家庭自動化系統(tǒng)之照明和電器控制資料下載

作者：貿澤電子Josh Israelsohn 商業(yè)家庭自動化設備的使用至少可以追溯到1975年，那一年在蘇格蘭，Pico Electronics推出了X10系列產品。盡管當時的技術水平尚不如當今這般成熟，但當時系統(tǒng)設計中所采用的架構和使用模型卻沿襲至今。 較為通用的架構（如圖1所示）包含了一個由人機界面(HMI)、控制邏輯、定時和測序硬件及通信接口組成的控制系統(tǒng)，用作點對多點網絡的起始端。個人客戶端設備則實現(xiàn)了通信接口、控制邏輯及一個或多個設備接口，其在輸出通道的情況下還包括必要的電氣驅動程序。 圖1：家庭自動化的通用架構支持許多功能，包括但不限于安全、暖通空調（HVAC）控制及照明。 早期家庭自動化系統(tǒng)出現(xiàn)的第一批應用程序是照明和電器控制。這兩大家庭自動化供應商都實現(xiàn)了簡單的電力網轉換開關。由于安裝方便，網絡物理介質采用的是電源線，在交流電零交叉時可以高速脈沖操作且每次交互為1bit。由于協(xié)議中納入了通信開銷和消息復制，早期的系統(tǒng)實現(xiàn)了20bit波特率通信。 使用12-bit控制消息(8-bit地址和4-bit命令)，在600毫秒到750毫秒范圍內發(fā)生簡單的命令延遲可以說是市場容忍的極限。除此之外，電力通信面臨的一大挑戰(zhàn)是：多年來，家庭自動化系統(tǒng)的可靠性要低于市場的預期。盡管有一小部分忠實用戶仍然堅守陣線，但家庭自動化仍逃脫不了被大眾市場淘汰的命運，除非技術上的飛躍可以扭轉局勢。 技術的突破扭轉了乾坤 如今，家庭自動化系統(tǒng)正歷經一場新的變革，這是其在40年發(fā)展歷程中第一次如此來勢洶涌，橫掃市場。從細分市場可以看出，其設備融合了多種先進的技術，但這并非是家庭自動化應用本身所驅動的，而是因為多種技術的融合將產生更好的效果。就家庭自動化系統(tǒng)中的住宅照明而言，通信、控制及照明設備三個特定領域的技術創(chuàng)新使其整個市場系統(tǒng)對住宅市場更具吸引力。 家庭自動化實現(xiàn)的核心是無線網絡，其解決了諸多使用電源線通信方案所帶來的問題，包括跨240V/120V系統(tǒng)交流的困難、相鄰住宅的干擾及冰凍天氣的影響。目前，符合IEEE802.15.4標準的無線設備已非常普遍，特別是那些物聯(lián)網應用程序中較為普遍的符合ZigBee的無線設備。 ZigBee在2.4 GHz的ISM帶寬中可以提供250 kpbs的數據率，而在特定地理位置sub-GHz頻譜中的數據率可以更低至20 kbps。ZigBee與WiFi不同，后者通過增加專用的硬件中繼器形成可延展的星狀網絡，而ZigBee節(jié)點形成的是網狀網絡，每增加節(jié)點都可以自動延展。網狀網絡還可以改變信息發(fā)送路徑來減輕假射頻干擾，使方案相比那些基于星狀網絡的方案更加穩(wěn)健。 專門的家庭自動化控制硬件已經被通用無線HMI設備上運行的軟件程序（即手機）所替代。網關硬件解決了因手機缺乏可兼容的無線電而帶來的連接問題，并作為802.15.4 Zigbee無線家庭自動化網絡和幾乎無處不在的802.11x WiFi數據通信LAN之間的雙向接口，如圖2所示。 圖2：在現(xiàn)代家庭自動化系統(tǒng)中，中央控制硬件已被智能手機上運行的軟件所取代。網關為WiFi連接手機與自動化系統(tǒng)的802.15.4網狀網絡之間搭建了一座橋梁。 由于并非總是存在人機界面和系統(tǒng)控制功能，因此計時、排序和分組功能必須保留在單獨的客戶端設備中。將這些功能轉移至客戶端設備可以使多個人機界面通過網關同時存在于相同的網絡中，使家庭中的任何成員都可以通過訪問網絡來控制設備?；镜脑O置如：在照明控制范圍內進行照明分組和場景駐留，如圖3所示。 圖3：當前家庭自動化方案是在缺失中央控制設備的情況下操作的。客戶端設備如智能調光器管理著計時、排序、分組和場景(A)等功能。由于電燈并非天生的調光器，智能燈泡則需要涵括所有必要的功能以便作為獨立的節(jié)點進行操作。 市場引領前行 自從高品質彩色LED燈條取代熒光燈以來，照明控制的自動化便一直備受市場青睞。由于市場的推動，大量用于住宅應用的設計方案也脫穎而出。 熒光裝置長期以來一直主導著商用照明市場，其漫射光輸出、高色溫及節(jié)能性尤其適合辦公空間的照明，因為辦公區(qū)域的照明設施通常要覆蓋的范圍非常之廣大。商業(yè)應用案例中，低光、壁燈、跟蹤照明、燈光特效等場景中還使用了傳統(tǒng)的白熾燈或鹵素設備燈，尤其是在零售區(qū)域、建設辦公大廳和會議室內。 通常而言，簡單的開關便可以控制熒光照明的暗燈槽。對于大型立方體農場的照明可能要以集群控制暗燈槽，或者多管設備的每個燈管都要連接一個單獨的電路，從而可以逐步關閉一個或多個燈管。不過總體而言，傳統(tǒng)熒光燈照明設備并沒有使用調光器進行控制，且系統(tǒng)很少檢測占用率。不過據預計40%的商業(yè)用電可歸因于照明，商用市場長期以來一直渴望低成本替代產品的問世。而LED燈和新型照明控制的出現(xiàn)恰逢其時，其有效地降低了公司的成本，效果遠超過那些單純地減少光束能耗的方案。 在住宅照明中，白熾燈可兼容標準的螺紋燈頭，如A、BR和PAR系列燈泡。這類燈泡常見于頂置式大堂射燈、跟蹤裝置、桌面燈和地板燈、壁燈裝置以及用于戶外的柱燈裝置。熒光燈只占有住宅照明的小部分，其主要用于地下室車庫或商場、洗衣房及廚房的櫥柜照明。盡管使用甚少，但也開始逐漸被新的產品替代。 調光器 不管是否自動化，傳統(tǒng)的調光器在每半周時都是空白輸出，而一旦被激活，便會一直保持狀態(tài)直至線路零交叉。白熾燈——像加熱器一樣功效率達98%， 實際上在長時間常態(tài)供電時相當于熱低通濾波器。 相比之下，LED本質上是一種電子輸入-光子輸出的直流電流驅動裝置。LED不兼容交流電壓源和傳統(tǒng)的調光器， 而切斷交流電壓波形將更加不兼容。 LED鎮(zhèn)流器可以對交流電壓源進行必要的整流和V-I轉換，且在可控設備中將工作周期映射至輸出電流范圍中。 幾年前，對于可控型LED燈，調光器可以調節(jié)的亮度范圍非常有限——通常為7 dB。這些LED燈以最低或接近最低設置開啟時通常會閃爍不已。這些問題也給住宅照明市場帶來了很多不確定性因素，因為不同的燈泡和控制組合可能產生不同的效果。 當前的設計似乎已經解決了這些問題。在最近的固態(tài)照明抽查中，JAS Technical Media公司測量了多種在調光器上運行的LED燈泡的照明情況，并使用白熾燈泡作為參考。抽查的數據結果如圖4和圖5所示。該圖將每個燈泡輸出的調光曲線標準化，旁路是調光器。圖的橫軸是100 – W的白熾燈功率損耗，使用旁路的調光器并循著調光器的軌跡進行測量。 圖4：不同于幾年前，當前的LED燈泡和調光器設計可以流暢地變暗，不會閃爍或產生噪音。(圖由JAS Technical Media授權許可)。 圖5:相比白熾燈泡(左列)，一些公司的LED燈呈現(xiàn)的是無法辨別的調光器波形(中心列)，而另一些調光器的波形則發(fā)生了變化(右列)。本文不就這些差異進行闡述。波形圖可以充分表示調光器的波形 (上面一行)，其分別為75% 的功率（白熾燈的功率）、50%、25%和調光器最低設置的功率（底部的一行）。（圖由JAS Technical Media授權許可)。 燈泡的優(yōu)化 早期用于住宅照明市場的LED燈銷量貧瘠。因為LED燈僅在“日光”(5000°K)色溫下可用，這對于室內住宅照明而言要求過于嚴苛，且其僅有一個或兩個流明輸出選項可用。 早期的燈泡標價（通常為$25到$50）讓許多人瞠目結舌，望而卻步。而一些懷著獵奇心理的人便敢于大膽嘗新，不再計較標簽上的價格數字及考慮每年節(jié)省多少電力等諸事。 幾年前，市場開始打破僵局。那時，科銳（Cree）公司在市面上開始以低于$10的零售價推廣色溫2700 K的900流明燈，在某些家居商店的零售價甚至為$8.5。自此以后，LED燈開始普及，且以合理成本打造的多種流明等級及設計外形的產品越來越多，使得其對于家居照明市場更具有吸引力。此外，許多燈泡制造商已呈現(xiàn)夕陽態(tài)勢。大部分白熾燈產品及脆弱且含汞的節(jié)能燈對于用戶而言不大實用，也使得LED燈越來越受到家居市場的青睞。 最近，歐司朗發(fā)布了一系列的智能電燈，其集成了802.15.4無線、處理器、可控電流驅動及標準A19外層的LED。這些電燈兼容了歐司朗的網關，允許分組、現(xiàn)場編程且不需要墻面調光器即可調光。智能電燈價格不低，但若考慮到其智能調光器的成本及長達11年多的使用壽命，這款產品或許更具吸引力，尤其是對那些有房產且不愿意總是更換智能調光器的客戶則更具魅力。 家庭自動化要大放異彩可能亦無其他方式，非住宅照明不可。例如，結合自動控制，可調色LED燈可以產生一系列的效果。譬如，人們可以將客廳的局部照明設置為深藍色，營造一種劇院電影之夜的氛圍；或將餐廳的燈調為紅色，仿佛在享受一場浪漫的晚餐。更加實在的是，家庭自動化系統(tǒng)可以自動調控臥室的燈光，使之隨著日出逐漸變亮，若有需要，高色溫還可以呈現(xiàn)晴空萬里的效果。盡管這些系統(tǒng)尚未經過試測，但模擬日光對于那些高緯度地區(qū)經歷季節(jié)性情緒波動的人來說卻是極具吸引力——這是白熾燈無法比擬的。 …準備就緒，瞄準啟航…… 在過去的一年里，大量家庭自動化系統(tǒng)涌入市場。住宅安全與暖通空調管理是市場上主要的應用程序，門窗傳感器、門鈴按鈕和低幀頻監(jiān)控攝像頭以及恒溫器則是領先的網絡設備。照明市場雖然受到全方位支持，但多數情況下，照明控制節(jié)點的安裝相比其他類型的網絡設備要復雜的多，因此市場相對滯后。 盡管家庭自動化技術已日臻完善，但其他因素可能在短期內對家居市場造成一定的阻礙。其中最為關鍵的因素便是互操作性，或者說是缺乏來自不同供應商的節(jié)點和應用軟件。 在家庭自動化市場中，Betamax對抗VHS的大戰(zhàn)早已展開廝殺。在頻繁的市場較量中，無論誰是贏家都不大可能展露技術優(yōu)勢。事實上，就技術方面而言，Betamax是較為高級的版本，其成本效益、方便性、可用性及四聲道音頻使之曾經一度占據家庭娛樂產品市場。 自那以來，消費市場對于可以支持給定應用程序技術產品的互操作有了一定的期待。這里可以與WiFi設備進行一個比照。你可以從Netgear公司購買無線路由器，從Linksys購買增程器，從HP購買打印機及從Canon購買相機，沒有誰會在意這些設備的WiFi出自哪里，更別提筆記本、平板電腦或手機的WIFI。互操作性是給定的。 在家庭自動化市場中，互操作性即使存在也并不那么明顯。供應商的市場營銷方案對于這個話題緘口不提。這樣看來,如果你買一個品牌系統(tǒng)的網關，那你所有的網絡節(jié)點和應用程序軟件都要鎖定這一品牌。盡管技術方面已準備就緒，但市場仍舊不大穩(wěn)定。 另一方面，如果家庭自動化供應商轉向可互操作系統(tǒng)，用戶可以選擇根據自身的喜好選擇最適合的HMI軟件、最符合其預算的網關和網絡需求及最能滿足其應用程序需求的個人節(jié)點。 此外，雖然一些公司已經將家庭自動化作為備選方案，但市場還遠未成熟，仍需大量的技術支持和積累來贏取一場漂亮的戰(zhàn)役。有些案例如硅供應商Analog Devices，該公司提供用于溫度或濕度測量的傳感器和低功耗傳感器前端，以及煙霧或近端探測節(jié)點。其還提供兼容IEEE-802.15.4的收發(fā)器，用于全局2.4-GHz帶寬和特定地理位置的sub-GHz帶寬以及集合了模擬和混合信號的信號處理電路。 日本村田公司提供了一個基于鐵氧體基片的微型直流-直流轉換器，其嵌入了功率電感器和輸入輸出電容，用于簡單的6 mm2至28mm2插入式電力子系統(tǒng)（具體取決于功能和最大負載電流）。公司還提供可兼容IEEE-802.11-b/g/n的網絡控制器模塊，該模塊支持WPA和WPA2相移鍵控WiFi保護訪問和WPSWiFi保護設置，并適合30.5 x 19.4mm空間。