從簡單的手動控制開關到智能自動化環境的照明市場的變化為照明的工業控制帶來了根本性的設計轉變。通過有線或無線網絡進行通信的傳感器和分布式微控制器的集成使用是改造和新設計的當前標準。 通過為照明控制市場儲備專用微控制器和傳感器來實現這些系統開發。其中包括適用于板級和基于FPGA的解決方案的完整硬件和軟件開發環境。

什么是照明自動化？

大多數照明自動化都是針對工業園區和高層辦公樓。主要控制是設置燈的ON/OFF狀態。最初控制是手動的 - 當你進入一個房間時，你會打開燈，然后在你離開時將它們關閉，除了一些關鍵區域，為了安全起見，燈總是打開。 20世紀80年代早期的主要進步是運動傳感器，它通過使用簡單的運動探測器來判斷是否有人進入房間，將ON/OFF功能改為“免提”功能，在這種情況下它會打開燈。這種簡單的技術現已過濾掉，是輕型交通區域住宅建筑的安裝/建筑“代碼”要求。

照明自動化現在有許多功能需要管理，因為有多種類型的照明（白熾燈，CFL，LED，OLED）。管理功能包括狀態，狀態（ON，OFF，dim），更換和維修的生命周期，房間的電源管理，傳感器反饋，功率調整（停電，掉電，減載，峰值使用控制），與HVAC的集成，以及與事件和安全控制集成。為了與這些自動化系統連接，照明需要智能 - 來自嵌入式控制器和傳感器的分布式信息，這些信息通過有線和無線網絡與集中式管理中心通信。現代自動化系統中照明控制的關鍵是在整體能源使用和照明交付計劃的背景下對照明系統進行被動/非侵入式監控和主動管理。

照明自動化還包括傳統的DMX512接口舞臺和演示照明控制系統。這是一種常見的固定電壓互操作照明控制標準，可讓節目指導時序，移動，亮度和顏色控制，以實現2軸和3軸性能/演示照明。 DMX512標準定義了照明控制可能的通信協議，命令和操作。由于該標準已經存在很長時間，因此STMicroelectronics（STEVAL-ILL030V1）提供的演示和評估板允許系統開發人員在安裝之前創建程序并使用照明裝置對其進行測試。該板使用ARM?32位Cortex-M3TM微控制器; MCU通過RS-485收發器和USB接口進行通信，并具有STCS1A LED驅動器。

最常見的照明自動化控制方法涉及使用運動傳感器來管理燈的ON/OFF狀態。有兩種主要類型的運動傳感器：被動紅外型（稱為MP型傳感器）和區域反射型（稱為MA型傳感器）。松下電工提供的幾種MP和MA傳感器系統的示例如圖1所示。

圖1：MP和MA運動傳感器。 （由Panasonic Electric Works提供）

MP運動傳感器通過檢測某個區域是否存在人員來工作。傳感器測量當人體溫相對于周圍環境“移動”時區域內的紅外線量的變化。這些傳感器不發射任何紅外光;相反，他們會看到觀察路徑中的紅外能量。結果，它們具有非常寬的視角并且不依賴于距離。完整的MP傳感器系統的框圖如圖2所示。

圖2：MP運動傳感器框圖。 （由Panasonic Electric Works提供）

MA傳感器通過發送紅外光束并測量返回的反射光量來工作。傳感器控制一個開關，確定某物何時進入給定的距離范圍內。他們無法區分人和可能進入感應區域的其他物體，只有某些東西進入該區域并且是紅外反射的。完整的MA傳感器系統的操作框圖如圖3所示。

圖3：MA運動傳感器框圖。 （由Panasonic Electric Works提供）

MP和MA傳感器在設計上與工廠自動化（FA）傳感器分開，有兩個約束條件。 FA傳感器放置在已知的良好控制的光照條件下，使得紅外探測器在操作時不必處理大范圍的信號。由于操作范圍縮小，這些傳感器具有更高的靈敏度和更短的響應時間。它們還暴露于更大量的背景電噪聲，因此具有更高的噪聲抑制規格。

用于照明控制的FA傳感器的使用數量非常大。圖4顯示了運動控制傳感器可以放置在住宅安裝中的典型位置，而圖5顯示了運動控制傳感器可以放置在商業設施中的典型位置。隨著傳感器的數量和種類繁多，與設備的通信非常重要。新系統不僅監控這些傳感器的狀態（開/關），而且還提供自適應控制模式所需的數據，通過智能照明管理進一步降低能耗。

圖4：住宅運動傳感應用。 （由Panasonic Electric Works提供）

圖5：商業運動傳感應用。 （由Panasonic Electric Works提供）

一個更高級的例子 - 假設有一個基于微控制器的系統和一個中央數據分析/存儲 - 是辦公室的主動照明結構。假設辦公室和會議室有窗戶，百葉窗，燈，HVAC控制，溫度傳感器，運動傳感器和計算機化的會議室調度系統，智能自動化系統可以執行以下操作：

識別

在預定時間和會議期間，關閉/關閉辦公室暖通空調的阻尼器會議的持續時間，以降低供暖/制冷成本。

當該人離開辦公室時，關燈，并根據一天中的時間和一年中的季節，打開/關閉百葉窗允許自然采光和加熱/冷卻以支撐房間。

根據預定的會議，平衡會議室溫度以確定與會者的數量，并根據之前的房間使用進行調整。

檢測人員何時出現并合并調整會議室燈光（ON/OFF/Dim）控制百葉窗。如果激活了下拉屏幕，請相應調整百葉窗。當屏幕完全展開時，將燈光設置為房間的預定“昏暗”模式。

會議結束后，等待運動傳感器指示人員已經離開，然后恢復房間到了初始狀態。

這種情景的一個重要方面是與房間照明相關的環境管理。目前的熒光燈照明是開放式辦公空間環境中產生的大約一半熱量的原因。出于這個原因，在冬天，燈更長時間以降低加熱區域的成本。然而，在溫暖的季節，照明產生和損失的熱量會產生大量的冷卻能量消耗。熒光燈，鎮流器和它們的CFL等效物也具有適度短的壽命。這些技術不能很好地適應調光，房間照明的調整是“整數”單位的燈 - 兩個帶兩個開關的燈只給你四種可能的照明組合。

隨著LED照明進入辦公室和住宅照明空間，燈的溫度管理和周圍環境對其可用性是不可或缺的。 “線性和接口選擇指南”中的溫度傳感器有三種輸出類型：如果超過閾值電平，則為簡單邏輯1/0;與溫度有關的模擬電壓輸出;以及與溫度有關的串行數字碼流。

用于LED燈具，更簡單的基于閾值的溫度傳感器，如ADI公司的ADT6501（見圖6），用于指示燈模塊需要斷電或調光。最簡單的模塊調光方法包括MCU控制的脈沖寬度調制（PWM）。可以運行此循環來調整PWM的占空比，直到溫度傳感器指示它可以安全運行，或者它可以關閉燈，直到溫度傳感器復位。

圖6：基于模擬器件閾值的溫度傳感器。 （由Analog Devices，Inc。提供）

模擬輸出設備，如Microchip Technologies的MCP9700低功耗線性有源熱敏電阻?，具有跟蹤環境溫度的輸出。對于每個器件，電壓輸出引腳可以直接連接到微控制器的ADC輸入。 MCP9700上的溫度系數可以進行調整，以便為8位ADC提供1°C/位分辨率。這使得設備能夠在燈打開/關閉，百葉窗打開或關閉以及進出房間的人員的情況下保持對室溫的主動跟蹤。其他器件集成了數據轉換器，并將串行比特流直接發送到微控制器。

由于典型的控制環境具有許多傳感器輸入，這需要多個數據通道和數據轉換器，因此大量的照明自動化系統正在集成到FPGA中。 FPGA可以集成集成微控制器（ARM，MIPS等），甚至可以允許多個獨立且相關的內核存在于一個芯片中。在當前的Xilinx和Altera FPGA上使用模擬接口簡化了環境控制系統的分區，這些系統要求照明由一個有源組件處理。

這些控制設計的關鍵要素是電源管理。雖然傳感器是獨立的電路元件，但它們需要集成到閉環反饋控制系統中。控制系統最終與可能在3伏到480伏之間工作的系統連接。因此，有必要監控電力的可用性，以實現照明和HVAC控制。由于照明需要有功功率并且在備用系統上操作是昂貴的，因此希望包括自動化物流，例如在停電和停電期間自動控制窗戶和天窗百葉窗。諸如ADI公司AD5601單芯片nanoDAC?（見圖7）等器件可用于監控可用功率。這些器件具有內部控制邏輯，可通過欠壓檢測電路確保上電復位（POR）至零電壓。微控制器可以檢測該模塊的輸出，以識別掉電情況并相應地調整發光。

圖7：ADI公司AD5601單芯片nanoDAC框圖。 （由Analog Devices提供）

所有這些自動化控制都需要傳感器，控制系統和多個微控制器之間的通信。由于大多數工業環境都是改裝環境，因此照明和HVAC系統不需要接線即可進行控制。為了使傳感器和控制數據遠離正常的IT系統，這些組通常不使用無線通信協議。相反，他們傾向于使用電力線調制解調器，在現有電力線上放置包含數據的載波信號;或者他們可以使用以太網供電（PoE），它通過標準數據線提供電源。雖然大多數工程師都聽說過電力線調制解調器并了解他們的通信方式，但PoE系統是新的。