LED照明工程设计与施工，掌握LED照明控制新技术

1.智能照明控制系统

智能照明控制系统是利用先进的计算机、嵌入式系统和网络通信技术，将照明线路中的各种光源通过网络连接到一起进行控制的平台。一方面，智能照明将让用户有更方便的手段来管理照明设备，比如，通过红外遥控器、智能开关、传感器、电话、互联网或者语音识别控制照明设备，更可以执行场景操作，使多个灯具和设备形成联动；另一方面，智能照明系统内的各种照明设备相互间可以通信，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。

（1）智能照明控制系统与传统照明系统的比较

1）与单控电路系统比较。传统照明单控电路特点：控制开关直接接在负载回路中；当负载较大时，需相应增大控制开关的容量；当开关离负载较远时，大截面电缆用量增加，只能实现简单的开关功能。

总线式智能照明系统单控电路特点：负载回路连接到输出单元的输出端，控制开关用总线与输出单元相连。负载容量较大时仅考虑加大输出单元容量，控制开关不受影响；开关距离较远时，只需加长控制总线的长度，节省大截面电缆用量；可通过软件设置多种功能（开/关、调光、定时等）。

2）与双控电路系统比较。传统照明双控电路特点：实现双控时用两个单刀双掷开关，开关之间连接照明电缆；进行多点控制时开关之间的电缆连线增多，使线路安装变得非常复杂，工程施工难度增大。

总线式智能照明系统双控电路特点：实现双控时只需简单地在控制总线上并联一个开关；进行多点控制时，依次并联多个开关，开关之间仅用一条总线连接，线路安装简单、省事。

3）与控制方式比较。传统控制采用手动开关，必须一路一路地开或关；智能照明控制采用数字信号控制，控制功能强、方式多、范围广、自动化程度高，通过实现场景的预设置和记忆功能，操作时只需按一下控制面板上某一个键即可启动一个灯光场景（各照明回路不同的亮暗搭配组成一种灯光效果），各照明回路随即自动变换到相应的状态。上述功能也可以通过其他界面如遥控器等实现。

4）与照明方式比较。传统控制方式单一，只有开和关，即使有调光功能也只能对某些小区域简单回路单一调光；智能照明控制系统采用“调光模块”，通过对灯光的调光可在不同使用场合产生不同灯光效果，营造出不同的舒适氛围。

5）与管理方式比较。传统控制对照明的管理是人为化的管理；智能控制系统可实现能源管理自动化，通过分布式网络，只需一台计算机就可实现对整幢大楼的管理。

（2）智能照明系统的优点

1）集中管理，减少人为浪费。在现代高层办公大楼中，人为造成照明能源浪费的现象仍然非常严重，无论房间有人还是无人，经常是“长明灯”。智能照明系统既能分散控制又能集中管理，在大楼的中央控制室，管理人员通过操作键盘即可关闭无人房间的照明灯。

2）自动调光，充分利用自然光。智能照明控制系统可采用全自动状态工作，系统有若干个基本状态，这些状态会按预先设定的时间相互自动切换，并将照度自动调整到最适宜的水平。可调节有控光功能的设备来调节控制天然光，还可以和灯光系统联动。当天气发生变化时，系统能够自动调节，无论在什么场所或天气如何变化，系统均能保证室内的照度维持在预先设定的水平。

智能照明系统中的光线感应开关通过测定工作面的照度，与设定值比较，来控制照明开关，这样可以最大限度地利用自然光，达到节能的目的，也可提供一个不受季节与外部气候环境影响的相对稳定的视觉环境。一般来讲，越靠近窗自然光照度高，从而人工照明提供的照度就低，但合成照度应维持在设计照度值。

3）自动调光，保持照度的一致性。一般照明在新建的建筑物设计时，均会考虑到随着时间的推移，灯具的效率和房间墙面反射率会不断衰减。因此，其初始照度均设置得较高，这种设计不仅造成建筑物使用期的照度不一致，而且由于照度偏高设计造成不必要的浪费，采用智能照明系统后，虽然照度还是偏高设计，但由于可以智能调光，系统将会按照预先设置的标准亮度使照明区域保持恒定的照度，而不受灯具效率降低和墙面反射率衰减的影响，这也是智能照明控制系统可节约能源的原因之一。

4）光环境场景智能转换。智能照明控制系统可预先设置不同的场景模块，需要时只要在相应的控制面板上进行操作即可调入所需的场景。用户还可以通过可编程控制面板对场景进行实时调节以适应不同要求。另外，用户还可以通过接口用便携式编程器进行不同场景的变换设置。

5）运行中节能。智能照明控制系统能对大多数灯具（包括白炽灯、日光灯、配以特殊镇流器的钠灯、水银灯、霓虹灯等）进行智能调光，给需要的地方、在需要的时间以充分的照明。及时关掉不需要的灯具，充分利用自然光，其运行节能效果充分。实现智能照明控制一般可以节约20%～40%的电能，不但降低了用户电费支出，也减轻了供电压力。

6）安装便捷，节省线缆。智能照明系统采用二线制控制，用CAN-BUS总线将系统中的各个输入、输出和系统元件连接起来，大截面的负载线缆从输出单元的输出端直接接到照明灯具或其他用电负载上，而无需经过智能开关。安装时不必考虑任何控制关系，在整个系统安装完毕后再通过软件设置各个单元的地址编码，从而建立对应的控制关系。由于系统仅在输出单元和负载之间使用负载线缆连接，与传统控制方法相比节省了大量原本要接到普通开关的线缆，也缩短了安装施工的时间，节省人工费用。

7）延长灯具寿命。灯具损坏的致命原因是电网过电压，只要能控制过电压就可以延长灯具的寿命。智能照明控制系统采用软启动的方式，能控制电网冲击电压和浪涌电压，使灯丝免受热冲击，灯具寿命得到延长。智能照明系统通常能使灯具寿命延长2～4倍，不仅节省大量灯具，而且大大减少更换灯具的工作量，有效地降低了照明系统的运行费用，对于大量使用灯具和安装困难的区域具有特殊的意义。采用智能照明控制系统不仅可满足便捷控制、灯光效果等要求，而且由于可观的节能效果（节电可达到20%～50%）及灯具寿命的延长（灯具寿命延长2～4倍），又能在降低运行费用中得到经济回报，还能省去常规照明所需的大部分配电控制设备，大大简化和节省穿管布线工作量。此外，智能照明系统还有潜在的价值回报，如智能控制系统能使整个系统工作在使人们最舒适的状态，从而保证了人们的身心健康，提高了工作效率。

智能照明控制系统广泛地应用于建筑领域，无论室内、室外、大小场合无处不可应用。该系统是办公大楼、宾馆酒店、娱乐场所、商业会馆、体育场馆、公寓别墅、庭院景点，家居别墅等理想的照明控制设备。

2.LED照明智能控制技术

LED照明智能控制技术是利用智能控制系统使LED灯具根据场景、环境进行自动调光，并且可以实时监控LED灯具运行状态的技术，其充分利用了LED灯具的特点，LED照明智能控制技术具有以下优点：

1）采用集中式直接DC驱动，不存在驱动可靠性和寿命问题。

2）多个LED灯具组成系统，相互协调，整体更加节能，真正凸显LED灯具的节能特性，实际使用成本短期内可明显下降。

3）提供更加灵活和自动化的节能策略，减轻LED灯具的散热压力。

4）同时能够利用LED的半导体芯片特性，使其作为信息传递的载体。

LED照明智能控制技术能够帮助LED光源进入室内照明应用的广阔市场，在LED照明的普及过程中发挥关键的作用。

LED照明智能控制技术的难点主要包括：LED调光下的光效保持研究、LED精细调光技术、LED和驱动IC及智能IC的集成研究、LED调光下的色温保持研究、LED调光下荧光粉的效率研究、LED调光和光衰关系的研究、LED调光和显色指数关系的研究以及LED对人体健康影响的研究等方面。

图4-4 LED调光下的光效保持

LED照明智能控制技术的核心目标和理念是使LED灯具更加节能，虽然自动调光可以根据场景和环境使LED光功率输出总体减小，但同时会影响LED器件的光电效率。针对LED调光下的光效保持研究，采用不同的LED调光驱动方式可以对光效的降低进行补偿，采用幅度调制（Ampilitude Modulation，AM）和脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）的混合方式能够得到较高的调光时的光效，如图4-4所示。

自动调光时如采用简单模拟调光将无法满足用户希望平滑调光、使视觉更舒适的要求。LED作为半导体器件，具有可精细调光的能力，采用数字多阶调光的LED驱动芯片，支持平滑调节和多达上万个台阶的驱动方式。

LED芯片、LED驱动芯片和智能IC芯片同属于低压半导体微电子芯片，以上三种芯片的集成封装可以满足用户的智能化要求，可以有效降低成本和减小芯片体积。

不同的照明光源色温影响人的工作和生活效率，LED调光下色温会随之发生漂移，美国伦斯勒学院对LED调光下的色温保持进行了研究，认为利用数字化自动补偿技术可以降低调光对LED色温漂移的影响。

蓝光LED激发黄色荧光粉产生白光是目前LED照明的主流低成本方案，但荧光粉效率会随LED的调光发生变化，法国克莱蒙费朗化学研究所对用于智能照明中的LED荧光粉光效进行了研究，研制出一种添加新组分补偿荧光粉光效的配比方案。

频繁长期的LED调光可能会使LED发生光衰，日亚公司研究院进行了长期调制LED对光衰影响的研究，目前已开发出光衰基本不受LED调光影响的芯片。

显色指数影响物体的真实色彩还原度，美国伦斯勒学院对LED调光和显色指数的关系进行了研究，利用附加控制芯片使LED的显色指数在一定时间内调光保持不变。

国内外已有多家研究机构和企业进行了LED照明智能控制相关技术难点的研究，其发展趋势是更加自动化，与人交互界面更加友好，LED照明智能控制技术已成为国际国内研究的热点。预期该项技术能够大大加快LED灯进入千家万户的进程，同时为室内信息的交互提供“智慧”载体，预期存在广阔的应用和产业化前景，具有巨大的社会和经济效益。

3.计算机网络技术(www.xing528.com)

由于网络技术的普及和成熟，在LED照明控制系统中应用TCP/IP网络技术已成为一种明显的趋势，TCP/IP协议（Tramsfer Control Protocal/Internet Protocol）称为传输控制/网际协议，又叫网络通信协议，这个协议是Internet国际互联网络的基础。用TCP/IP协议可实现整个系统的宽带、距离、可靠和双向等功能，这意味着在一个网络里可同时连接的设备更多，且连接的距离更长，传输控制协议使LED照明系统的控制质量和可靠性更高，双向通信使设备的远程监测和控制更有效，因而构筑大规模可靠的LED照明系统的网络成本更低，这是以现代计算机网络技术为支持的必然结果。

设计一种控制系统如能采用现有成熟的技术方案和产品则是相当明智的方法，LED-NET系统是以DMX512协议和计算机网络技术TCP/IP协议为基础开发出来的LED照明控制系统，使其更加适合LED照明行业的应用。这样意味着拥有大量现成而众多的DMX512设备、网络产品和软件资源，如集线器、电缆、光纤和无线连接产品以及远程控制和监测技术。此外，现有建筑物和各种场所已遍布以太网，更可方便LED照明系统工程使用。

（1）TCP/IP

TCP/IP是网络中使用的基本的通信协议，虽然从名字上看TCP/IP包括两个协议，即传输控制协议（TOP）和网际协议（IP），但TCP/IP实际上是一组协议，它包括上百个各种功能的协议，如远程登录、文件传输和电子邮件等，而TCP协议和IP协议是保证数据完整传输的两个基本的重要协议。

TCP/IP是用于计算机通信的一组协议，通常称它为TCP/IP协议族。它是20世纪70年代中期美国国防部为其ARPANET广域网开发的网络体系结构和协议标准，以它为基础组建的Internet是目前国际上规模最大的计算机网络，正因为Internet的广泛使用，使得TCP/IP成了事实上的标准。

（2）DMX512

DMX512协议最先是由USITT（美国剧院技术协会）发展成为从控制台用标准数字接口控制调光器的方式。DMX512超越了模拟系统，但不能完全代替模拟系统。DMX512的简单性、可靠性（假如能够正确安装和使用的话）以及灵活性使其迅速成为资金允许情况下首选的协议，除了调光器外，还有一系列不断增长的控制设备。DMX512仍然是科学上的一个新领域，具有在规则基础上产生的各种技术。目前，除了在舞台调光领域上广泛应用DMX技术外，LED全彩变色照明控制系统也广泛采用了DMX512协议。使DMX512迅速成为LED全彩控制系统上通用的控制技术。

DMX512是围绕工业标准EIA486（RS485）接口设计的。DMX控制系统是基于沿着屏蔽双绞线的向下对称发送而建立的。所以系统应该由一条或两条由箔片或编织网构成屏蔽的双绞线组成。DMX512的资料发送基于一种8位异步串行协议，带一个开始位（低电平）和两个停止位（高电平），没有奇偶校验。因此一个资料帧有11位元。由于每一位的宽度是4μs，所以发送一个帧需要44μs的时间。如果线路要发送一个连续的数据流，则会产生250000b/s的资料率，或称250k波特。DMX512协议是公开、开放的协议，可以帮助用户对系统实现各种控制的编程。DMX512控制系统有如下特点：

1）DMX512灯光效果编辑软件能编辑出各种丰富多样的灯光效果，并能在下载之前先进行效果模拟，确认下载的灯光效果是否满足自己的需要。

2）DMX512控制器具有联网功能，DMX512控制系统能通过多个DMX512控制器联网工作，突破DMX512协议512通道的限制，实现大规模灯具控制。

3）DMX512灯具采用24位真彩色，能实现任意颜色变化效果，随意编辑LED色彩和点、线、面图案组合。

（3）EIA485（RS485）

DMX512是围绕工业标准ElA485接口设计的，EIA485属于接口、电压、电流等的“电”端。系统是基于沿着屏蔽双绞线的向下对称发送而建立的。这种缠绕结构确保所产生的干扰会同样地作用于两个信号，因此保证了一致的数字定相。所用的导线应该是由一条或两条双绞线、箔片和编织筛所构成的合适的数据导线。对称音频导线则不能完成这个工作。通常，就如任何网段一样、导线两头应该有两个终端。灯光控制台通常在一端作为终端，而另一端应该只有一个120Ω的电阻。

ElA485规范只支持“雏菊链”或每段上最多以32个“单元负载”所构成的串行网络。每段可以长达1000m。要特别指出的是，中继器的作用应该考虑到700m或800m左右，这样可以防止环境的异常。XI-R连接器的针线信号分配如下：

1）屏蔽地/0V

2）内部导体（黑）数据-

3）内部导体（白）数据+

4）内部导体（绿）备用数据-

5）内部导体（红）备用数据+

DMX512控制线采用5针XLR（有时是3针）连接设备，母接口适用于发送器，而公接口适用于接收器。应采用一条两对导线（4个连接口）来实现屏蔽，虽然只需要其中一对。第二对导线用于未指定的可选场合中。必须注意的是一些调光器使用这些线来指示故障和状态信息。如果调光器用第二个信道，则需要专门配置的分路器和中继器。

基于DMX512的LED灯饰控制系统由演示效果设计软件（在PC机上使用）、主控器和LED灯具陈列组成，系统构架如图4-5所示。每个DMX512控制器最多驱动512路对象，对于多于512路控制对象的系统，可以采用多个控制器并联工作，控制器之间通过同步信息进行同步工作。应用软件的主要功能如下：

图4-5 DMX512灯光系连线统结构图

1）在计算机中根据规划好的灯具物理布局编排灯具，包括灯具的放置位置、灯具分组以及灯具属性的设置。

2）设计演示效果。对于同一个灯具布局，用户可以根据需求设计多种演示效果。

4）效果仿真。每个效果设计完成后是否合适，可以用效果仿真功能进行仿真。

4）演示效果数据管理。所有设计好的演示效果可以导入数据中进行管理。

5）演示效果数据下载。用户从效果库中选择部分效果数据下载到DMX512控制器中。

4.智能照明的应用领域

1）家居领域，提供舒适的生活空间。传统的一开一关的控制方式制约了现代人快节奏的生活方式。随着科技的发展和人民生活水平的提高，人们对家庭的照明系统提出了新的要求，除了要控制照明光源的发光时间、亮度，还要与家居子系统配合，对不同的应用场合营造相应的灯光场景，更要考虑管理智能化和操作简单化以及灵活性来适应未来照明布局和控制方式变更等要求。一个优秀的智能照明系统可以提升家庭环境的品质，确保家庭生活的舒适和健康。所以，网络开关代替传统开关，智能照明系统代替传统照明系统，是家居智能化过程中的必然一步。

在家居生活中，智能化照明设备通过预设及储存不同的灯光场景来调节房间内的灯光变化，迎合房间主人不同的需要。例如在客人探访、聚会时，可能需要较明亮的灯光；而在欣赏古典音乐或轻音乐时，则用柔和的灯光；而要把客厅变为家庭影院观看精彩影片时，灯光更需要调得暗淡，这一切，都可以坐在沙发上从容操作，省却以往费事费力逐一开灯关灯的麻烦。

照明控制的智能化，使室内所有灯可以按照预先设置的方式工作，这些预设的状态会按设定的程序循环地工作。如预设灯光在7点钟打开（或者说按照到家的时间设置），在7点以后到家时，灯光系统就会自动进入设置好的工作状态，而且会根据不同的方式缓慢地调节屋内的灯光。

可以通过编程，随意改变各区域的光照度，以适应各种屋内主题和主人心情的需要。重要的是，智能化照明系统还可以很好地利用自然光照明，根据天气的不同而变化，调整照度到最合适的水平。

智能照明系统使人们生活在最舒适的状态，而与室内面积无关。随着智能照明系统在市场中的推广，越来越显示出它的优势，在这样的系统带来各种各样功能的同时，还给主人更舒适的生活空间。

2）办公领域，在节能中提高效率。大气而美观的办公环境，明亮而舒适的灯光。走进会议室，聪明的灯光自动打开，通过预先编程的照明系统自动控制灯光的照度和数量，将室内的灯光调整到最合适的开会状态；会议结束离开房间，灯光自动关闭；当窗外的自然光线在变化，室内的灯光也随之自动调整，自动自觉节约电能，如此先进的办公照明环境，如今已经开始在各大型的办公楼里呈现。

办公场所代表了一个公司的形象，而智能化、便捷的工作环境能让办公室的员工更加舒适。在快节奏的今天，办公人员每日忙于处理繁忙的事务，简便、灵活、舒适的办公环境能让他们心情愉悦，工作效率有效地提高。智能化的办公室照明为办公室带来了便捷、人性化的设计，比如，在会议室采用的智能自动调光系统有多种预先场景设置，简单的一个按钮就可以切换出不同的照明模式，为办公人员提供所需的最佳舒适度的灯光，使员工处于最佳的工作状态。

同时，良好的节能意识也能在智能化办公照明中完美体现。智能化系统的自动感应控制装置可以有效地利用自然光，使照明环境保持恒照度，更可以自动关闭没有人员区域的照明设备，将不必要的能耗降到最低，最高可以达到75%的节能效果。

3）公共设施领域，绿色安全环保。智能化照明在公共设施中的应用也是非常重要的，随着科技的发展，可以在一些路桥隧道内，用智能路灯代替传统路灯，这种“智慧”的路灯不仅可以全天候亮灯，而且还能随着太阳光线的强弱而自动调节桥下灯光的强弱，既人性化又节约能源。