图书馆智能照明系统毕业设计论文.doc

IV

图书馆智能照明系统设计
摘要
随着照明技术的发展，传统的照明已无法解决如今人们对照明效果的要求，简单的控制方式，更加不方便于系统的管理与维护，智能照明与智能控制已经进入历史舞台，结合现代通信技术与电脑技术的控制技术等现代化技术，进而满足了智能照明的要求，既节能、又环保、并且便于管理与维护。图书馆是一个能够收藏图书、杂志、资料、报纸、光盘等文献的地方。它是学子们探寻知识的殿堂，是丰富的文化遗产，现在也越来越多的受到关注。本文基于的图书馆是大学图书馆，主要分布有自习室、办公室、阅览室、图书室等。在这个照明系统中，通过对场景的预设、照度的计算、灯具的选择等，对图书馆智能照明控制系统进行设计，进而说明了智能照明的优势。

关键词：照明；智能；控制系统

Design of intelligent lighting system for Library
Abstract
With the development of lighting technology, the traditional lighting has been unable to solve the requirement of the lighting effect of the people, simple control, convenient for the management and maintenance of the system, the intelligent lighting and intelligent control has entered the stage of history, combined with the control technology and other modern technology and modern communication technology and computer technology, and then meet the intelligent lighting the requirements of energy saving, environmental protection, but also, and is convenient for management and maintenance. The library is a collection of books, magazines, newspapers, CDs and other literature data. It is the temple of the students to explore the knowledge, is a rich cultural heritage, now more and more attention. This paper is based on the university library, mainly a study room, office, reading room, library, etc.. In the lighting system, based on the preset scene, illumination calculation, the choice of lamps and so on, carries on the design to the library of intelligent lighting control system, and then illustrates the advantages of intelligent lighting.

Keywords: Lighting; Intelligent; Control system

目录
1 绪论 1
1.1 智能的意义 1
1.1.1 绿色照明 1
1.1.2 节能光源 1
1.1.3 照明理念 2
1.2 国内外发展现状 2
1.2.1 国外现状 3
1.2.2 国内现状 3
2 照明设计 4
2.1 设计基础 4
2.2 照度标准 7
2.2.1 一般要求 7
2.2.2 书库要求 8
2.2.3 阅览室要求 8
2.3 基本方法 9
2.3.1 灯具选择 9
2.3.2 安装位置 9
2.3.3 高度确定 10
2.3.4 负荷计算 11
2.4 具体方案 12
2.4.1 设计任务 12
2.4.2 照度计算 13
2.4.3 灯具摆放 13
2.4.4 负荷计算 13
3 智能照明 15
3.1 引言 15
3.2 影响因素 15
3.2.1 因素-安装高度 15
3.2.2 因素-型号功率 16
3.3 数学模型 17
3.4 基于Lonworks总线的智能照明 18
3.4.1 技术简介 18
3.4.2 硬件配置 20
3.4.3 工作原理 22
3.5 智能照明系统设计 24
3.5.1 设计任务 24
3.5.2 照度计算 25
3.5.3 灯具及传感器分布 25
3.5.4 智能照明负荷计算 25
3.5.5 结果分析 27
总 结 28
后 记 29
参考文献 30

辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第 30 页

1 绪论
1.1 智能的意义
随着快速增长的经济，人们对能源的需求日益增长，因为人们长期过度使用石油，天然气，煤炭和其他资源，能源的储备变得十分的有限，能源短缺的问题也越来越严重，同时也造成了生态平衡处于恶劣地步，并且严重地威胁着人类的生活，因此如何高效节能与环境保护变成了人们普遍关注的问题。
1.1.1 绿色照明
与所有照明技术相关的光学、建筑学、能源科学、材料科学等自然科学与工程技术的进步，以及现代化时代对照明行当的冲击，传统的照明方法带来的挑战，人们越来越重视外部环境和内部环境，以及建筑的造型艺术，从而希望达到美化城市形象、提高照明品质的目的[1]。
1992年美国政府提出了“绿色照明工程”，即“采用节能高效的光源提高照明质量与能源的有效利用，降低照明成本，减少毒物的排放，进而保护环境”，1995年，中国已经制定了绿色照明方针，并在北京等地区进行试验。
1.1.2 节能光源
光源的节能主要因素是发光效率，优质高效的光源，也就是，光源的光通量值高，节能效果将更加显著，但实际上，还应该根据实际的照明需求，光的选择应该综合考虑寿命和价格等因素[2]。一些常见的光源，如白炽光源，买入价低，简单实用而且方便，通常用于日常生活、企业照明以及应急照明之中。还有市场上比较普遍的荧光灯、例如直流型、紧凑型等各式各样的荧光灯，不但节能效果比白炽灯要好，并且显色指数也显著提高，配合镇流器与荧光粉，不但提高了视觉效果，并且无频闪、无辐射，更有利于人的健康。近几年出现的各式各样的发光二极管，电能转化成光能的转化率高达25%~35%并且具备寿命长，耐高温，具备较强的抗振性，能发出十分明亮的光等特点，有很好的发展前景，下面我们将几种典型光源的特性列入表1-1。
表1-1 几种典型光源特性
光源
种类
发光效率
（Im/W）
显色指数
（Ra）
色温
（K）
平均寿命
（小时）
白炽灯泡
20
95
2700
1100
石英卤素灯
20
95
2900
2200-3100
SL灯
60
80
2600/5000
8200
高压泵灯
60
40
3200/4200
6100
普通日光灯
80
75
全系列
8100
金属卤化物灯
80-100
70-95
2700/4300/5200
6200-20000
三基色日光灯
100
80-100
全系列
10000
高压钠灯
130
30/60/90
2000/2100/2500
25000
低压钠灯
210
45
1800
26000
QI灯
80
90
2700/3800
80000
使用混光照明的方式，可选用两种以上的不同光源，并且选用高效节能灯具，不但能够提高节能的效果，而且不同功能、造型的灯具达到了美观、艺术的效果。
1.1.3 照明理念
基于以前的照明设计，我们的侧重点在照明的明亮程度、显色性指数以及眩光的产生等因素，主要是对继电器的控制，从而实现开、关灯的转换，一但照明亮度被设置，就无法再自行调节，由于各个照明控制的单位分散在不同区域，导致管理与维护的投入量变大。伴随着人们生活水平的不断提高，以前的照明设计理念已然无法适应现如今人们的需要，因此智能照明技术凭借着它优越的性能受到了广泛的关注。
1.2 国内外发展现状
在各个场所中，有一个舒适的光源是必不可少的，无论是在白天还是晚上，并且作为一个重要的地方，人们能够从中获取各种资源，图书馆的电源质量也应该受到特别的重视。创造良好的光源，对提高工作效率，保护视力健康有着积极的影响。
1.2.1 国外现状
80年代初期，照明行当由美国兴起并得以快速发展。90年代后期，由于现代控制技术的广泛应用，照明行当已然采取了巨大的革新。在21世纪到来之时，随着各种新技术的出现，智能照明向着系统一体化的方向逐步发展。由微电子技术的推动下，许多公司推出了对各种产品实现集成电路控制的方案，令电子镇流器向着更高性能的方向发展。另一方面，不同控制系统的相互结合，实现了远程监视、资源共享以及对系统异常的处理。
继美国之后，其它各国的智能照明产业也逐渐开始发展，并且不断接近成熟。先后涌现出了许多国际上的知名企业。
1.2.2 国内现状
90年代初期，中国市场引进了智能照明产业，然而由于市场、价格等因素，传统的理念与国外存在很大差别，厂家的制造技术和经营模式以及技术水平受限，一些设备与技术都是从国外引进的，很难形成较大的市场，导致中国的照明行业没有稳定的渠道。21世纪后，国内经济迅速发展，技术逐渐成熟，国外一大批企业加入，照明的发展得到了迅速提高。
一些在国内照明行业拥有各自优势的经销商，在市场上逐步地站稳了脚跟，并最终在用户和渠道商中获得了认可。国内照明生产企业和高新技术企业的参加，是照明行业拥有了职业的设计，优秀的设备，完美的服务，一股新的动力在照明行业冉冉升起，因此照明技术得到了快速发展。

2 照明设计
2.1 设计基础
物体的光源被称为照度，不一样的光源，自然拥有不一样的节能效果，并且可以获得不同的颜色；灯具的规格不但会影响照明气氛，配合光源也可以高效、节能。所以，了解照明的指标，适当的参数选择，既保证了照明效率，又保护了视力健康，同时也提供了一个理论基础，建立一个安全、舒适的照明环境。本章节主要介绍一些基本原理与指标，以及照度计算、灯具安装等内容。
可见光可划分为红色，橙色，黄色，绿色，青色、蓝色以及紫色。当人类的眼睛受到了电磁波辐射，视神经的视觉就会转换成光，也就是所谓的可见光，是仅有一小部分的电磁频谱的。单位时间内，可以被人们的眼睛接收的光能量的和叫做光通量，单位是：流明。正常情况下，不同光源、相同功率，产生的光通量却是不同的。正常光源会以不同的强度向不同方向放射光通量（如图2-1所示），光的强度指的是在指定方向发射可见光的强度，单位：坎德拉，符号I表示。

图2-1 演示图
每个方向都均匀辐射的光通量的光源，光强度的关系如公式2-1所示。
光强度I = 光通量 / 立体角 (2-1)
式中，立体角；A为立体角对应的球面积；r表示球半径。
照度即为照射面上在单位上所接收的光的能量大小。单位是：勒克斯，符号E表示。我们将光通量与照度的关系用公式2-2表示。
照度E = 光通量 / 被照面积A (2-2)
夏季中午地表照度约4500勒克斯，冬季晴天地表照度约2200勒克斯，月夜地表照度约0.3勒克斯。
光源在视线方向的投影面积的强度即为亮度，就是人们经常说的视觉水平的程度，单位是：坎德拉/平方米，符号L表示[3]。当物体表面受到光的照射时，有一部分光被反弹了回去，这一部分的光通量即为反射光通量。物体对光源照射的反射能力用反射率来表示，不同材料反射系数也不一样（表2-1）。所以，能够得出公式2-3
亮度L = 照度E 反射率 (2-3)
表2-1 不同材料反射率
材料名称
反射率
材料名称
反射率
白色石膏板
70
白色釉面砖
80
白色大理石
60
混泥土
25
红砖
30
浅蓝色砖
40
绿色砖
30
暗灰色砖
20
光源、桌面、肉眼之间光传递的关系我们用图2-2来表示。

图2-2关系图
其间所产生的电能一部分变成了光能，我们将这个转换的效率称为发光效率[4]。单位是：流明/瓦，符号表示。能够得出公式2-4
发光效率 = 光通量 / 消耗电功率 (2-4)
色温即为黑体的温度。如果光的颜色与色温相近则称作相关色温。单位为绝对温度。我们经常采用相关色温来表述连续光谱的特性。如图2-3展现了光谱在不同波长下分布的情况。

图2-3 分布图
物体在非连续光谱照射下，颜色必然失去真实性，也就是失真[5]。为了描述光源对真实颜色的实现程度，我们用到了一个概念，即显色性。以标准的光源为基本准则，Ra指数越大，光的颜色就越真实。下面我们将各个Ra指数的性能参考列入表2-2中。
表2-2 显色性能
显色指数
性能比较
一般应用参考
91~100
优
需要色彩精确对比的场所
81~90
良
需要色彩正确判断的场所
61~80
普
需要中等显色性的场所
41~60
及
对显色性的要求较低，色差较小的场所
21~40
差
对显色性无具体要求的场所
计算照度有如下几种方法。
(1)利用系数法
投射光通量与发出光通量的比即为利用系数，如公式2-5所示。
(2-5)
公式中，为投射光通量；n为光源量；为发出光通量之和。利用系数与如下因数相关，灯具的型式、悬挂高度、房间面积、清洁情况相关。并且能够从对应的灯具利用系数表中查到利用系数的值。
在计算实际的平均照度的时候，应当加入一个小于1的系数，称为“减光系数”。所以实际的平均照度如下面公式2-6所示。
(2-6)
公式中，F为单位灯的发出光通量；n为灯的数量；为利用系数；为灯具效率；以及房间大小A和补偿的系数k0，已知平均照度标准，并已经确定了灯具的类型和功率时，就可以确定光源数量。
(2)单位容量法
在方案设计初期，需要估算所需用电量的时候使用的方法叫单位容量法。单位容量的计算是以l平方米需要的光通量表示，如公式2-7所示。
(2-7)
公式中，P为最低功率；P0为每勒克斯的照度容量，单位为瓦/平方米，能够通过查表获得具体值；A为水平面积；E为照度值；C1为修正系数；C2为调整系数；C3为校正系数，各个系数能够通过查表获得。
(3)逐点计算法
根据坐标位置来确定x、y、z的值，并且计算出各个点照度的方法叫逐点计算法。由于所需处理数据量大，通常使用电脑计算，自动算出各个点的照度值。
2.2 照度标准
2.2.1 一般要求
图书馆的一般场所照度标准，如表2-3所示。

表2-3 其它标准
类
别
参考平面
及其高度
照度标准值（lx）
低
中
高
研究室、装裱修整间、美工室
0.7m水平面
120
210
290
陈列室、视听室、细微阅读室
0.8m水平面
80
110
160
目录厅、出纳厅
0.7m水平面
80
110
160
读者休息室、吸烟室
0.8m水平面
40
60
80
开敞式运输传送设备
0.8m水平面
60
70
90
走廊、厕所
地面
20
25
30
楼梯间
地面
30
40
50
盥洗室
0.8m水平面
30
40
50
电梯前室
地面
40
50
70
2.2.2 书库要求
图书馆的书库照度水平应该设置为120勒克斯~180勒克斯~240勒克斯，距地面0.3米处垂直照度应设置为35勒克斯~40勒克斯~60勒克斯，如表2-4所示。
表2-4 书库标准
房间名称
参考平面及其高度
照度标准值（lx）
书库
地面
120~180~240
书库
0.3m水平面
35~40~60
2.2.3 阅览室要求
一般阅览室的照度水平设置在120勒克斯~180勒克斯~240勒克斯；强光阅览室的照度标准一般设置在170勒克斯~200勒克斯~ 320勒克斯，如表2-5所示。
表2-5 阅览室标准
房间名称
参考平面及其高度
照度标准值（lx）
一般阅览室
0.7m水平面
120~180~240
强光阅览室
0.7m水平面
170~200~310
2.3 基本方法
照明设计包含灯具选择、安装位置、照明方式等，不一样的参数直接决定了照明效果的质量。
2.3.1 灯具选择
根据灯具投射光通量的百分比，我们将灯具分为直接照明型、半直接照明型、均匀漫射型、半间接照明型、间接照明型五种类型；根据灯具的结构，我们将灯具分为开启型、闭合型、密闭型、增安型、隔爆型五种类型[6]。
2.3.2 安装位置
通常情况下，阅览室使用以下三种方案。
(1)分区布置
与具体位置相关。根据照明要求的不同，给予阅览区最好的光照条件，如图2-4所示。

图2-4 分区布置
(2)均匀布置
与具体位置无关。灯具均匀分布，如图2-5所示。

图2-5 均匀布置
(3)混光布置
利用不一样的光源进行照明，不但能够满足照明需要，而且能够清除阴影。为了获得均匀的照度，距高比不可以超过灯具规定的最大值，如图2-6所示。

图2-6 混光布置
2.3.3 高度确定
室内灯具既不能挂得太高，也不能挂得太低。挂得太高了，光照会减少，浪费钱，也不便于维护；挂得太低的话，容易碰到，不安全，而且会产生眩光，对视力不好。最高高度和室空比、配光种类相关，标准应当小于或等于下列数据，如表2-6所示。
表2-6 高度要求
室空间比
配光种类
选用灯具的最大允许距高比%
1-4
宽配光
1.6~2.8
4-7
中配光
0.6~1.8
7-10
窄配光
0.7~1.2

室空间比
RCR = 5h(L + W) / (LW)
公式中，L为长度，W表示宽度。
2.3.4 负荷计算
负荷计算的方法有三种，需要系数法是负荷计算的主要方法，具体方法如下
(1)需要系数法
通过查照明手册，可以获得不同场所的需要系数，用于计算负荷，负荷计算公式如2-8所示。
(2-8)
公式中，Pjs为有功负荷；Qjs为无功负荷；Sjs为视在负荷；Ijs为电流；Ps为总容量；Kz为需要系数，这里我们所需要用的大约在0.5 ~ 0.6；为正切值，主要是用于功率因数；UN为额定电压。
负荷计算如公式2-9所示。
(2-9)
公式中，为有功功率系数；为无功功率系数，分别取0.85~0.9，0.92~0.98。
(2)负荷密度法
负荷密度法又叫做单位面积功率法，计算公式如公式2-10所示。
(2-10)
公式中，Pjs为有功负荷；Ks为负荷密度，单位：瓦/平方米或者伏安/平方米；A为室内大小。每个照明场所的负荷密度Ks可以通过查表获得，阅览室的照明负荷密度值为22~27伏安/平方米，电源负荷密度为12~17伏安/平方米。
2.4 具体方案
根据以上涉及到的方面，本章以图书馆照明要求为标准，针对灯具选择、安装位置、高度确定、负荷计算等方面进行设计和计算。
2.4.1 设计任务
说到对照度要求高的场所，图书馆阅览室众人皆知。根据照度标准，距离水平面0.7米处的照度要达到120~180~280勒克斯的标准。本文设计的图书馆阅览室的面积如下
A = 12 10 = 120平方米
房间有3.7米高的空间，假设为5层，每层8间阅览室，开放时间，星期一到星期天，上午7:50~11:50，下午13:30~17:30，晚上18:30~21:30。照明设计有几个要求，如下
(1)照度大于或等于200 勒克斯；
(2)寻找合适的光源并计算光源数量；
(3)设计合理的灯具摆放方案；
(4)计算照明的负荷值。
2.4.2 照度计算
这里选用松下T8型45W直管荧光灯（FAC41610PH），管长1250 毫米，光通量的值为2500 流明，光效的值为60 流明/瓦，单管荧光灯作为灯具的最佳选择[7]。
室空比
RCR = 5h(L + W) / (LW) = 3.392
通过查表得知照度为1勒克斯时的单位容量P0 = 0.05瓦/平方米。假设房间内各个光反射比一样，灯具效率为72%，修正系数C1、C2、C3都为1。
通过单位容量法，即得出
P = P0AEC1C2C3 =0.05 W/m2 12 10 (m2) 180 lx = 1080W
整个房间需要的最低功率为1080W。所以，共需光源1080W / 45W = 24(盏)，平均照度估计可达到

所以，满足照度要求。
2.4.3 灯具摆放
假设使用均匀布置法，每盏灯之间的横间距为1400 毫米，纵间距1428 毫米，如图2-8所示。

图2-8 阅览室照明灯具布置图
2.4.4 负荷计算
通过需要系数法，并且查表可得知Kz = 0.7，则有功负荷为
Pjs = KzPs = 0.72445W = 756W
假设每天开门时间有11个小时，一般情况下估计有5个小时需点亮所有灯，而每天所消耗的电量为
75610-3kW5h40(间) = 151.2kWh
一年（360天）预计消耗电量
151.2kWh360 = 54432kWh

3 智能照明
3.1 引言
信息、新材料与控制技术的发展越来越快，因此智能照明设计的主要方向逐渐转向了能源的节约。传统的设计简单，但并不节能。本章节通过运用现代化的信息和控制技术，实现智能化照明，改善传统设计模式。以节约能源为主要目标，找寻良好的灯具型号、安装位置、负荷功率以及照度之间的紧密关系，建立数学模型，为现代化智能照明提供参考。
本章节首先讲解了影响照度的主要因素，而后假想出数学模型，最后总结了基于lonworks总线技术的智能照明设计方法。
3.2 影响因素
照度也就是在照射面每个单位上吸收的光[8]，我们用E表示。
（3-1）
公式中，S表示照射面积，表示总光通量。线性叠加是照度最显著的特性，假设房间内有N个光源，它们在地面B点照度分别为E1，E2，... ，EN，那么就可以说，B点总照度 。
3.2.1 因素-安装高度
图3-1中，D为灯具，h为光源与被照物的高度，r为光源与B点的距离，为r和h间的夹角。

图3-1 照度与安装高度关系图
假设光源在DB的发光强度为，则其在B点的水平照度ES为
（3-2）
或者
（3-3）
由此可见，被照物某一点照度与光源高度、在该点方向的光强度和垂直方向夹角均有关。在设计的过程中，光源高度的设置不仅不能产生眩光，也不能降低照度，亦或者浪费电能。所以，合理的安装高度是设计中要考虑的重要因素之一。
3.2.2 因素-型号功率
在智能照明设计时，一般运用利用系数法计算照度，计算方法如下公式。
（3-4）
在设计的过程中，各个型号的灯具置于不一样的环境下，照度的补偿系数也是不一样的，在计算照度时会产生直接影响。通常情况下，同型号的灯具，环境整洁时要比环境脏乱时小。不同型号的灯具，因为效率不一样，所以对照度影响也不一样，就算是同型号的灯具，因为功率不一，对照度的影响也不一样。很明显，功率越大，光通量就越大，照度就越强，然而，就会产生更多的消耗。在现实设计中，灯具的选用很重要，效率高是考核的标准之一，要保证满足达到充足光通量的要求，减小消耗功率，节约能源。
为了便于设计，单位容积法是个不错的选择。这种计算方法大致如下，通过不一样的照明模式、空间高低、房间大小和照明需求，并且利用系数法从而得出我们所需要的安装功率，并且绘制表格，以供查询。
3.3 数学模型
从上面可以得知，传统的设计有很大工作量的查表与计算，并且没有想到节能这个重要环节。现如今，社会发展离不开节能，所以基于节能的智能照明是一定要做的。而且将现代化信息、控制技术应用在智能照明设计当中，有很好的前景。那么，既然照度和灯具型号、安装位置、环境、功率以及效率有关，我们就可以假想照度与它们之间存在某种关系的关系，即公式3-5所示。
（3-5）
公式中，Eav表示平均照度；h表示安装高度；表示效率；表示利用系数，即投射光通量/发出光通量；假设点B与光源连线为BA和垂直方向连线为BC，则表示∠ABC；P表示功率；A表示面积；k0表示补偿系数。
可以看出，其中一些参数是有关联的。如安装高度、功率和利用系数。安装高度越低、功率越大，利用系数就越大。因此，进行分类，h、确定了安装位置；P、是灯具本身性能，只要型号确定了，功率与效率就跟着确定了；、k0、A则都和环境相关。
所以，照度的均匀性是设计中主要考虑的因素之一，图3-2所示，假设为一个照射面，在横轴和纵轴方向上，划分成面积相同的矩形面，对于A点来说，将它的照度假设为E(x，y)，那么，我们就可以改变x、y的值，进而得到不同的E(x，y)，用来表示各个矩形面的照度。

图3-2 假想照射面
因为x和y可以表示灯具所处的位置，功率和效率用p表示，和环境相关的参数用e表示。通过公式3-5中各个参数的分类，我们可以将数学模型用公式3-6表示。
（3-6）
当灯具的类型被确定后，p固定，e均不一样，则照度E(x，y)会产生变化，变化关系与k有关，k为系数。只要得到这个系数的规律，就可以得到不一样的照度值。亦或者，E(x，y)保持不变，当e(x，y)变化时，可以求出安装间隔，进而保证了在工作范围内的照度值保持不变。
3.4 基于Lonworks总线的智能照明
3.4.1 技术简介
50年以前，第一期过控体系基于的是6~12英镑/平方英寸的信号标准。60到70年代之间，5~20毫安的电流信号标准问世，设立控制室后，直到今天控制功能的分离模式也一直存在，控制理论也有了很快的进展。改革开放初期，数字计算机渐渐兴起，广泛的技术优势迎面袭来，进而第三期过控体系，也就是CCS，诞生了。半导体技术的快速兴起、微型处理器的普及与计算机技术的提高，导致了整个控制体系不再是一台计算机而已，而是很多计算机与智能组件组成的集合系统，数字信号将逐渐代替模拟信号，分布式数字控制系统，也就是DCS诞生了，现场总线控制系统，也就是FCS是从DCS发展得来的，拥有质一般的突破，随着微型处理器以及有关技术的发展，人们逐渐接受了控制系统，分布式控制逐步往现场控制的方向发展，数据的传输方式逐步从点变到了线，由于计算机控制的逐步完善，网络技术也有了飞速的进展，资源共享的实现，使FCS比DCS更加具有广阔的发展空间。
如今现场总线主要分为以下几种，现场总线基金会、过程现场总线、Lonworks局部操作网络以及CAN控制器局域网络[9]。基金会现场总线，也就是FF，是唯一的非商业性的国际组织，而不是某个企业的一部分，其主要目标是统一现场总线的标准，以供所有人使用。现场总线的标准值是对照OSI/ISO模型的物理、数据链路以及应用层，并且额外添加用户层这一层。FF控制无论是在性能、安全、标准亦或者是操作、成本各个方面都有很大的优势。
至今为止，FF总线主要涉及到化工、石油、整治污水等有关过程控制的方面。PROFIBUS是另一个符合标准的现场总线。采用的是OSI模型的物理、数据链路以及应用层。并且它能够支持很多种通讯方式，加入了功能模块，通过不一样的需要进而应用不一样的模块。它主要应用于制造与过程自动化，并且在欧洲大量应用。
由美国发起的Lonworks， 使用LonTalk协议，以及OSI/ ISO的模型架构，提供了全部的服务，其控制网络有很多性质，不但能够兼容很多种介质，并且支持多种结构，形式十分灵活。LonTalk协议是Lonworks系统的核心枢纽，它置于神经元的芯片里，是能够直接面向对象的一款协议[10]。作为一款可靠、性能高、抗干扰的机制，为能够实现控制提供了保障。该系统的灵魂是由3个8位CPU组成的Neuron芯片，主要负责访问、控制、执行代码以及实现LonTalk协议等功能，该芯片使用Neuron C语言。该系统额外提供了LonBuilder与NodeBuilder这两种开发工具，这段期其使用用户、生产商也越来越多。该系统最主要负责的领域为自动化，包括监控系统的任意领域，在半导体、照明等领域占有十分重要的位置。
控制器局域网络，也就是CAN，是一款高可靠、分布式、实时的串行网络，由德国推出，最开始用在汽车的数据通信。现如今已经逐渐交给别的部门控制，比如机械、数控、检测、监控等。该协议同上，也是对照OSI/ ISO的物理模型，不过多了优化，应用物理、数据链路、应用层，并且实时性有了很大提高。以双绞线为传输介质，速率与长度相关，抗干扰能力、可靠性都很好，对开关控制比较适用。
3.4.2 硬件配置
Lonworks包括五部分，分别是协议、介质、设备、机构和管理。Neuron芯片作为灵魂，是一款十分彪悍的单片机。芯片上集成了网络、程序处理器，可编程的I/O串口、2KRAM、15KROM、储存容量能够扩展到64K，Neuron芯片内嵌的处理器与协议将编程简化，所以，基于芯片的系统研发起来十分简单。
Neuron芯片的第1、2个CPU的通信是在网络缓冲区进行，第1个CPU主管编、解码等功能。第2个CPU主管网络，主要进行寻址、事务处理、管理网络等，同时也管理通信接口的收发数据。第3个CPU主管过程应用，主要执行代码调用的服务，Neuron芯片的基本结构如图3-3[11]所示。

图3-3 Neuron芯片结构
Neuron芯片提供了单端、差分和特殊三种模式。I/O串口可分为直接、并行、串行以及计数四类。不但能够接收、发送信息，并且在不一样的条件下，可以提供接口和计时钟给外部芯片，时钟频率大致在625 KHZ~10MHZ。ROM中包含一个系统、协议以及函数库；RAM则是用来存储数据以及程序。每块Neuron芯片都有一个唯一的标识码。
20世纪初，20MB芯片问世而出，网络反应时间有了很大改观，甚至降到了3~4ms，I/O实现了双倍性能。低能耗芯片应用2V低电压，电力消耗大量减少，在传感器、执行器、检测器以及调温器得到广泛应用，特别是在分散网络上的应用。
Lonworks节点包含一块Neuron芯片，以及外围电路如收发器、处理器、电源等。分为在芯片基础上与在主机基础上两类[12]。在芯片基础上，一块Neuron芯片内嵌了CPU，处理器和I/O端。所以，一块Neuron芯片再加上一个收发器就能够构成图3-4(a)，基于芯片的用于处理简单数据任务的模型；基于主机，Neuron芯片拥有8位总线，主频最高为15M Hz。如图3-4(b)，假如将处理器定为Neuron芯片，我们就可以利用主机来实现很多繁琐的功能。

图3-4 Lonworks节点
路由器作为重要的组成部分，不但能够连接网络，还能够控制信息地传输，同时还可以增加信息通量与网速。路由器由2个Neuron芯片构成主要组成部分，其I/O串口线是并行方式，2个芯片之间可以直接进行通信，如图3-5为Lonworks网络的路由器结构图。

图3-5 Lonworks网络路由器
3.4.3 工作原理
Nenron芯片可以将采集到的照度值传输给控制系统，进而达到智能控制的目的，主要运用的是A/D，D/A的转换，其控制节点结构如图3-6所示。

图3-6 控制节点结构
控制单元主要的功能是产生控制命令，通过键盘输入的内容，如果没有就进行数据的采集，采集完毕后，进行接收和处理然后发到执行单元，操作流程如图3-7所示。

图3-7 控制单元
执行单元主要是通过接收控制命令，进行光照数据的采集，并且通过A/D，D/A转换，控制传感器的动作，如图3-8所示。

图3-8 执行单元
3.5 智能照明系统设计
我们可以将如上智能照明设计思想应用到图书馆照明系统，本节从照明设计、传感器安装、照明控制等进行阐述，在设计过程中还需要考虑如何利用自然光线，调节至照度均匀的效果，进而达到节约电能的效果，减少了电力的浪费与管理、维护工作。
3.5.1 设计任务
假设某阅览室面积如下所示。
A = 1210 = 120平方米
房间有3.7米高的空间，开放时间，星期一到星期天，上午7:50~11:50，下午13: 30~17:30，晚上18: 30~21: 30，照明设计有如下要求。
(1)照度大于或等于200 勒克斯；
(2)寻找合适的光源并计算光源数量；
(3)合理利用自然光线，保持室内的光源照度一定；
(4)通过人员的走动，决定光源点亮的数量；
(5)计算出照明的负荷。
3.5.2 照度计算
我们选择T8型45W直管荧光灯，管长1250 毫米，光通量的值为2500 流明，光效的值为60 流明/瓦，单管荧光灯作为灯具的最佳选择，室空比
RCR = 5h(L + W) / (LW) = 3.392
照度为1勒克斯时的P0 = 0.05瓦/平方米，可以通过查询列表得到，根据公式2-7

通过计算可以得到需要的最低功率为1080 W，共需光源数量1080 / 45W = 24，共24盏。这里利用系数为0.7，灯具效率为72%，平均照度估计可以达到

3.5.3 灯具及传感器分布
如图3-9所示，运用均匀分布法，并且在“”所在的地方安装传感器，用于检测室内外各个位置的光线，调节光源照度。如a传感器检测的范围为l~4a号的光源，并且根据光线强弱进行照度调节；同样b传感器检测1~4b号的光源，以此类推。近窗区与远窗区调节程度也不一样。这种控制体系可以利用自然光，进而节约电能，同时光源的使用寿命也得到了延长。此外，我们还能在不同地方安装一些数量的检测器，假设某区域一段时间内无人走动，相应区域的光源则会关闭，由此可见，将这种控制方法用在电子阅览室再适合不过了。
3.5.4 智能照明负荷计算
利用需要系数法计算智能照明负荷，得到的有功负荷如下所示。
Pjs = KzPs = 0.72445W = 756W
运用智能照明，则整年的消耗预估如下所示。
1.只考虑自然光照
我们将200勒克斯的照度设为基准值，光照度低于20