā)展而提高的，早期對帶有鐵芯鎮流器的熒光燈調光一般采用可控硅前沿相控調光器輸出直接調控熒光燈的亮度．
表1 三種不同接口電子鎮流器的性能比較表
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類(lèi)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 |
調光特性 |
調光范圍 |
220V主電源電壓控制 |
|
DSI |
2線(xiàn) |
數字曼徹斯特編碼 |
無(wú) |
是 |
是 |
指數 |
1％～l00％．3％～l00％ |
鎮流器內可開(kāi)關(guān)切換控制 |
|
DALI |
2線(xiàn) |
數字曼徹斯特編碼 |
無(wú) |
是 |
否 |
指數 |
1％～l00％ |
鎮流器內可開(kāi)關(guān)切換控制 |
|
1V～10V |
2線(xiàn) |
1～10V模擬量 |
有 |
否 |
否 |
線(xiàn)性 |
1％～l00％、3％-100％、l0％-100％、5％～l00％、20％～l00％ |
由調光控制器控制 |
鎮流器僅僅是串連在熒光燈回路中的一個(gè)負載．這種調光方法效率低，性能差，調光范圍窄．現今國內外很少用。近年來(lái)隨著(zhù)高頻電子型鎮流器的出現，改變了鎮流器的技術(shù)性能，不少公司逐步推出效率高、性能好、調光范圍寬、智能化程度高的高頻可調光電子式熒光燈鎮流器，這種鎮流器作為熒光燈的ECG(電子控制裝置)已成為當今熒光燈調光控制的主流產(chǎn)品。
按鎮流器的控制線(xiàn)數目劃分，有二、三、四線(xiàn)三種，目前市場(chǎng)上最最廠(chǎng)泛的產(chǎn)品是“四線(xiàn)控制”鎮流器，調光控制器通過(guò)二條220V主電源線(xiàn)為鎮流器提供功率支持，二條超低電壓控制線(xiàn)可接口鎮流器實(shí)現開(kāi)關(guān)、調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)數字信號接口(DSI)
3)數字可尋址燈光接口(DALI)
我們的P-BUS總線(xiàn)通過(guò)輸出DSI信號控制電子鎮流器，達到調光控制的目的。
2.1 直接模擬量介紹
1～10V接口的控制信號是直流模擬量，信號極性有正負之分，按線(xiàn)性規則調節熒光燈的亮度，調光時(shí)一旦控制信號觸發(fā)，鎮流器啟動(dòng)熒光燈，首先被激勵點(diǎn)燃到全亮，然后再按控制量要求調節到相應亮度，按IEc929標準，每個(gè)鎮流器的最大工作電流為1mA。
2.2 P-BUS系統的介紹
P-bus系統是基于美國Echelon公司開(kāi)發(fā)的Pyxos嵌入式控制網(wǎng)絡(luò )平臺為基礎的總線(xiàn)技術(shù)，它是一種專(zhuān)門(mén)擴展I/O總線(xiàn)的技術(shù)，使用該技術(shù)可以使得任何機器內部的各個(gè)組成部分之間形成智能的數字控制網(wǎng)絡(luò )，它是一種低成本的、網(wǎng)絡(luò )自安裝的技術(shù)，而且能夠和現有的基于GB/Z 20177的Lonworks控制網(wǎng)絡(luò )平臺技術(shù)結合，構成任意規模的自動(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,另外在波形的調制成形方面，充分考慮到使通信信號實(shí)現最小的反射。通信中，使用前導編碼，實(shí)現通信信號無(wú)極性，從而避免由于安裝錯誤引發(fā)的故障。Pyxos FT技術(shù)，支持在一對雙絞線(xiàn)上，既傳輸網(wǎng)絡(luò )數字信號，又能傳輸24V的交流或直流電，也就是說(shuō)，基于Pyxos FT技術(shù)的設備，可以同時(shí)從通信數據線(xiàn)上取得工作電源。這些特點(diǎn)，特別適合那些不能為設備提供本地供電方式的應用場(chǎng)合。
2.3 P-bus系統的構成
基于Pyxos網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的設備連接構成網(wǎng)絡(luò )時(shí)，網(wǎng)絡(luò )拓撲支持總線(xiàn)拓撲和自由拓撲兩種方式。總線(xiàn)拓撲如圖一所示，自由拓撲如圖二所示。圖中P代表Pyxos中的Point節點(diǎn)。
使用總線(xiàn)拓撲時(shí)，總線(xiàn)的最大長(cháng)度為400米，分支長(cháng)度可以為0.3米，在總線(xiàn)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。對于自由拓撲方式，Pyxos網(wǎng)絡(luò )所有的連線(xiàn)最長(cháng)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節點(diǎn)均使用一個(gè)Pyxos芯片。
2.3 基于 P-bus系統的設備
P-bus總線(xiàn)技術(shù)基于Pyxos嵌入式控制網(wǎng)絡(luò )，Pilot作為主設備，Point作為從設備，一個(gè)Pilot節點(diǎn)最多可以管理32個(gè)Point節點(diǎn)。Pilot節點(diǎn)必須使用一個(gè)主處理器，一個(gè)典型的Pilot設計如圖三所示。
圖三 一個(gè)基于A(yíng)tmel SAM7S64的Pilot節點(diǎn)設計框圖
系統最小的結構是Point節點(diǎn)（從設備），一條P-bus總線(xiàn)即一個(gè)Pilot節點(diǎn)（主設備）最多支持32個(gè)Point節點(diǎn)，整個(gè)系統最多支持200條總線(xiàn)，即200個(gè)Pilot節點(diǎn)。也就是說(shuō)整個(gè)系統最多支持200x32=6400個(gè)Point節點(diǎn)
P-bus智能系統主要有以下基本控制功能：
·設定燈電路的發(fā)光電平值。
·遠程開(kāi)關(guān)燈電路。
·存儲和調用預先設定的燈電路工作參數值。
·可以查詢(xún)每個(gè)電子鎮流器的工作狀態(tài)。
·可以查詢(xún)每個(gè)燈負載的工作狀態(tài)。
利用以上的有關(guān)信息可以判斷照明系統的有關(guān)工作狀態(tài)。
P-bus照明控制系統構成燈光控制系統的主要特點(diǎn)是：簡(jiǎn)單、可靠、功能優(yōu)良。
1)通信結構簡(jiǎn)單可靠，P-bus系統通信協(xié)議是基于Pyxos通訊協(xié)議，是一種基于分時(shí)復用技術(shù)（TDM）的鏈路層數據通信協(xié)議，使用雙相PSK信號調制技術(shù)。所有設備都能夠周期地、可預測地取得網(wǎng)路的使用權，也就是說(shuō)，設備可以實(shí)現確定性的操作；在數據報中沒(méi)有地址信息，只有數據，沒(méi)有額外的數據開(kāi)銷(xiāo)；網(wǎng)路可以始終運行，不需要使用長(cháng)的前導報文來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )中設備間的同步，因而可以實(shí)現數據的高速通信；不需要使用心跳技術(shù)，正常的設備在每一個(gè)屬于自己的時(shí)間片都會(huì )發(fā)送數據，這樣能夠實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的持續的管理。Pyxos通信協(xié)議是一個(gè)嚴格遵循主/從網(wǎng)絡(luò )結構的協(xié)議，在一個(gè)Pyxos網(wǎng)絡(luò )中可以有一個(gè)主設備（Pilot節點(diǎn)）和最多32從設備（Point節點(diǎn)）。所有的通信均通過(guò)Pilot，在不同的從設備Point之間不支持報文路由。Pyxos通信使用短的數據包進(jìn)行通信，Pyxos網(wǎng)絡(luò )中有限的設備數目可以限制MAC延時(shí)。總線(xiàn)上的每個(gè)控制器在通信中作為Point，而總線(xiàn)上的像鎮流器這樣的ECG只是響應Point的命令起SLAVE的作用，系統具有分布式智能功能。
2)安裝簡(jiǎn)單方便，安裝P-bus系統接口有2條主電源線(xiàn)，二條控制線(xiàn)，對線(xiàn)材無(wú)特殊要求，安裝時(shí)也無(wú)極性要求，只要求主電源線(xiàn)與控制線(xiàn)隔離開(kāi)，控制線(xiàn)無(wú)需屏蔽，要注意的是當控制線(xiàn)上電流在250mA，線(xiàn)長(cháng)300m時(shí)壓降不超過(guò)2V。
3)節約能源、方便管理、維護：功能和控制的修改方便靈活，只需少量的程序調整，不需要現場(chǎng)重新布線(xiàn)就可以實(shí)現。此外，可節約能源，提高效率。通過(guò)將時(shí)鐘，光線(xiàn)控制設定使系統自動(dòng)運行到最佳狀態(tài)，合理節約能源，方便管理和維護。
合肥圖久智能科技提供的P-bus燈光場(chǎng)景控制系統專(zhuān)門(mén)用于燈光及其他設備的控制，可以提供亮度、燈光場(chǎng)景組合等控制效果，并且可以根據用戶(hù)的其他要求，在該控制系統中增加其他控制功能。
SMC-MO是熒光燈調光控制器，通過(guò)服務(wù)器交換機可以將多段Polit子系統連接成一個(gè)規模較大的燈光控制系統，這個(gè)控制系統的主干網(wǎng)可以運行比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(xiàn)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控制系統還可以將DSI控制、0～10v調光控制、繼電器燈光回路控制等融于一體，一整個(gè)建筑物及局部區域燈光進(jìn)行控制，從而更進(jìn)一步的達到照明節能的效果。
同時(shí)P-bus控制系統還可以接入樓宇智能控制系統中，或者多個(gè)P-bus控制系統形成網(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設備；
·每個(gè)模塊最多可以提供5個(gè)九鍵場(chǎng)景開(kāi)關(guān)選擇，可以根據用戶(hù)需要增加；
·場(chǎng)景開(kāi)關(guān)也可以選用液晶觸摸屏代替，選用液晶觸摸屏，用戶(hù)可以根據自己的實(shí)際需求設置、存儲1～6組場(chǎng)景；
·每個(gè)P-bus控制器預留與樓宇智能控制系統或其他控制器組網(wǎng)通訊的擴展功能；
·P-bus控制器還可以增加對其他設備的控制功能，如對窗簾步進(jìn)電機的控制等；
·每個(gè)P-bus控制器最少預存1個(gè)場(chǎng)景，并且可以根據用戶(hù)需求增加或改變場(chǎng)景；
·提供集成的控制箱及簡(jiǎn)單快捷的接線(xiàn)方式；
·僅需接入設備（電源看具體情況決定需要與否），即可實(shí)現控制功能，不需要其他任何設置；
·P-bus控制器與場(chǎng)景開(kāi)關(guān)(或觸摸屏)分離安裝，增強了房間的美觀(guān)性；
·可以將傳統的0～10V調光控制、繼電器回路控制等接入控制系統，形成統一控制；
·多個(gè)控制器形成的網(wǎng)絡(luò )控制系統，可以對整個(gè)建筑物形成整體或區域燈光控制，并可以選擇集中或區域本地控制等功能。
3.2 P-bus智能照明系統優(yōu)點(diǎn)介紹
(1)高可靠性
系統采用了“分布式控制”的概念，既便于照明系統的中央臨控，又避免了“中央集中式照明控制系統”可靠性差的致命弱點(diǎn)。由于采用預置信息“分布式控制”，當系統中某個(gè)模塊出現故障，只是與該模塊相關(guān)的功能失效．而不影響網(wǎng)絡(luò )其它模塊正常運行。從維護的觀(guān)點(diǎn)來(lái)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的 “容錯”水平。同時(shí)．由于采用高性能的開(kāi)關(guān)器件，周密的電路保護措施使該產(chǎn)品即使在最?lèi)毫拥沫h(huán)境下都具有極高的可靠性。
(2)可觀(guān)的“節能”和“延長(cháng)燈具壽命”效果
系統能對場(chǎng)地所有燈光根據需要預先設置，實(shí)現自動(dòng)合理的能源管理功能。燈具損壞的致命原因是電網(wǎng)過(guò)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(cháng)，對昂貴燈具以及難安裝區域的燈具有特殊意義。由此可知，“節能”和“節燈”對減輕供電壓力，降低用戶(hù)運行費用，實(shí)現照明管理智能化都具有極大的經(jīng)濟意義。
(3)安裝簡(jiǎn)便，操作直觀(guān)
電氣維修工程師僅需接受簡(jiǎn)單的培訓，就能很快管理大型照明系統，并取代原有空氣開(kāi)關(guān)或其它開(kāi)關(guān)和保險絲，用操作直觀(guān)的控制面板取代原有手動(dòng)開(kāi)關(guān)，兩者之間可用價(jià)格低廉的數據總線(xiàn)實(shí)行低壓控制連接，改變了原有手動(dòng)開(kāi)關(guān)需接入強電線(xiàn)路的傳統設計方法，既安全又能簡(jiǎn)化布線(xiàn)工程，而且系統的重組和今后的維護十分方便。
(4)網(wǎng)絡(luò )控制，便于管理升級
智能照明系統是基于網(wǎng)絡(luò )，利用網(wǎng)絡(luò )實(shí)現遠程控制、集中控制、無(wú)線(xiàn)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、調光、亮度記憶、場(chǎng)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設計中，選用了P-bus系列產(chǎn)品，其控制系統可以完成以功能：
·場(chǎng)景的預發(fā)、調用：通過(guò)燈光營(yíng)造現場(chǎng)多種不同需求的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景氣氛；
·調光：根據用戶(hù)的個(gè)人要求、現場(chǎng)的需要設置個(gè)性化燈光效果：
·日照補償：在固定照度的條件下，利用自然光調高調低現場(chǎng)燈光。達到節能的目的；
·紅外、來(lái)人感壹亮燈：燈光智能化的體現，適用于走廊、過(guò)道、八門(mén)場(chǎng)景：
·時(shí)間控制：通過(guò)預設時(shí)間開(kāi)關(guān)、燈光的燈光遙控；
具體功能可以做到如下：
1)自動(dòng)開(kāi)燈功能
當客戶(hù)打開(kāi)房門(mén)．鑰匙燈立刻點(diǎn)亮，指導客戶(hù)插卡取電。當客戶(hù)插卡取電舌．就進(jìn)人了回家模式，根據情況和設定可以得到想要的燈光和電器的組合場(chǎng)景等。
同樣，利用運動(dòng)檢測傳感器町以檢測房間內有無(wú)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(kāi)房間存一定預先設定好的時(shí)間后(如5min)，自動(dòng)關(guān)閉照明，并可實(shí)現房間恒亮(照)度照明(如在有陽(yáng)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)現手動(dòng)調光控制。
2)場(chǎng)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(chǎng)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(huà)、夜起模式等。
以標準間為例，作為一個(gè)客人集中(唯一)活動(dòng)的場(chǎng)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(lè )、電視、會(huì )客等場(chǎng)景模式供隨時(shí)選用。
例如：
設定會(huì )客模式為吊燈亮80％、壁燈亮60％、筒燈亮80％；
看電視場(chǎng)景為吊燈亮20％、壁燈亮40％、筒燈亮10％；
因為采用了調光控制，燈光的照度可以有一個(gè)漸變的過(guò)程，通過(guò)遙控器或通過(guò)面板的現場(chǎng)控制，可以隨心所欲地變換場(chǎng)景，營(yíng)造一種溫馨、浪漫、優(yōu)雅的燈光環(huán)境。
3）燈光軟啟動(dòng)
開(kāi)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(xiàn)驟變對眼睛的刺激，既保護眼睛也減小電流對燈絲溫度的沖擊，延長(cháng)了燈具的使用壽命，保護燈泡。
4）亮度調節
可以任意調節燈光的亮度，從而配合各種家庭場(chǎng)景設置，為客戶(hù)營(yíng)造出更多更加溫馨和浪漫的場(chǎng)景氛圍。
5）記憶功能
芯片會(huì )自動(dòng)記憶前一次開(kāi)燈時(shí)設置的燈光效果，讓智能照明系統的操作更具人性化。
6）安全功能
在房間中的運動(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(guò)授權的人的進(jìn)入。同時(shí)在控制臺，可以看到是否有人員在房間內活動(dòng)，做到安全防范。
4.2 控制系統圖
酒店標準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，再將控制開(kāi)關(guān)如插卡開(kāi)關(guān)、門(mén)鈴信號、開(kāi)燈信號等接入遠程I／0的開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)，也可將溫度調節器的模擬信號接入遠程I／0的模擬量的輸入點(diǎn)。空調溫度控制可以由遠程I/O開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)或模擬輸出點(diǎn)完成。
圖5是酒店標準間的控制系統圖，圖6為總線(xiàn)控制系統簡(jiǎn)圖，可以根據要求增加和修改控制點(diǎn)。
對于整體，P- bus總線(xiàn)拓撲結構是不確定得，可以構成線(xiàn)型、樹(shù)型、星型或混合型。在酒店中可以采取任何形式的結構，具體采用哪種形式或是多種并存根據客房的分布設計。
圖5酒店標準間控制系統圖
圖6總線(xiàn)控制系統簡(jiǎn)圖
5 結束語(yǔ)
隨著(zhù)人們生活質(zhì)量的提高和環(huán)境的改變，在未來(lái)的生活中，引入人類(lèi)行為學(xué)、心理學(xué)的研究成果，在自動(dòng)控制、計算機和通訊技術(shù)的基礎之上^，按照人類(lèi)行為心理需要，將生活中的各種功能系統，通過(guò)自動(dòng)化產(chǎn)品，與外界相連通的集控制、監測、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。
