胡建秋，緱從軍

(1.東莞華明燈具有限公司，廣東 東莞 523653；2.廣東建筑照明智能化技術研究中心，廣東 東莞 523653)

引言

目前，導軌照明燈具以其使用方便、調整照明狀態(tài)容易等特性，廣泛應用于商業(yè)照明及展陳照明領域。導軌照明裝置中的導軌，需要承載燈具電源供電，并能夠在導軌上靈活安裝和使用專用的導軌照明燈具，一般只能用電源開關控制單個導軌供電回路中的照明燈具，技術水平還停留在十幾年前，采用的安全與技術標準為《燈具用電源導軌系統(tǒng)安全要求》(GB/T 13961—2008)[1]。處于單個導軌供電回路上的照明燈具，只能簡單地進行開關操作，或者采用常規(guī)切相調光器對導軌裝置上的多個照明燈具進行群調光，無法對導軌供電回路中的燈具實現(xiàn)獨立控制，同時也無法根據(jù)現(xiàn)場照明場景要求對導軌裝置上的燈具進行分組調節(jié)與控制，限制了導軌照明裝置在更多照明場合及照明場景使用。為了保障導軌照明滿足專業(yè)照明的需求，需要專門在獨立的導軌照明燈具上設置專有的獨立調光裝置對單個燈具進行調光，不但引起導軌照明系統(tǒng)調光不穩(wěn)定，同時也造成了照明資源與能源的浪費。

為了實現(xiàn)導軌照明系統(tǒng)智能控制，現(xiàn)有常用的方法一是采用有線通信的DALI協(xié)議及控制系統(tǒng)進行導軌照明裝置控制系統(tǒng)設計，首先需要在專業(yè)的導軌上搭配專有的DALI信號線，同時在導軌照明燈具中設計符合DALI協(xié)議的電子電路及軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對導軌照明系統(tǒng)中的單個或多個燈具進行獨立尋址，從而通過DALI控制器，實現(xiàn)導軌照明燈具的獨立控制或任意分組控制，并可對單燈或燈組進行精確的調光控制。二是直接采用PLC協(xié)議進行導軌照明裝置的系統(tǒng)設計，并需要在供電前段夾持相應的信號隔離及處理裝置，在確保PLC信號可靠性與穩(wěn)定性的基礎上，實現(xiàn)導軌照明燈具的獨立控制與任意分組控制[2]。

雖然DALI調光控制系統(tǒng)為照明控制帶來了極大的靈活性，最終用戶可根據(jù)現(xiàn)場照明需求，設計相應的照明控制方案。但DALI調光控制系統(tǒng)存在以下不足：一是導軌照明燈具采用符合DALI協(xié)議的驅動裝置價格昂貴，再加上各個廠商提供的符合DALI協(xié)議的驅動器相互之間不兼容，導致智能導軌上的不同燈具不能正常工作[3]；二是需要在導軌裝置上專門增加相應的DALI信號線，導致導軌裝置系統(tǒng)結構復雜，導軌上的布線繁瑣；三是需要獨立的DALI控制設備對DALI導軌照明系統(tǒng)進行調節(jié)控制，DALI導軌照明系統(tǒng)設置及調控極其復雜，相應的操作人員以及終端客戶具有相當?shù)膶I(yè)技能，才能對DALI調光控制系統(tǒng)進行準確無誤的操控，從而限制了DALI控制系統(tǒng)在導軌照明上的推廣使用。

以PLC(電力線載波)通信協(xié)議作為智能導軌照明，從原理上具有相當?shù)膬?yōu)勢，不需要額外增加單獨的通訊信號線，但在實際運用過程中，一是需要獨立的電源隔離控制裝置，防止PLC信號受到電力線的干擾，才能確保智能導軌系統(tǒng)正常的工作；二是PLC在產(chǎn)品互聯(lián)互通上還沒有統(tǒng)一，導致智能導軌系統(tǒng)很難進行市場推廣[2]。

為此，需要根據(jù)智能照明技術最新發(fā)展成果，結合導軌照明裝置系統(tǒng)的優(yōu)勢，研究開發(fā)相應的新型智能導軌照明技術，一方面可兼容目前市場上流行的各種照明控制協(xié)議，另一方面可以采用物聯(lián)網(wǎng)技術及網(wǎng)絡技術進行遠程控制，使得智能導軌照明裝置系統(tǒng)應用范圍及使用場景更加廣泛，滿足未來智能照明與情景照明的需求。

1 智能照明現(xiàn)狀分析及在導軌照明系統(tǒng)中的應用

智能照明經(jīng)過幾十年的發(fā)展及技術積累，目前已經(jīng)在各種照明場合得到了應用，但在智能照明技術發(fā)展中，由于各個行業(yè)、各個照明企業(yè)各自利益的驅使，再加上智能照明技術的多樣化，市場出現(xiàn)了多種智能照明技術及相關技術標準與協(xié)議，從控制方式上，既有可靠性高、但需要控制總線的有線智能照明技術，如DALI有線智能照明控制系統(tǒng)(64節(jié)點)、DMX有線智能照明控制系統(tǒng)(512節(jié)點)、KNX/EIB有線智能照明控制系統(tǒng)(14 400節(jié)點)、BACnet有線智能照明控制系統(tǒng)(無限節(jié)點)、PLC復用電源線智能照明系統(tǒng)等；同時，隨著無線通信技術的快速發(fā)展，又有無需專門布線的無線智能照明控制系統(tǒng)技術，如Wi-Fi無線智能照明控制系統(tǒng)、Zigbee無線智能照明系統(tǒng)、BLE MESH無線智能照明系統(tǒng)、NB-IoT無線智能照明系統(tǒng)等[4]，再加上照明行業(yè)原有的切相調光照明系統(tǒng)，市場上的智能照明技術及產(chǎn)品顯現(xiàn)出多樣化的趨勢，目前還無法確定未來智能照明市場上既通用又統(tǒng)一的智能照明技術標準。為此，智能導軌照明裝置系統(tǒng)采用可兼容多種調光方式的設計思路，以實現(xiàn)有線控制方式與無線控制方式的有機融合，確保智能導軌照明裝置系統(tǒng)滿足現(xiàn)代照明市場新要求，同時，也為未來智能照明技術提升與更迭替代打下良好的基礎。

基于普通導軌照明裝置和目前智能照明系統(tǒng)多樣化的現(xiàn)狀，設計一種新型智能復合型導軌照明裝置，既能滿足智能專業(yè)照明設計的需求，又能滿足智能家居照明設計需求，為用戶提供智能、健康及舒適的照明體驗。同時，可通過智能平臺APP，讓用戶輕松、快捷地對導軌照明燈具進行可靠的有線或無線控制，實現(xiàn)自適應照明控制，如對燈具開關，系統(tǒng)調光調色、簡易分組進行控制，使用戶既可以通過簡單的用戶界面實現(xiàn)各種燈光需求控制，同時又能通過智能系統(tǒng)學習功能，實現(xiàn)自適應照明，從而實現(xiàn)真正意義上的智能照明。

智能導軌照明系統(tǒng)控制示意如圖1所示。新型智能導軌照明系統(tǒng)與常規(guī)智能照明系統(tǒng)采用的通信方式性能優(yōu)勢比較見表1。

表1 智能導軌照明系統(tǒng)與常規(guī)的智能照明系統(tǒng)采用的通信方式性能優(yōu)勢比較

圖1 智能導軌照明系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of intelligent track lighting system

其中導軌總控制器為智能導軌照明裝置系統(tǒng)的核心，可接收來自不同網(wǎng)絡的各種調光信號，并將相應的控制信號進行處理后，轉化為符合RS485總線協(xié)議的數(shù)據(jù)及控制信號，從而使得智能導軌照明裝置系統(tǒng)能夠兼容市場流行的各種有線智能照明協(xié)議與無線智能照明協(xié)議，相應的導軌總控制器可將智能導軌上使用的各種導軌電器、各種感應器和導軌控制器集中在智能導軌上，從而使智能導軌照明裝置系統(tǒng)能夠滿足各種不同種類的智能照明需求，并且由于導軌系統(tǒng)內(nèi)智能燈具、智能感應器與導軌控制器之間通過有線方式(符合RS485總線協(xié)議)進行連接，使得智能導軌照明裝置系統(tǒng)工作可靠性得到有效保障[5]。

導軌電源系統(tǒng)可獨立設置，或者集成在導軌控制器中，負責將市電轉換成48 V直流電源，并輸送給智能導軌照明裝置中，同時導軌電源系統(tǒng)能夠根據(jù)智能控制器的要求進行各種智能控制及設置。而導軌燈具驅動裝置、導軌控制器與導軌感應傳感器，均采用RS485協(xié)議總線結構，并把相應的控制指令或數(shù)據(jù)通過導軌有線信號線傳輸給符合RS485協(xié)議的智能燈具，從而使智能導軌照明裝置系統(tǒng)可最大限度地兼容市場上各種智能照明控制協(xié)議，并實現(xiàn)高質量的智能照明與舒適健康照明。

智能照明導軌裝置系統(tǒng)采用通用RS485總線作為智能導軌照明系統(tǒng)通信總線，采用通用RS485總線后，除了智能導軌系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳送距離及抗干擾能力較好外，還具備相當高的性價比。通用RS485總線協(xié)議屬于OSI七層模型協(xié)議標準，具備性能優(yōu)異、結構簡單、組網(wǎng)容易等優(yōu)勢，是目前常用的串行通訊接口協(xié)議，其優(yōu)異的聯(lián)網(wǎng)功能在智能儀表、工業(yè)控制領域得到了充分的驗證[5]。RS485總線協(xié)議允許多個收發(fā)器連接到同一條RS485總線上，同時增加了收發(fā)器的驅動能力，允許連接多達128個收發(fā)器，最大傳輸距離可達1 000 m以上，從而可采用單一的RS485接口方便地建立起智能照明網(wǎng)絡。

考慮目前導軌照明使用習慣，智能照明導軌裝置控制系統(tǒng)需要兼容傳統(tǒng)的開關面板及遙控裝置對智能導軌照明系統(tǒng)內(nèi)的燈具進行近程控制，同時可通過互聯(lián)網(wǎng)，使用智能平臺APP(手機APP、液晶面板)等對智能導軌照明系統(tǒng)內(nèi)的燈具進行遠程控制。

2 新型智能導軌照明裝置技術方案

為了實現(xiàn)新型智能導軌照明，在結合現(xiàn)有智能照明的基礎上，需要設計智能復合導軌結構及架構，并研究相應的智能導軌照明技術、導軌燈具控制技術及導軌裝置系統(tǒng)控制技術。

2.1 采用專用的導軌總控制器技術及通訊連接兼容技術

可依據(jù)照明現(xiàn)場的遙控器、場景開關面板等，通過藍牙MESH與導軌總控制器進行無線通信，避免了獨立于導軌外的其他照明控制器控制智能導軌照明裝置時，需要有線連接于導軌控制裝置的技術難題，從而保障智能照明導軌裝置即使沒有Internet網(wǎng)絡系統(tǒng)，也能獨立可靠地對智能導軌照明系統(tǒng)進行控制。同時，相應地符合藍牙MESH通訊協(xié)議的智能語音箱、智能手機、現(xiàn)場場景面板、遙控器等發(fā)出的指令，通過藍牙MESH信號，傳遞到專用導軌總控制器中，并通過導軌總控制器編譯成符合RS485協(xié)議的指令發(fā)送給連接到導軌系統(tǒng)上的各個智能燈具，從而對導軌照明燈具進行智能控制及場景設置。

2.2 智能導軌系統(tǒng)配置設計為通過通用智能平臺實現(xiàn)

設計通過常用智能平臺(如手機、平板電腦)的藍牙MESH或Wi-Fi對導軌總控制器進行配網(wǎng)，且對于導軌裝置系統(tǒng)，只需對導軌總控制器進行配網(wǎng)即可，無需對導軌系統(tǒng)上的獨立燈具進行網(wǎng)絡配置。同時，通過設計相應的APP軟件系統(tǒng)，將導軌系統(tǒng)上的所有獨立燈具顯現(xiàn)在屏幕上，從而可對獨立燈具進行命名、設置調光色溫，也可對獨立燈具進行分組、場景設置，如圖2所示。

圖2 智能導軌控制系統(tǒng)配置Fig.2 Configuration of intelligent track control system

2.3 智能導軌照明系統(tǒng)與通用終端智能設備互聯(lián)后實現(xiàn)遠程控制

以Wi-Fi互聯(lián)網(wǎng)技術，手機蜂窩網(wǎng)無線通信技術以及物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，設計智能導軌照明系統(tǒng)與現(xiàn)有終端智能設備互聯(lián)，以實現(xiàn)云控制與遠程控制，也可使用其他終端設備APP直接與其他智能設備互聯(lián)控制(如小度、天貓精靈、Alexa智能語音音箱等)。例如，通過常用智能手機APP就可查看所有導軌照明燈具的實時工作狀態(tài)，避免因出門忘記關閉智能導軌照明系統(tǒng)而造成的能源浪費，同時不受時間地點的限制，可隨時控制智能導軌照明系統(tǒng)。

2.4 智能導軌照明內(nèi)部通信方式采用RS485總線協(xié)議

導軌總控制器、導軌控制器與導軌燈具之間通過RS485總線協(xié)議進行有線連接，即使智能導軌照明系統(tǒng)上的照明設備眾多，也能保持系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定的運行。而一次性傳遞大量主數(shù)據(jù)的智能導軌照明控制系統(tǒng)如主控制面板、場景開關采用藍牙MESH信號無線連接，有效傳遞控制數(shù)據(jù)的同時，避免了布線的繁瑣，從而使得用戶可按現(xiàn)場的需求靈活放置控制器面板的位置。

2.5 照明環(huán)境感知及日常管理采用總控制器進行處理

智能導軌照明系統(tǒng)中引入微波感應器和照度傳感器等環(huán)境感應系統(tǒng)，通過導軌總控制器聯(lián)動智能導軌照明系統(tǒng)中的燈具，以實現(xiàn)場景觸發(fā)，通過完美結合人體探測技術以及l(fā)oT物聯(lián)技術，實現(xiàn)對家居、樓宇等照明場合進行精準照明控制。

設計專門的日程管理模塊，對智能導軌照明系統(tǒng)的燈光進行定時控制；系統(tǒng)自帶有日歷，可以進行日期、星期、月份及特殊時日的設定，同時簡單有效地控制日常燈光照明。特別對于商場或者工廠等大型照明場景，通過日程管理模塊實現(xiàn)了對燈光的集中控制或者定時控制，避免因照明設備過多造成控制不便的技術難題。

設計專門的場景管理控制模塊，以實現(xiàn)各種場景。對于固定場景模式，只需一次場景編程，設定場景選擇，通過燈光控制系統(tǒng)點擊按鈕，即可直接實現(xiàn)既定的照明場景。

3 智能導軌照明系統(tǒng)技術難題分析及對策

(1)為了克服民用電網(wǎng)對系統(tǒng)的影響，采用低壓直流供電。由于智能導軌照明系統(tǒng)中采用RS485通訊，直接采用民用電網(wǎng)系統(tǒng)后，將會導致不同民用電網(wǎng)使用導軌照明時，相應的智能導軌供電系統(tǒng)都需要根據(jù)民用電網(wǎng)的改變而改變每個獨立燈具的供電系統(tǒng)，同時，民用電網(wǎng)上的電磁干擾將會導致智能導軌系統(tǒng)中的控制信號可靠通訊性能下降，為此，智能導軌照明系統(tǒng)統(tǒng)一采用48 V低壓直流供電，只要改變智能導軌系統(tǒng)的電源供電即可，同時，智能導軌照明燈具內(nèi)部供電回路上采用整流橋堆，可實現(xiàn)導軌照明燈具任意方向安裝使用及導軌照明燈具的自由裝配。

(2)為了檢查導軌連接可靠性難題，設計專用導軌連接檢測器。智能導軌照明系統(tǒng)由于采用48 V供電，導致導軌系統(tǒng)工作電流可達12 A，導軌串接時，需保證各段導軌連接良好。為了方便檢測導軌連接的可靠性，設計專用檢測器，如圖3所示，只要將檢測制具的發(fā)射端安裝在導軌的一端，將接收器安裝在導軌的另一端，通過接收器就可檢測連接的可靠性。

圖3 智能導軌專用檢測裝置Fig.3 Special detection devices for intelligenttrack

(3)為了解決導軌調光無法兼容各種調光接口難題，設計專用調光控制器。目前，照明市場上流行的調光方式繁多，設計單一的調光方式及接口將會限制智能導軌照明系統(tǒng)在市場上的推廣，為了使智能導軌照明系統(tǒng)最大限度地兼容市場上流行的各種不同的調光方式，專門設計了可集成TRIAC、ELV、0～10 V、DMX幾種不同的調光端口的導軌調光控制器[6]，實現(xiàn)用戶可根據(jù)自己的愛好及現(xiàn)場需求選擇相應的調光方式，如圖4所示，現(xiàn)場使用調光方式時，只需在TRIAC/ELV、0～10 V或DMX三組接線端口中選擇自己所需的端口接線即可，每種調光方式，都支持手機等智能平臺APP直接進行控制，并杜絕在智能導軌照明系統(tǒng)調光時，因調光方式改變出現(xiàn)導軌照明燈具出光亮度的突變，從而有效解決了市場調光方式多樣化引起的無法兼容的技術難題。

圖4 多接口調光方式控制器接線示意圖Fig.4 Cable connections to the controller in multi-interface dimming mode

(4)為了解決智能導軌照明燈具出光角及照射角度調節(jié)，設計了專用調節(jié)控制電路及結構。智能導軌燈具照射角度與出光角智能調節(jié)作為最基本的要求，已經(jīng)成為市場流行的智能燈具標準配置，但目前實際應用中，往往會結合手動調節(jié)快速實現(xiàn)燈具智能調光調角。為了解決上述技術難題，專門設計了具有自主知識產(chǎn)權的照射角度調節(jié)技術，并應用了新型的電子透鏡。電子透鏡可通過調節(jié)電流改變內(nèi)部的晶體組織，通過APP軟件或其他控制設備發(fā)出指令對電子透鏡進行電流調節(jié)，從而改變燈具的光束角，為高空間的燈光出光角調節(jié)帶來了便利，照射角度調節(jié)技術可精確地控制燈具水平360°轉動，垂直方向90°轉動，并可配合手動調節(jié)，控制界面如圖5所示。

圖5 可調照射角度及出光角的智能導軌燈操作示意圖Fig.5 Operation diagram of the intelligenttrack lighting with adjustable angle

4 智能導軌照明系統(tǒng)與市場前景分析

由智能導軌照明技術研究形成的智能導軌照明系統(tǒng)成果如圖6所示。智能導軌照明系統(tǒng)通過網(wǎng)絡或手機無線通信系統(tǒng)，支持第三方的語音音響、手機或平板、場景面板和遙控器等多種控制方式實現(xiàn)遠程控制，可滿足不同層次、不同場合照明的需求。而現(xiàn)場場景面板和遙控器采用藍牙Mesh 5.0，可通過導軌控制器與智能導軌照明系統(tǒng)進行無線連接，實現(xiàn)了近程控制，在無網(wǎng)絡的情況下，系統(tǒng)可正常進行工作，更加符合市場的需求。

圖6 智能導軌照明系統(tǒng)成果示意圖Fig.6 Schematic diagram of intelligent track lighting system

現(xiàn)場場景面板和遙控器上的場景，可通過手機等智能平臺上的APP預先設置，用場景面板或遙控器進行一鍵進行切換，能讓更多的人享受智能燈具帶來的便利與照明舒適性?？纱钆浜线m的環(huán)境感應傳感器，對智能導軌照明系統(tǒng)中的燈具進行自動控制，實現(xiàn)節(jié)能照明的同時，使得照明與自然環(huán)境協(xié)調[7]，從而有效滿足了市場健康舒適照明的需求。

設置的日程管理模塊可精確實現(xiàn)照明時間控制與亮度控制，特別在一些公共的照明場合，一次設定后，可在長時間內(nèi)不需對照明場景進行重新設置與管理，節(jié)能降耗的同時，有效縮減了照明管理成本[8]，真正實現(xiàn)了現(xiàn)場智能照明。

采用專門的調光轉換模塊進行精準調光，滿足多種調光模式的同時，調光范圍從0.1%～100%，且無頻閃，同時可通過軟件系統(tǒng)對單個燈具或多個燈具進行精確的控制，并根據(jù)場景的需求設置相應的色溫，以營造不同的照明氛圍，確保智能軌道照明滿足現(xiàn)代照明的需求，具有廣闊的市場前景。

5 結語

本文研究以導軌總控制器為基礎的智能導軌照明技術，可兼容多種智能照明技術，并將DMX、0～10 V、ELV、Triac等多種調光方式集中在智能導軌照明裝置中，能夠讓應用智能導軌照明的場所根據(jù)照明的需求，靈活地選擇相應的智能控制方式及調光方式，并保障每種智能控制方式及調光方式均可利用智能導軌照明專用APP進行設置，實現(xiàn)遠程與近程智能控制。同時，兼容多種智能控制方式及調光方式的導軌總控制器，可根據(jù)智能導軌照明技術的發(fā)展，實時進行軟硬件更替，并給智能導軌照明系統(tǒng)提供新的功效，使得智能導軌照明適應性更強，從而確保智能導軌照明技術形成的系列產(chǎn)品有較長的生命周期。