傳統(tǒng)照明布線與無線照明控制相關技術問題 - 全文

　　電子設備是如今市場上推出的幾乎每個光源或燈具的組成部分。 電源管理、開關和調光控制、混色、系統(tǒng)監(jiān)控以及用戶界面中都使用電子電路。 電子鎮(zhèn)流器中也使用數(shù)字和模擬集成電路，這些鎮(zhèn)流器用于高強度放電燈、節(jié)能燈、LED 照明、白熾燈調光器和控制設備。

　　為了巧妙地使用燈內電子產(chǎn)品，使其能夠執(zhí)行除簡單開關切換之外的其它任務，需要用一個接口在各設備（如燈具和傳感器）之間進行通信，并配置一個控制器。 當前正提倡使用不需專用布線的新接口，因此價格更低，更易于安裝。 但是目前它們做好實施準備了嗎？

　　為什么傳統(tǒng)照明接口已過時？

　　照明燈具調光控制實施中最容易的一種方式是采用傳統(tǒng)的0V 至 10V 協(xié)議。 這項簡單技術易于實施，但有其缺點。

　　首先，必須分別控制每個光源。 在包含許多燈泡的系統(tǒng)中，這需要使用大量線纜。

　　其次，該協(xié)議只支持單向通信，且只支持調光 - 系統(tǒng)不能獲得燈泡相關信息。 為解決這些不足，開發(fā)出了照明用數(shù)字網(wǎng)絡技術：首先是 DMX512A-RDM，其使用菊花鏈在一根總線上連接多達 512 個設備，且為雙向通信。 同樣，數(shù)字式可尋址照明接口 （DALI） 支持最多 64 個設備組成的網(wǎng)絡，每個設備都有個別地址和組地址。 廣播信息能控制場景或光源組。

　　DALI 提供的數(shù)據(jù)速率為 1200baud，而 DMX512A 提供的為 250kbaud。 然而 DALI 適用于建筑物（需要光源數(shù)字管理）中使用的照明系統(tǒng)，如現(xiàn)代化的辦公樓和酒店，或需要監(jiān)控功能的地方。 DMX512A 是專業(yè)照明環(huán)境的理想選擇。

　　但是 DALI 和 DMX512A 網(wǎng)絡都仍然需要將它們自己的布線基礎設施與電源隔開。 這使照明設施成本顯著增加。 在已經(jīng)布有電力線（電力線靠近照明設備布線）的現(xiàn)有結構上增加控制布線可能并不可行。

　　這樣就出現(xiàn)了推出不需任何其它布線的照明控制協(xié)議的熱切期待。

　　如何消除獨立控制布線？

　　傳統(tǒng)照明配線接口技術成熟，是針對其預期應用的久經(jīng)考驗的解決方案：調光、舞臺照明以及大型建筑中的照明管理。

　　但是它們的局限性使它們在有些環(huán)境中并不適用：

　　? 如前文中提及的已經(jīng)有電線但沒有控制布線的地方。

　　? 要求只通過一個控制點操作大量燈的地方。

　　? 需要以高數(shù)據(jù)速率進行雙向通信的地方，例如從溫度傳感器或光線傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　? 需要混色的地方

　　當前看似可獲得商業(yè)支持的兩項技術可能會提供答案：無線通信，采用無許可證的 ISM 頻率波段；電線通信，在現(xiàn)有主電源布線上實施。

　　但是照明業(yè)界真準備采用該技術了嗎？

　　無線照明控制

　　無線照明網(wǎng)絡的特定操作要求如何？ 其必須：

　　? 支持長距離范圍內的許多節(jié)點

　　? 運行功率低，包括備用模式時的功率。 使用的無線開關或傳感器未與主電源連接的系統(tǒng)尤其如此。

　　? 啟動時快速連接設備

　　? 照明設備總成本基本不增加

　　兩種最有名的無線協(xié)議（Bluetooth 和 WiFi）都不符合這些要求。 它們提供的節(jié)點范圍及數(shù)量有限，并且電流消耗過多。 啟動時需花很長時間連接設備。

　　幸運的是，有多種可供選擇的其他 RF 協(xié)議，每個都有自己的長處和不足。 照明控制設備制造商肯定將能夠找到符合上述要求，并且將在預期應用條件下運行的一種協(xié)議。

　　基本上共有兩類應用，每類都需要不同的工作條件：室外照明和室內照明。 對于像路燈之類的室外應用，該協(xié)議必須在節(jié)點之間提供很長的距離，同時支持細長網(wǎng)絡。

　　室內應用中，節(jié)點彼此距離很近，它們之間的工作范圍不重要。 但是無線電協(xié)議應能夠形成一種樹狀或網(wǎng)狀拓撲（見圖1）。 從而允許對網(wǎng)絡的整個范圍進行擴充，而各個節(jié)點都有效地發(fā)揮中繼器的作用。

　　網(wǎng)狀拓撲更復雜，它為信號提供多條通道，并與網(wǎng)狀協(xié)議中經(jīng)常出現(xiàn)的自修復功能協(xié)同工作，因而即使有些網(wǎng)點出現(xiàn)故障也能使網(wǎng)絡保持運行狀態(tài)。 而網(wǎng)狀網(wǎng)絡管理相對復雜些，因而消耗的處理器資源更多；因此發(fā)現(xiàn)更簡單的樹狀拓撲通常更適合于照明控制網(wǎng)絡。

　　節(jié)點之間的范圍主要取決于發(fā)送功率、接收靈敏度、頻率和傳遞條件。 所有其它條件都相同的情況下，頻率較低（《1GHz） 的系統(tǒng)的范圍更大，穿透磚石和其他障礙的能力更強，但會消耗更多的電力。 2.4GHz 系統(tǒng)提供的優(yōu)點相反：尺寸更小、功耗更低、數(shù)據(jù)速率更高并且網(wǎng)絡管理速度更快。

　　然而，照明控制設備制造商評估 RF 技術時需要考慮各種因素：

　　? 協(xié)議特點、拓撲 v 復雜性的選擇，以及處理器資源上的漏電。

　　? 頻率 v 范圍，以及功率消耗

　　決定了這些高級要求后，設備設計人員必須具體考慮采用哪種協(xié)議。ZigBee 標準是最流行的且符合照明網(wǎng)絡要求的無線網(wǎng)絡類型。 主要規(guī)格包括：以 sub-GHz 和 2.4GHz 頻率運行；數(shù)據(jù)速率高達 250kbits/s；范圍 100m（露天，功率 0dBm ，頻率 2.4GHz）；并且支持樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡。

　　IC 和模塊中都提供有 ZigBee 解決方案（見表1）。 商業(yè)使用本規(guī)范不收取費用 - 制造商必須屬于 ZigBee 聯(lián)盟，最終產(chǎn)品必須

　　經(jīng)過認證，并保證來自不同供應商的設備可互操作。可從照明控制參考設計開始，加快開發(fā)過程。 FreescaleSemiconductor 和 Future Electronics 可提供特別有用的開發(fā)板：

　　
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　　? Freescale 的照明參考設計支持 DALI 和 DMX512-A/RDM協(xié)議，并通過一塊單獨的通信板為 ZigBee 提供支持。這個接口連接到 Tower 系統(tǒng)開發(fā)平臺內的 Kinetis MCU主板。

　　? Future Electronics 的無線照明和控制參考設計可在802.15.4 網(wǎng)絡上實施對紅色、綠色、藍色和白色 LED 的無線控制。 該套件包含一個控制器板、幾個遠程燈板和一些收發(fā)器板。

　　使用芯片制造商開發(fā)的專有協(xié)議可免去 ZigBee 許可證費（見表 2）。 NXP 提供 JenNet 協(xié)議，該協(xié)議在 2.4GHz 波段內運行，能組建樹狀、星狀和線性自修復網(wǎng)絡，最高包含500 個節(jié)點。 Microchip 的免費 MiWi 堆棧同時以 sub-GHz和 2.4GHz 兩種頻率，在 PIC 微控制器和 Microchip 收發(fā)器上運行。

　　共享電源布線

　　實施復雜照明控制網(wǎng)絡（無專用控制網(wǎng)絡布線）的另一種方法是采用電力線通信 （PLC），其可托管在電源布線上。公用事業(yè)公司已經(jīng)開創(chuàng)了 PLC 的使用，它提供一種在電網(wǎng)上訪問電表和其它器具的方法。 但是 PLC 也可用于在建筑內提供低數(shù)據(jù)速率通信，由此控制主電源上連接的燈具。

　　該技術的范圍取決于所用調制方案、線路阻抗和噪聲，但是極有可能當節(jié)點之間距離太大、或者條件對于無線信號而言過于惡劣時才值得對 PLC 進行評估（例如有金屬墻的建筑）。

　　照明業(yè)界采用 PLC 的最大障礙是沒有普遍接受的、用于照明控制或家庭自動化的 PLC 規(guī)格。 最流行的標準是 KNX，它能將電力線以及其它介質用于家庭和建筑自動化功能；但局限于 1.2kbits/s 以下的數(shù)據(jù)速率。

　　或者，照明控制設備制造商可采用由 PLC 調制解調器和芯片系統(tǒng) （SoC） 制造商開發(fā)的技術。 例如，Yitran 公司的 IT700調制解調器采用高級 DCSK 調制，可提供速度高達 7.5kbits/s的穩(wěn)定通信，另還為命令和控制應用采用其 Y-Net 協(xié)議堆棧。

　　Microchip 基于其 dsPIC33F 系列微控制器推出一種 PLC 軟調制解調器參考設計，可提供高達 7.2kbits/s 的數(shù)據(jù)速率。Cypress Semiconductor 也推出一系列 PLC 設備，它們都將Cypress 的電力線網(wǎng)絡協(xié)議堆棧集成在作為 PHY 的同一設備上。

　　結論

　　由于為了支持 DALI 及其它已確立的照明控制標準而安裝并行布線基礎設施需要很高成本，因此目前不需任何附加布線的備選方案進入主流市場的時機已經(jīng)來臨。

　　對于創(chuàng)新型照明設備制造商而言，PLC 仍然正處于開發(fā)階段時，是一次占據(jù)市場份額的機遇。 相反，RF 技術已經(jīng)在建筑自動化領域內廣泛應用，其提供的數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡特點明顯足以滿足照明控制應用的要求。

　　照明規(guī)格制定機構寄望于實施更多控制應用，以改進用戶體驗并降低能量消耗，這使制造商也從中受益，制造商們能讓終端用戶相信 RF 鏈接在完全安裝時將會非常穩(wěn)定。