P-BUS總線技術在智能照明控制系統(tǒng)的應用
Application of P-BUS Bus Technology in Intelligent Lighting Control System
摘要本文介紹Pyxos網(wǎng)絡協(xié)議基本常識，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，實現(xiàn)智能照明系統(tǒng)的自動化控制。
關鍵詞 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。綠色照明需要科學設計和高效率、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開關控制，對于上述要求很難實現(xiàn)，而且線路十分復雜，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的進步以及產(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)控熒光燈的亮度．
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 |
|
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)可開關切換控制 |
|
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負載．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)流器實現(xiàn)開關、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，信號極性有正負之分，按線性規(guī)則調(diào)節(jié)熒光燈的亮度，調(diào)光時一旦控制信號觸發(fā)，鎮(zhèn)流器啟動熒光燈，首先被激勵點燃到全亮，然后再按控制量要求調(diào)節(jié)到相應亮度，按IEc929標準，每個鎮(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)絡平臺為基礎的總線技術，它是一種專門擴展I/O總線的技術，使用該技術可以使得任何機器內(nèi)部的各個組成部分之間形成智能的數(shù)字控制網(wǎng)絡，它是一種低成本的、網(wǎng)絡自安裝的技術，而且能夠和現(xiàn)有的基于GB/Z 20177的Lonworks控制網(wǎng)絡平臺技術結(jié)合，構成任意規(guī)模的自動控制網(wǎng)絡。Pyxos FT技術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現(xiàn)最小的反射。通信中，使用前導編碼，實現(xiàn)通信信號無極性，從而避免由于安裝錯誤引發(fā)的故障。Pyxos FT技術，支持在一對雙絞線上，既傳輸網(wǎng)絡數(shù)字信號，又能傳輸24V的交流或直流電，也就是說，基于Pyxos FT技術的設備，可以同時從通信數(shù)據(jù)線上取得工作電源。這些特點，特別適合那些不能為設備提供本地供電方式的應用場合。
2.3 P-bus系統(tǒng)的構成
基于Pyxos網(wǎng)絡技術的設備連接構成網(wǎng)絡時，網(wǎng)絡拓撲支持總線拓撲和自由拓撲兩種方式。總線拓撲如圖一所示，自由拓撲如圖二所示。圖中P代表Pyxos中的Point節(jié)點。
使用總線拓撲時，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阻抗為105歐姆的阻容網(wǎng)絡組成的終端匹配器。對于自由拓撲方式，Pyxos網(wǎng)絡所有的連線最長為100米，在網(wǎng)絡的任意位置使用一個阻抗為52歐姆的阻容網(wǎng)絡作為終端匹配器。
在Pyxos網(wǎng)絡中，Pilot和Point節(jié)點均使用一個Pyxos芯片。
2.3 基于 P-bus系統(tǒng)的設備
P-bus總線技術基于Pyxos嵌入式控制網(wǎng)絡，Pilot作為主設備，Point作為從設備，一個Pilot節(jié)點最多可以管理32個Point節(jié)點。Pilot節(jié)點必須使用一個主處理器，一個典型的Pilot設計如圖三所示。
圖三 一個基于Atmel SAM7S64的Pilot節(jié)點設計框圖
系統(tǒng)最小的結(jié)構是Point節(jié)點（從設備），一條P-bus總線即一個Pilot節(jié)點（主設備）最多支持32個Point節(jié)點，整個系統(tǒng)最多支持200條總線，即200個Pilot節(jié)點。也就是說整個系統(tǒng)最多支持200x32=6400個Point節(jié)點
P-bus智能系統(tǒng)主要有以下基本控制功能：
·設定燈電路的發(fā)光電平值。
·遠程開關燈電路。
·存儲和調(diào)用預先設定的燈電路工作參數(shù)值。
·可以查詢每個電子鎮(zhèn)流器的工作狀態(tài)。
·可以查詢每個燈負載的工作狀態(tài)。
利用以上的有關信息可以判斷照明系統(tǒng)的有關工作狀態(tài)。
P-bus照明控制系統(tǒng)構成燈光控制系統(tǒng)的主要特點是：簡單、可靠、功能優(yōu)良。
1)通信結(jié)構簡單可靠，P-bus系統(tǒng)通信協(xié)議是基于Pyxos通訊協(xié)議，是一種基于分時復用技術（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。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，設備可以實現(xiàn)確定性的操作；在數(shù)據(jù)報中沒有地址信息，只有數(shù)據(jù)，沒有額外的數(shù)據(jù)開銷；網(wǎng)路可以始終運行，不需要使用長的前導報文來進行網(wǎng)絡中設備間的同步，因而可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速通信；不需要使用心跳技術，正常的設備在每一個屬于自己的時間片都會發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡的持續(xù)的管理。Pyxos通信協(xié)議是一個嚴格遵循主/從網(wǎng)絡結(jié)構的協(xié)議，在一個Pyxos網(wǎng)絡中可以有一個主設備（Pilot節(jié)點）和最多32從設備（Point節(jié)點）。所有的通信均通過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(shù)據(jù)包進行通信，Pyxos網(wǎng)絡中有限的設備數(shù)目可以限制MAC延時。總線上的每個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，要注意的是當控制線上電流在250mA，線長300m時壓降不超過2V。
3)節(jié)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(diào)整，不需要現(xiàn)場重新布線就可以實現(xiàn)。此外，可節(jié)約能源，提高效率。通過將時鐘，光線控制設定使系統(tǒng)自動運行到最佳狀態(tài)，合理節(jié)約能源，方便管理和維護。
合肥圖久智能科技提供的P-bus燈光場景控制系統(tǒng)專門用于燈光及其他設備的控制，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，通過服務器交換機可以將多段Polit子系統(tǒng)連接成一個規(guī)模較大的燈光控制系統(tǒng)，這個控制系統(tǒng)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。
圖四中的主干線一般采用RS485、Lnworks、TCP/IP的一種，若采用Lnworks則需要增加網(wǎng)關模塊。
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，一整個建筑物及局部區(qū)域燈光進行控制，從而更進一步的達到照明節(jié)能的效果。
同時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P-bus控制系統(tǒng)形成網(wǎng)絡進行控制。
3.1 P-bus 特點介紹
·每個P-bus主控制器可以連接1～32個P-bus從模塊；
·每個P-bus主控制模塊可以連接最多255個I/O設備；
·每個模塊最多可以提供5個九鍵場景開關選擇，可以根據(jù)用戶需要增加；
·場景開關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)自己的實際需求設置、存儲1～6組場景；
·每個P-bus控制器預留與樓宇智能控制系統(tǒng)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，如對窗簾步進電機的控制等；
·每個P-bus控制器最少預存1個場景，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；
·僅需接入設備（電源看具體情況決定需要與否），即可實現(xiàn)控制功能，不需要其他任何設置；
·P-bus控制器與場景開關(或觸摸屏)分離安裝，增強了房間的美觀性；
·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；
·多個控制器形成的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，可以對整個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。由于采用預置信息“分布式控制”，當系統(tǒng)中某個模塊出現(xiàn)故障，只是與該模塊相關的功能失效．而不影響網(wǎng)絡其它模塊正常運行。從維護的觀點來看，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”水平。同時．由于采用高性能的開關器件，周密的電路保護措施使該產(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)需要預先設置，實現(xiàn)自動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償以及軟啟動和軟關閉技術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，降低用戶運行費用，實現(xiàn)照明管理智能化都具有極大的經(jīng)濟意義。
(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，就能很快管理大型照明系統(tǒng)，并取代原有空氣開關或其它開關和保險絲，用操作直觀的控制面板取代原有手動開關，兩者之間可用價格低廉的數(shù)據(jù)總線實行低壓控制連接，改變了原有手動開關需接入強電線路的傳統(tǒng)設計方法，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十分方便。
(4)網(wǎng)絡控制，便于管理升級
智能照明系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡，利用網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程控制、集中控制、無線遙控、電腦控制、定時控制、網(wǎng)絡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)設計中，選用了P-bus系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)可以完成以功能：
·場景的預發(fā)、調(diào)用：通過燈光營造現(xiàn)場多種不同需求的動態(tài)場景氣氛；
·調(diào)光：根據(jù)用戶的個人要求、現(xiàn)場的需要設置個性化燈光效果：
·日照補償：在固定照度的條件下，利用自然光調(diào)高調(diào)低現(xiàn)場燈光。達到節(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：
·時間控制：通過預設時間開關、燈光的燈光遙控；
具體功能可以做到如下：
1)自動開燈功能
當客戶打開房門．鑰匙燈立刻點亮，指導客戶插卡取電。當客戶插卡取電舌．就進人了回家模式，根據(jù)情況和設定可以得到想要的燈光和電器的組合場景等。
同樣，利用運動檢測傳感器町以檢測房間內(nèi)有無人，從而自動決定是否房間需要照明，一旦檢測到房間有人，自動接通照明裝置；人一旦離開房間存一定預先設定好的時間后(如5min)，自動關閉照明，并可實現(xiàn)房間恒亮(照)度照明(如在有陽光的情況下，自動降低電照明的發(fā)光程度)，也可以手動實現(xiàn)手動調(diào)光控制。
2)場景功能
只要輕按一個鍵，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、會客模式、就餐模式、影院模式、夫妻夜話、夜起模式等。
以標準間為例，作為一個客人集中(唯一)活動的場所，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、會客等場景模式供隨時選用。
例如：
設定會客模式為吊燈亮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％；
因為采用了調(diào)光控制，燈光的照度可以有一個漸變的過程，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
開燈時，燈光緩緩的亮起，關燈時，燈光緩緩地熄滅，消除了光線驟變對眼睛的刺激，既保護眼睛也減小電流對燈絲溫度的沖擊，延長了燈具的使用壽命，保護燈泡。
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
芯片會自動記憶前一次開燈時設置的燈光效果，讓智能照明系統(tǒng)的操作更具人性化。
6）安全功能
在房間中的運動檢測傳感器，除了感知客人的進入，還可以感知未經(jīng)過授權的人的進入。同時在控制臺，可以看到是否有人員在房間內(nèi)活動，做到安全防范。
4.2 控制系統(tǒng)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(tǒng)，再將控制開關如插卡開關、門鈴信號、開燈信號等接入遠程I／0的開關量輸入點，也可將溫度調(diào)節(jié)器的模擬信號接入遠程I／0的模擬量的輸入點?？照{(diào)溫度控制可以由遠程I/O開關量輸出點或模擬輸出點完成。
圖5是酒店標準間的控制系統(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。
對于整體，P- bus總線拓撲結(jié)構是不確定得，可以構成線型、樹型、星型或混合型。在酒店中可以采取任何形式的結(jié)構，具體采用哪種形式或是多種并存根據(jù)客房的分布設計。
圖5酒店標準間控制系統(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、心理學的研究成果，在自動控制、計算機和通訊技術的基礎之上^，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很快進入平民百姓家。
