P-BUS總線技術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網絡協議基本常識，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網絡，實現智能照明系統的自動化控制。
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境。綠色照明需要科學設計和高效率、壽命長、安全及性能穩定的照明電器產品來實現。照明電器產品包括：電光源、燈用電器附件、燈具、配線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開關控制，對于上述要求很難實現，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介紹
熒光燈的調光控制方法是隨著電子鎮流器技術不斷創新發展而提高的，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 |
調光特性 |
調光范圍 |
220V主電源電壓控制 |
|
DSI |
2線 |
數字曼徹斯特編碼 |
無 |
是 |
是 |
指數 |
1％～l00％．3％～l00％ |
鎮流器內可開關切換控制 |
|
DALI |
2線 |
數字曼徹斯特編碼 |
無 |
是 |
否 |
指數 |
1％～l00％ |
鎮流器內可開關切換控制 |
|
1V～10V |
2線 |
1～10V模擬量 |
有 |
否 |
否 |
線性 |
1％～l00％、3％-100％、l0％-100％、5％～l00％、20％～l00％ |
由調光控制器控制 |
鎮流器僅僅是串連在熒光燈回路中的一個負載．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。近年來隨著高頻電子型鎮流器的出現，改變了鎮流器的技術性能，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品。
按鎮流器的控制線數目劃分，有二、三、四線三種，目前市場上最最廠泛的產品是“四線控制”鎮流器，調光控制器通過二條220V主電源線為鎮流器提供功率支持，二條超低電壓控制線可接口鎮流器實現開關、調光等各種功能性控制。按控制接口控制信號性質可分成三種：
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總線通過輸出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，按線性規則調節熒光燈的亮度，調光時一旦控制信號觸發，鎮流器啟動熒光燈，首先被激勵點燃到全亮，然后再按控制量要求調節到相應亮度，按IEc929標準，每個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公司開發的Pyxos嵌入式控制網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部的各個組成部分之間形成智能的數字控制網絡，它是一種低成本的、網絡自安裝的技術，而且能夠和現有的基于GB/Z 20177的Lonworks控制網絡平臺技術結合，構成任意規模的自動控制網絡。Pyxos FT技術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現最小的反射。通信中，使用前導編碼，實現通信信號無極性，從而避免由于安裝錯誤引發的故障。Pyxos FT技術，支持在一對雙絞線上，既傳輸網絡數字信號，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，可以同時從通信數據線上取得工作電源。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系統的構成
基于Pyxos網絡技術的設備連接構成網絡時，網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歐姆的阻容網絡組成的終端匹配器。對于自由拓撲方式，Pyxos網絡所有的連線最長為100米，在網絡的任意位置使用一個阻抗為52歐姆的阻容網絡作為終端匹配器。
在Pyxos網絡中，Pilot和Point節點均使用一個Pyxos芯片。
2.3 基于 P-bus系統的設備
P-bus總線技術基于Pyxos嵌入式控制網絡，Pilot作為主設備，Point作為從設備，一個Pilot節點最多可以管理32個Point節點。Pilot節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節點設計框圖
系統最小的結構是Point節點（從設備），一條P-bus總線即一個Pilot節點（主設備）最多支持32個Point節點，整個系統最多支持200條總線，即200個Pilot節點。也就是說整個系統最多支持200x32=6400個Point節點
P-bus智能系統主要有以下基本控制功能：
·設定燈電路的發光電平值。
·遠程開關燈電路。
·存儲和調用預先設定的燈電路工作參數值。
·可以查詢每個電子鎮流器的工作狀態。
·可以查詢每個燈負載的工作狀態。
利用以上的有關信息可以判斷照明系統的有關工作狀態。
P-bus照明控制系統構成燈光控制系統的主要特點是：簡單、可靠、功能優良。
1)通信結構簡單可靠，P-bus系統通信協議是基于Pyxos通訊協議，是一種基于分時復用技術（TDM）的鏈路層數據通信協議，使用雙相PSK信號調制技術。所有設備都能夠周期地、可預測地取得網路的使用權，也就是說，設備可以實現確定性的操作；在數據報中沒有地址信息，只有數據，沒有額外的數據開銷；網路可以始終運行，不需要使用長的前導報文來進行網絡中設備間的同步，因而可以實現數據的高速通信；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送數據，這樣能夠實現網絡的持續的管理。Pyxos通信協議是一個嚴格遵循主/從網絡結構的協議，在一個Pyxos網絡中可以有一個主設備（Pilot節點）和最多32從設備（Point節點）。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通信使用短的數據包進行通信，Pyxos網絡中有限的設備數目可以限制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)安裝簡單方便，安裝P-bus系統接口有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，不需要現場重新布線就可以實現。此外，可節約能源，提高效率。通過將時鐘，光線控制設定使系統自動運行到最佳狀態，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燈光場景控制系統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，并且可以根據用戶的其他要求，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，通過服務器交換機可以將多段Polit子系統連接成一個規模較大的燈光控制系統，這個控制系統的主干網可以運行比Pyxos協議更高一級的協議，如以太網協議等。
圖四中的主干線一般采用RS485、Lnworks、TCP/IP的一種，若采用Lnworks則需要增加網關模塊。
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，一整個建筑物及局部區域燈光進行控制，從而更進一步的達到照明節能的效果。
同時P-bus控制系統還可以接入樓宇智能控制系統中，或者多個P-bus控制系統形成網絡進行控制。
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或其他控制器組網通訊的擴展功能；
·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；
·多個控制器形成的網絡控制系統，可以對整個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智能照明系統優點介紹
(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。由于采用預置信息“分布式控制”，當系統中某個模塊出現故障，只是與該模塊相關的功能失效．而不影響網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品即使在最惡劣的環境下都具有極高的可靠性。
(2)可觀的“節能”和“延長燈具壽命”效果
系統能對場地所有燈光根據需要預先設置，實現自動合理的能源管理功能。燈具損壞的致命原因是電網過電壓，電子產品對電網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，降低用戶運行費用，實現照明管理智能化都具有極大的經濟意義。
(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，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據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設計方法，既安全又能簡化布線工程，而且系統的重組和今后的維護十分方便。
(4)網絡控制，便于管理升級
智能照明系統是基于網絡，利用網絡實現遠程控制、集中控制、無線遙控、電腦控制、定時控制、網絡控制等多種控制方式，并提供燈光軟啟、調光、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設計中，選用了P-bus系列產品，其控制系統可以完成以功能：
·場景的預發、調用：通過燈光營造現場多種不同需求的動態場景氣氛；
·調光：根據用戶的個人要求、現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，利用自然光調高調低現場燈光。達到節能的目的；
·紅外、來人感壹亮燈：燈光智能化的體現，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光程度)，也可以手動實現手動調光控制。
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場控制，可以隨心所欲地變換場景，營造一種溫馨、浪漫、優雅的燈光環境。
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）亮度調節
可以任意調節燈光的亮度，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活動，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，也可將溫度調節器的模擬信號接入遠程I／0的模擬量的輸入點。空調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圖，圖6為總線控制系統簡圖，可以根據要求增加和修改控制點。
對于整體，P- bus總線拓撲結構是不確定得，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總線控制系統簡圖
5 結束語
隨著人們生活質量的提高和環境的改變，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，通過自動化產品，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很快進入平民百姓家。
