P-BUS总线技术在智能照明控制系统的应用
Application of P-BUS Bus Technology in Intelligent Lighting Control System
摘要本文介绍Pyxos网络协议基本常识,寻求更简洁、方便且高效的智能照明控制方式、利用某公司模块组件组建Pyxos网络,实现智能照明系统的自动化控制。
关键词 P-BUS总线 智能照明控制 绿色照明
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
现代化的建筑对照明的要求越来越高,不仅要求提供舒适的光照,而且不同的场合需要不同的照明环境。绿色照明需要科学设计和高效率、寿命长、安全及性能稳定的照明电器产品来实现。照明电器产品包括:电光源、灯用电器附件、灯具、配线器材以及调光控制设备和控光器件。这里调光、控光主要指的是智能照明控制,传统的照明控制一般采用手动开关控制,对于上述要求很难实现,而且线路十分复杂,操作非常繁琐,并且存在许多无法解决的问题。随着用户要求的提高和技术的进步以及产品成本的降低,传统的照明控制逐步被智能照明控制取代将成为一种趋势。
2 智能照明控制系统总线介绍
荧光灯的调光控制方法是随着电子镇流器技术不断创新发展而提高的,早期对带有铁芯镇流器的荧光灯调光一般采用可控硅前沿相控调光器输出直接调控荧光灯的亮度.
表1 三种不同接口电子镇流器的性能比较表
类性 控制 |
控制电缆 |
信号极性要求 |
信号极性要求 |
荧光灯启动后亮度处于0 |
可分别寻址 |
调光特性 |
调光范围 |
220V主电源电压控制 |
DSI |
2线 |
数字曼彻斯特编码 |
无 |
是 |
是 |
指数 |
1%~l00%.3%~l00% |
镇流器内可开关切换控制 |
DALI |
2线 |
数字曼彻斯特编码 |
无 |
是 |
否 |
指数 |
1%~l00% |
镇流器内可开关切换控制 |
1V~10V |
2线 |
1~10V模拟量 |
有 |
否 |
否 |
线性 |
1%~l00%、3%-100%、l0%-100%、5%~l00%、20%~l00% |
由调光控制器控制 |
镇流器仅仅是串连在荧光灯回路中的一个负载.这种调光方法效率低,性能差,调光范围窄.现今国内外很少用。近年来随着高频电子型镇流器的出现,改变了镇流器的技术性能,不少公司逐步推出效率高、性能好、调光范围宽、智能化程度高的高频可调光电子式荧光灯镇流器,这种镇流器作为荧光灯的ECG(电子控制装置)已成为当今荧光灯调光控制的主流产品。
按镇流器的控制线数目划分,有二、三、四线三种,目前市场上最最厂泛的产品是“四线控制”镇流器,调光控制器通过二条220V主电源线为镇流器提供功率支持,二条超低电压控制线可接口镇流器实现开关、调光等各种功能性控制。按控制接口控制信号性质可分成三种:
1)1~10V模拟量接口
2)数字信号接口(DSI)
3)数字可寻址灯光接口(DALI)
我们的P-BUS总线通过输出DSI信号控制电子镇流器,达到调光控制的目的。
2.1 直接模拟量介绍
1~10V接口的控制信号是直流模拟量,信号极性有正负之分,按线性规则调节荧光灯的亮度,调光时一旦控制信号触发,镇流器启动荧光灯,首先被激励点燃到全亮,然后再按控制量要求调节到相应亮度,按IEc929标准,每个镇流器的最大工作电流为1mA。
2.2 P-BUS系统的介绍
P-bus系统是基于美国Echelon公司开发的Pyxos嵌入式控制网络平台为基础的总线技术,它是一种专门扩展I/O总线的技术,使用该技术可以使得任何机器内部的各个组成部分之间形成智能的数字控制网络,它是一种低成本的、网络自安装的技术,而且能够和现有的基于GB/Z 20177的Lonworks控制网络平台技术结合,构成任意规模的自动控制网络。Pyxos FT技术使用曼切斯特编码方式,采用双相PSK调制,载波频率与通信位速率相同,即载波频率312.5KHZ,通信速率为312.5kbps,另外在波形的调制成形方面,充分考虑到使通信信号实现最小的反射。通信中,使用前导编码,实现通信信号无极性,从而避免由于安装错误引发的故障。Pyxos FT技术,支持在一对双绞线上,既传输网络数字信号,又能传输24V的交流或直流电,也就是说,基于Pyxos FT技术的设备,可以同时从通信数据线上取得工作电源。这些特点,特别适合那些不能为设备提供本地供电方式的应用场合。
2.3 P-bus系统的构成
基于Pyxos网络技术的设备连接构成网络时,网络拓扑支持总线拓扑和自由拓扑两种方式。总线拓扑如图一所示,自由拓扑如图二所示。图中P代表Pyxos中的Point节点。
使用总线拓扑时,总线的最大长度为400米,分支长度可以为0.3米,在总线的两端各是一个阻抗为105欧姆的阻容网络组成的终端匹配器。对于自由拓扑方式,Pyxos网络所有的连线最长为100米,在网络的任意位置使用一个阻抗为52欧姆的阻容网络作为终端匹配器。
在Pyxos网络中,Pilot和Point节点均使用一个Pyxos芯片。
2.3 基于 P-bus系统的设备
P-bus总线技术基于Pyxos嵌入式控制网络,Pilot作为主设备,Point作为从设备,一个Pilot节点最多可以管理32个Point节点。Pilot节点必须使用一个主处理器,一个典型的Pilot设计如图三所示。
图三 一个基于Atmel SAM7S64的Pilot节点设计框图
系统最小的结构是Point节点(从设备),一条P-bus总线即一个Pilot节点(主设备)最多支持32个Point节点,整个系统最多支持200条总线,即200个Pilot节点。也就是说整个系统最多支持200x32=6400个Point节点
P-bus智能系统主要有以下基本控制功能:
·设定灯电路的发光电平值。
·远程开关灯电路。
·存储和调用预先设定的灯电路工作参数值。
·可以查询每个电子镇流器的工作状态。
·可以查询每个灯负载的工作状态。
利用以上的有关信息可以判断照明系统的有关工作状态。
P-bus照明控制系统构成灯光控制系统的主要特点是:简单、可靠、功能优良。
1)通信结构简单可靠,P-bus系统通信协议是基于Pyxos通讯协议,是一种基于分时复用技术(TDM)的链路层数据通信协议,使用双相PSK信号调制技术。所有设备都能够周期地、可预测地取得网路的使用权,也就是说,设备可以实现确定性的操作;在数据报中没有地址信息,只有数据,没有额外的数据开销;网路可以始终运行,不需要使用长的前导报文来进行网络中设备间的同步,因而可以实现数据的高速通信;不需要使用心跳技术,正常的设备在每一个属于自己的时间片都会发送数据,这样能够实现网络的持续的管理。Pyxos通信协议是一个严格遵循主/从网络结构的协议,在一个Pyxos网络中可以有一个主设备(Pilot节点)和最多32从设备(Point节点)。所有的通信均通过Pilot,在不同的从设备Point之间不支持报文路由。Pyxos通信使用短的数据包进行通信,Pyxos网络中有限的设备数目可以限制MAC延时。总线上的每个控制器在通信中作为Point,而总线上的像镇流器这样的ECG只是响应Point的命令起SLAVE的作用,系统具有分布式智能功能。
2)安装简单方便,安装P-bus系统接口有2条主电源线,二条控制线,对线材无特殊要求,安装时也无极性要求,只要求主电源线与控制线隔离开,控制线无需屏蔽,要注意的是当控制线上电流在250mA,线长300m时压降不超过2V。
3)节约能源、方便管理、维护:功能和控制的修改方便灵活,只需少量的程序调整,不需要现场重新布线就可以实现。此外,可节约能源,提高效率。通过将时钟,光线控制设定使系统自动运行到最佳状态,合理节约能源,方便管理和维护。
合肥图久智能科技提供的P-bus灯光场景控制系统专门用于灯光及其他设备的控制,可以提供亮度、灯光场景组合等控制效果,并且可以根据用户的其他要求,在该控制系统中增加其他控制功能。
SMC-MO是荧光灯调光控制器,通过服务器交换机可以将多段Polit子系统连接成一个规模较大的灯光控制系统,这个控制系统的主干网可以运行比Pyxos协议更高一级的协议,如以太网协议等。
图四中的主干线一般采用RS485、Lnworks、TCP/IP的一种,若采用Lnworks则需要增加网关模块。
P-bus控制系统还可以将DSI控制、0~10v调光控制、继电器灯光回路控制等融于一体,一整个建筑物及局部区域灯光进行控制,从而更进一步的达到照明节能的效果。
同时P-bus控制系统还可以接入楼宇智能控制系统中,或者多个P-bus控制系统形成网络进行控制。
3.1 P-bus 特点介绍
·每个P-bus主控制器可以连接1~32个P-bus从模块;
·每个P-bus主控制模块可以连接最多255个I/O设备;
·每个模块最多可以提供5个九键场景开关选择,可以根据用户需要增加;
·场景开关也可以选用液晶触摸屏代替,选用液晶触摸屏,用户可以根据自己的实际需求设置、存储1~6组场景;
·每个P-bus控制器预留与楼宇智能控制系统或其他控制器组网通讯的扩展功能;
·P-bus控制器还可以增加对其他设备的控制功能,如对窗帘步进电机的控制等;
·每个P-bus控制器最少预存1个场景,并且可以根据用户需求增加或改变场景;
·提供集成的控制箱及简单快捷的接线方式;
·仅需接入设备(电源看具体情况决定需要与否),即可实现控制功能,不需要其他任何设置;
·P-bus控制器与场景开关(或触摸屏)分离安装,增强了房间的美观性;
·可以将传统的0~10V调光控制、继电器回路控制等接入控制系统,形成统一控制;
·多个控制器形成的网络控制系统,可以对整个建筑物形成整体或区域灯光控制,并可以选择集中或区域本地控制等功能。
3.2 P-bus智能照明系统优点介绍
(1)高可靠性
系统采用了“分布式控制”的概念,既便于照明系统的中央临控,又避免了“中央集中式照明控制系统”可靠性差的致命弱点。由于采用预置信息“分布式控制”,当系统中某个模块出现故障,只是与该模块相关的功能失效.而不影响网络其它模块正常运行。从维护的观点来看,这种“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统的 “容错”水平。同时.由于采用高性能的开关器件,周密的电路保护措施使该产品即使在最恶劣的环境下都具有极高的可靠性。
(2)可观的“节能”和“延长灯具寿命”效果
系统能对场地所有灯光根据需要预先设置,实现自动合理的能源管理功能。灯具损坏的致命原因是电网过电压,电子产品对电网冲击电压和浪涌电压的成功抑制和补偿以及软启动和软关闭技术的引入使灯具寿命延长,对昂贵灯具以及难安装区域的灯具有特殊意义。由此可知,“节能”和“节灯”对减轻供电压力,降低用户运行费用,实现照明管理智能化都具有极大的经济意义。
(3)安装简便,操作直观
电气维修工程师仅需接受简单的培训,就能很快管理大型照明系统,并取代原有空气开关或其它开关和保险丝,用操作直观的控制面板取代原有手动开关,两者之间可用价格低廉的数据总线实行低压控制连接,改变了原有手动开关需接入强电线路的传统设计方法,既安全又能简化布线工程,而且系统的重组和今后的维护十分方便。
(4)网络控制,便于管理升级
智能照明系统是基于网络,利用网络实现远程控制、集中控制、无线遥控、电脑控制、定时控制、网络控制等多种控制方式,并提供灯光软启、调光、亮度记忆、场景记忆等智能化操作和管理。
在某四星级宾馆智能楼宇控制系统设计中,选用了P-bus系列产品,其控制系统可以完成以功能:
·场景的预发、调用:通过灯光营造现场多种不同需求的动态场景气氛;
·调光:根据用户的个人要求、现场的需要设置个性化灯光效果:
·日照补偿:在固定照度的条件下,利用自然光调高调低现场灯光。达到节能的目的;
·红外、来人感壹亮灯:灯光智能化的体现,适用于走廊、过道、八门场景:
·时间控制:通过预设时间开关、灯光的灯光遥控;
具体功能可以做到如下:
1)自动开灯功能
当客户打开房门.钥匙灯立刻点亮,指导客户插卡取电。当客户插卡取电舌.就进人了回家模式,根据情况和设定可以得到想要的灯光和电器的组合场景等。
同样,利用运动检测传感器町以检测房间内有无人,从而自动决定是否房间需要照明,一旦检测到房间有人,自动接通照明装置;人一旦离开房间存一定预先设定好的时间后(如5min),自动关闭照明,并可实现房间恒亮(照)度照明(如在有阳光的情况下,自动降低电照明的发光程度),也可以手动实现手动调光控制。
2)场景功能
只要轻按一个键,就可以得到想要的灯光和电器的组合场景,如回家模式、离家模式、会客模式、就餐模式、影院模式、夫妻夜话、夜起模式等。
以标准间为例,作为一个客人集中(唯一)活动的场所,一般配有吊灯、射灯、壁灯、筒灯等,可以用不同的灯光相互搭配产生不同的照明效果,如休闲、娱乐、电视、会客等场景模式供随时选用。
例如:
设定会客模式为吊灯亮80%、壁灯亮60%、筒灯亮80%;
看电视场景为吊灯亮20%、壁灯亮40%、筒灯亮10%;
因为采用了调光控制,灯光的照度可以有一个渐变的过程,通过遥控器或通过面板的现场控制,可以随心所欲地变换场景,营造一种温馨、浪漫、优雅的灯光环境。
3)灯光软启动
开灯时,灯光缓缓的亮起,关灯时,灯光缓缓地熄灭,消除了光线骤变对眼睛的刺激,既保护眼睛也减小电流对灯丝温度的冲击,延长了灯具的使用寿命,保护灯泡。
4)亮度调节
可以任意调节灯光的亮度,从而配合各种家庭场景设置,为客户营造出更多更加温馨和浪漫的场景氛围。
5)记忆功能
芯片会自动记忆前一次开灯时设置的灯光效果,让智能照明系统的操作更具人性化。
6)安全功能
在房间中的运动检测传感器,除了感知客人的进入,还可以感知未经过授权的人的进入。同时在控制台,可以看到是否有人员在房间内活动,做到安全防范。
.4.2 控制系统图
酒店标准间控制方案是将走道灯、床头灯需要控制的灯光全部接入到P-bus系统,再将控制开关如插卡开关、门铃信号、开灯信号等接入远程I/0的开关量输入点,也可将温度调节器的模拟信号接入远程I/0的模拟量的输入点。空调温度控制可以由远程I/O开关量输出点或模拟输出点完成。
图5是酒店标准间的控制系统图,图6为总线控制系统简图,可以根据要求增加和修改控制点。
对于整体,P- bus总线拓扑结构是不确定得,可以构成线型、树型、星型或混合型。在酒店中可以采取任何形式的结构,具体采用哪种形式或是多种并存根据客房的分布设计。
图5酒店标准间控制系统图
图6总线控制系统简图
5 结束语
随着人们生活质量的提高和环境的改变,在未来的生活中,引入人类行为学、心理学的研究成果,在自动控制、计算机和通讯技术的基础之上^,按照人类行为心理需要,将生活中的各种功能系统,通过自动化产品,与外界相连通的集控制、监测、管理与交流于一体的居家智能化住房必定会很快进入平民百姓家。