如何利用電力線通信和高亮度LED控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)LED照明控制

引言

要問如今的照明市場誰是當(dāng)之無愧的老大？要數(shù)LED照明了，它不斷地在照明市場中開拓出越來越大的天地。與CFL（熒光燈）和白熾燈相比，LED可以提供最佳能效。然而，LED燈具制造成本很高，原因是高成本的LED和散熱設(shè)計(jì)。除了要在節(jié)能方面與CFL競爭外，LED照明制造商還要通過提供比CFL競爭產(chǎn)品更先進(jìn)的功能來實(shí)現(xiàn)LED產(chǎn)品的差異化。

例如，LED燈具能夠很容易提供顏色保持，即同一LED燈可以發(fā)出暖白光或冷白光，或色譜里的任何顏色。CFL目前還做不到這一點(diǎn)。借助通信功能還可以使LED燈具變得更加智能，并實(shí)現(xiàn)更好的控制、診斷和自動(dòng)化功能。鑒于所有照明燈具都要連接電力線將電能轉(zhuǎn)換成光能，許多制造商希望能把電力線通信（PLC）接口用作主要的通信和控制鏈路。

1 、電力線通信

電力線組成了世界上最大的銅線基礎(chǔ)設(shè)施。家庭或辦公大樓的每個(gè)角落都有電源插座，因此電力線是一種全包圍網(wǎng)絡(luò)。不需要新建任何電線就可以實(shí)現(xiàn)從基本顏色和亮度信息到諸如顏色布景（不同燈具的預(yù)定義顏色圖案）和淡入淡出（顏色之間的轉(zhuǎn)換）等更復(fù)雜信息的通信。另外，利用從用戶那兒抽象出來的高級(jí)燈具發(fā)現(xiàn)和綁定機(jī)制，無需記住一個(gè)號(hào)碼或冒意外關(guān)閉鄰居電燈的風(fēng)險(xiǎn)就可以建立一個(gè)具有PLC功能的燈光控制網(wǎng)絡(luò)。

電力線網(wǎng)絡(luò)采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可提供高度可配置能力，能夠從一個(gè)控制器完成對(duì)多個(gè)設(shè)備的控制。這種控制器可以管理房間內(nèi)的所有燈具，甚至家里的所有燈具。此外，總線拓?fù)溥€允許多個(gè)控制器控制一個(gè)燈具。這樣，一個(gè)房間內(nèi)的燈具可以受其它房間控制（例如從臥室關(guān)閉所有家里的燈）。這種拓?fù)溥€允許控制器一直跟蹤網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備，并用作骨干服務(wù)器實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性和“即插即用”安裝，任*的燈具可以立即成為網(wǎng)絡(luò)的一部分。

圖1

傳統(tǒng)照明架構(gòu)允許獨(dú)立地控制某個(gè)燈，而建立在總線拓?fù)渖系臉?biāo)準(zhǔn)支持獨(dú)立地控制多個(gè)燈。請(qǐng)注意，雖然DALI和DMX512可以從一個(gè)控制器獨(dú)立地控制多個(gè)燈，但DALI和DMX512都要求安裝額外的控制線。

2 、將控制器綁定到燈具上

如圖2所示，傳統(tǒng)照明架構(gòu)有專門的線用于獨(dú)立地控制每個(gè)燈泡。在總線拓?fù)淝闆r下，這些線被多個(gè)燈泡共享，這意味著控制器發(fā)出的信號(hào)將被所有燈具收到。為了區(qū)別不同的燈，控制器要和每個(gè)燈具單獨(dú)綁定，并給每個(gè)燈具分配一個(gè)唯一的地址。

圖2：照明控制架構(gòu)

例如，假設(shè)燈具A的地址為1，燈具B的地址為2。如果控制器發(fā)送一個(gè)目標(biāo)地址為1的消息，那么這個(gè)消息只有燈具A才會(huì)處理，燈具B是不會(huì)處理的。同樣，如果消息發(fā)送時(shí)使用的目標(biāo)地址是2，那么這個(gè)消息只有燈具B才會(huì)處理。來具會(huì)處理的。同樣，如果消息發(fā)送時(shí)使用的是地址，這些線被多個(gè)燈具

早前的系統(tǒng)要求用戶人工給每個(gè)燈分配地址（比如使用DIP開關(guān)或撥號(hào)盤），然后在控制器上選擇那個(gè)地址。然而，這種方法有不少缺點(diǎn)：1）設(shè)置需要*費(fèi)額外的時(shí)間；2）用戶必須十分小心地給每個(gè)設(shè)備分配一個(gè)唯一地址；3）如果從一個(gè)控制器控制多個(gè)燈，用戶必須記住每個(gè)燈的地址號(hào)?，F(xiàn)在的方法更加復(fù)雜和成熟：先是讓控制器（而不是用戶）負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上新安裝的燈具，然后找一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的空閑地址，將該地址分配給這個(gè)燈具，最后提供一個(gè)易用的界面用于綁定和控制單個(gè)（或多個(gè)）燈具。

為了發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上有新的燈具出現(xiàn)，燈具需要自己發(fā)送一個(gè)可用的信號(hào)。這最好用廣播消息的方式實(shí)現(xiàn)，以便網(wǎng)絡(luò)上的所有控制器都能知曉這個(gè)新燈具。當(dāng)控制器收到消息時(shí)，它能提醒用戶新燈具的加入。如果用戶決定控制這個(gè)燈具，控制器將向該燈具發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求綁定的消息。如果此時(shí)燈具仍然可以用于綁定，它將發(fā)送一個(gè)確認(rèn)消息。如果不能綁定，它將發(fā)送拒絕消息。一旦綁定后，這個(gè)燈具就只處理從綁定它的控制器地址收到的消息。

當(dāng)燈具還沒有被分配地址時(shí)，燈具如何接收綁定消息請(qǐng)求仍是個(gè)問題。這個(gè)問題可以給每個(gè)燈具重新分配一個(gè)唯一的64位地址（如同MAC或物理地址一樣）來解決。然后當(dāng)燈具第一次廣播自己可用時(shí)，它也可以在消息中包含其唯一的地址。接著控制器就可以直接向它發(fā)送消息進(jìn)行綁定。

由于64位地址對(duì)發(fā)送正常的顏色控制消息來說太長了，控制器可以在完成燈具綁定后給燈具分配一個(gè)更短的8位地址（稱為邏輯地址）。為了確保新的邏輯地址值還沒有被使用，控制器可以在電力線上發(fā)送一個(gè)ping消息。如果收到響應(yīng)，再嘗試新的地址，直到?jīng)]有響應(yīng)為止。

圖3顯示了兩個(gè)可用燈具的綁定順序，用戶決定只綁定第一個(gè)燈具。一旦綁定完成后，控制器就可以開始發(fā)送顏色信息去控制燈具了。

圖3：照明裝置的發(fā)現(xiàn)和綁定

3、實(shí)際應(yīng)用挑戰(zhàn)

電力線通信面臨的常見挑戰(zhàn)有：燈具不能接收控制器發(fā)出的消息；燈具被錯(cuò)誤的控制器控制。

如果燈具不能接收控制器發(fā)出的消息，那么通常是以下三種原因之一：1）電力線上有太大的噪聲，2）控制器和接收器在電力線上不同相，3）接收器和控制器之間的距離太遠(yuǎn)。如果電力線上噪聲太大（例如有吸塵器、大功率電器等），建議使系統(tǒng)遠(yuǎn)離噪聲源。如果控制器和接收器不同相，用戶應(yīng)嘗試移動(dòng)其中一個(gè)，使他們同相。

如果不能這樣做，可以使用相位耦合器在不同相位上橋接電力線通信信號(hào)。這種耦合可以通過一個(gè)大電容或無線連接實(shí)現(xiàn)。如果接收器和控制器之間的距離太遠(yuǎn)，可以使用中斷器重傳信號(hào)直到它們抵達(dá)要求的目標(biāo)。一些實(shí)現(xiàn)將中繼器和燈具一起做在同一設(shè)備上，因此不會(huì)產(chǎn)生額外的成本。

由于同一電力線總線上可能有多個(gè)控制器，因此有可能出現(xiàn)燈具被錯(cuò)誤的控制器控制的情況。這種情況發(fā)生的原因有許多，與地址分配和綁定機(jī)制有關(guān)。如果地址是人工分配的，那么有可能兩個(gè)燈具分配到了相同的地址。這是由于用戶忘了他們已經(jīng)用過這個(gè)地址，或者別的人（例如共享相同電力線的鄰居）分配了相同的地址。

如果采用上述智能地址分配和綁定方法，所有地址都是唯一的64位物理地址，那么這種錯(cuò)誤是不可能發(fā)生的。如果在智能地址分配中使用8位的邏輯地址，控制器將通過ping網(wǎng)絡(luò)確保不會(huì)分配已經(jīng)在用的地址。即使使用了智能地址分配和綁定方法，也有可能出現(xiàn)不同的控制器綁定到非目標(biāo)燈具（例如鄰居綁定到了一個(gè)用戶剛插入的燈具）。在這種情況下，燈具上應(yīng)該有一個(gè)按鈕能強(qiáng)制該燈具從控制器退出綁定狀態(tài)，使它能再次自由地綁定到正確的控制器。

4、顏色控制

顏色信息通常采用兩種形式中的一種：CIE顏色坐標(biāo)系或直接LED調(diào)光值。直接LED調(diào)光值包含對(duì)每個(gè)LED強(qiáng)度都有一個(gè)獨(dú)立值。例如，如果有紅、綠和藍(lán)3個(gè)LED，那么就有3種調(diào)光值。CIE坐標(biāo)系是兩維的，可以表示色譜中任何一種可用的顏色。與強(qiáng)度（光通量）一起，CIE坐標(biāo)可以混合成直接LED調(diào)光值，取決于器件以及所用LED的封裝信息。例如，兩個(gè)紅色LED可以發(fā)射出深淺稍有不同的紅光。顏色混合算法將考慮這種因素，以便產(chǎn)生的顏色能真正代表要求的顏色。

通過電力線傳送的顏色信息類型與用戶輸入、顏色控制精度等級(jí)以及實(shí)現(xiàn)成本有關(guān)。如果用戶的輸入是直接LED控制，那么直接LED調(diào)光值將被發(fā)送出去。如果用戶的輸入是一種特定的顏色和強(qiáng)度，那么信息類型取決于顏色混合執(zhí)行的位置。如果顏色混合在接收器完成，CIE坐標(biāo)和強(qiáng)度將被發(fā)送出去。

這是典型的選擇，因?yàn)長ED封裝信息一般存儲(chǔ)在燈具中，然而，在使用PLC后，每個(gè)燈具可以向控制器發(fā)送唯一的LED封裝信息，控制器隨即將這些信息存儲(chǔ)下來，并在執(zhí)行顏色混合時(shí)加載這些信息。最終控制器將發(fā)送直接LED調(diào)光值。

5、高級(jí)顏色控制

既然控制器更加先進(jìn)，顏色控制也可以做得更加先進(jìn)，而不只是一次向一個(gè)燈具發(fā)送直接顏色。布景、淡入淡出和排序是一些有趣的例子。在布置場景時(shí)，可以給多個(gè)燈具分配特定的顏色，這樣只需觸摸一下按鈕，多個(gè)燈具就可以發(fā)射出不同顏色和強(qiáng)度的光（例如顏色梯度）。在淡入淡出時(shí)，燈具可以被告知在規(guī)定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換到下一種顏色。在排序應(yīng)用中，多個(gè)燈具能以同步方式改變顏色（例如照明顯示器，情緒照明等）。

6、 控制器的實(shí)現(xiàn)

電力線通信收發(fā)器一般是一種低壓直流供電的IC。為了將這個(gè)器件連接到電力線，需要一個(gè)功放和耦合電路。耦合電路可以經(jīng)修改支持要求的電壓范圍（例如適合全球家庭應(yīng)用的110－240VAC，用于水池?zé)麸椀?4VDC等），因此同一種電力線收發(fā)器IC可以用于任何要求的電力線電壓范圍。

控制器實(shí)現(xiàn)可以采取不同的方式，取決于可用的物理面積和需要的控制等級(jí)。對(duì)于基本的墻體開關(guān)安裝方式，照明控制界面可以是一個(gè)簡單的通斷開關(guān)、一個(gè)調(diào)光器或多個(gè)調(diào)光器，可單獨(dú)控制燈具的顏色。另外，至少有一個(gè)按鈕用于可用燈具的索引，一個(gè)按鈕用于綁定到節(jié)點(diǎn)。LED指示燈也很有用，可顯示燈具的狀態(tài)（可用或已綁定）。

通常需要用一個(gè)微控制器來處理這些輸入信息，并連接電力線收發(fā)器。例如，利用Cypress公司的電力線通信技術(shù)，微控制器和電力線收發(fā)器可以集成在一起，由一個(gè)器件通過電力線通信完成輸入處理、智能綁定和高級(jí)顏色控制。

代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械式按鈕、開關(guān)和調(diào)光器的創(chuàng)新方法是使用電容觸摸傳感技術(shù)。采用這種技術(shù)后，控制器面板可以是一個(gè)平面，并用貼*紙顯示控制界面。當(dāng)用戶觸摸面板上的某個(gè)位置時(shí)，控制器將這種觸摸翻譯為按鈕壓下、開關(guān)觸發(fā)或調(diào)光變化，具體功能與手指位置有關(guān)。這種方法給用戶提供了圓滑、清潔和耐用的界面進(jìn)行燈具控制。

電容觸摸技術(shù)可以通過提供二維控制實(shí)現(xiàn)更好的體驗(yàn)。例如，控制器可以檢測手指觸摸點(diǎn)的x和y坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)換成CIE顏色坐標(biāo)系。電容觸摸技術(shù)還能方便地用于顏色控制，面板可以做成一個(gè)色板，用戶只需用手指按一下就可以改變到任何顏色。

對(duì)于更復(fù)雜的照明控制（比如中央家庭自動(dòng)化系統(tǒng)），控制器可以在PC上運(yùn)行。此時(shí)的界面將是圖形用戶界面（GUI）。GUI可以向用戶顯示家里的所有可用燈具，并允許用戶執(zhí)行更先進(jìn)的顏色控制方案。PC可以通過USB或無線連接到電力線收發(fā)器。圖4給出了一個(gè)可行的控制器實(shí)現(xiàn)例子。

圖4：照明控制器的實(shí)現(xiàn)

7 、結(jié)語

由于燈具上不要求使用用戶界面，所以一般使用嵌入式微控制器處理收到的消息和進(jìn)行LED顏色控制。借助Cypress的電力線通信和高亮度LED控制技術(shù)，電力線收發(fā)器和精密LED顏色控制器可被集成在一個(gè)器件中。只需外加LED驅(qū)動(dòng)器就可以設(shè)置LED顏色了。另外，利用Cypress PowerPSoC技術(shù)，精密LED顏色控制器和LED驅(qū)動(dòng)器也可以集成在一個(gè)器件中，這樣可以方便地通過I2C接口連接電力線收發(fā)器。

電力線通信技術(shù)非常適合用來執(zhí)行復(fù)雜的LED照明控制，而且安裝成本低，無需鋪設(shè)新的線纜。用戶可以使用傳統(tǒng)的墻體開關(guān)/調(diào)光器、電容觸摸傳感屏或PC控制LED燈具的顏色、亮度、光線變化或布景。利用從用戶那里抽象出來的高級(jí)燈具發(fā)現(xiàn)和綁定機(jī)制，無需記住一個(gè)號(hào)碼或冒意外關(guān)閉鄰居電燈的風(fēng)險(xiǎn)就可以建立具有PLC功能的照明控制網(wǎng)絡(luò)。