用于照明控制的通信協(xié)議

電子控制照明是我們可以減少全球能源消耗的最有效途徑之一。在美國(guó)，商業(yè)和住宅照明對(duì)能源的消耗占能源總產(chǎn)量的22%。在這方面可以實(shí)現(xiàn)大量的節(jié)約，特別是在大型商業(yè)應(yīng)用中使用了燈光亮度可調(diào)的技術(shù)時(shí)，更是如此。

調(diào)光系統(tǒng)的應(yīng)用需要通過(guò)通信接口將信息傳送給燈具。常用的一種方法是使用0～10V的模擬控制。但是，如果有很多燈具需要設(shè)置和管理，這種方法就不方便了。

數(shù)字照明控制

使用數(shù)字控制系統(tǒng)，通過(guò)將照明燈具包含在一個(gè)公共的、可尋址的網(wǎng)絡(luò)中，可以減輕某些模擬控制的復(fù)雜度。MCU技術(shù)低廉的價(jià)格使得在應(yīng)用中嵌入一種數(shù)字協(xié)議變得非常簡(jiǎn)單。有許多種有線和無(wú)線的選擇可以使用在照明控制應(yīng)用中。那么，選擇哪一種呢？

首先，設(shè)計(jì)人員要選擇協(xié)議的媒介——有線還是無(wú)線？如果選擇有線，那么我們應(yīng)該使用雙絞線還是電力線？如果選擇無(wú)線，那么我們應(yīng)該選擇哪個(gè)頻段？對(duì)于有線和無(wú)線的設(shè)備，最大的通信距離是多少？

此外還必須考慮協(xié)議的應(yīng)用層。我們可以與多少部燈具進(jìn)行通信？有設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)用于照明的指令集嗎？如何在網(wǎng)絡(luò)中添加或者刪除燈具，如何確定每部燈具的地址？在喪失通信或者供電中斷之后，每部燈具會(huì)做出怎樣的反應(yīng)？照明安裝人員安裝和配置控制系統(tǒng)的難易程度如何？
可以使用已得到廣泛應(yīng)用的協(xié)議，比如TCP/IP或者IEEE 802.11，但是需要傳送給每部燈具的數(shù)據(jù)量非常少而且不是頻繁出現(xiàn)。因而我們就需要不時(shí)地發(fā)送打開(kāi)、關(guān)閉或亮度信息。因此，明智的做法是選擇一種簡(jiǎn)單的協(xié)議來(lái)緩解對(duì)每臺(tái)燈具中MCU的要求。

因此，我們討論可能適用于照明控制的兩種協(xié)議，第一個(gè)是“數(shù)字可尋址照明接口（DALI）”，它定義在IEC60929規(guī)范中，后者定義了電子熒光鎮(zhèn)流器的性能規(guī)范。

DALI組網(wǎng)方法

DALI規(guī)范定義了一種恒定電流總線，它的最大電流是250mA，標(biāo)稱電壓是16V。每臺(tái)設(shè)備都通過(guò)使用光隔離器電路拉低總線電流（匯電流）的方法向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。線路可以位于導(dǎo)線管的內(nèi)部或者外部，而且連接是與極性無(wú)關(guān)的，這簡(jiǎn)化了安裝人員的操作。所有燈具的線路都使用星型或者菊花鏈型的連接接在一起，且使用不間斷交流電源為每部燈具供電。

DALI協(xié)議非常簡(jiǎn)單，但它有一套專(zhuān)門(mén)為照明裝置設(shè)計(jì)的強(qiáng)大指令集。數(shù)據(jù)通過(guò)Manchester格式以1200b/s的速率進(jìn)行傳遞——該速度足夠滿足照明裝置的應(yīng)用?；镜膮f(xié)議定義包括單個(gè)主設(shè)備（控制器）以及多達(dá)64臺(tái)受控設(shè)備（鎮(zhèn)流器）。主設(shè)備發(fā)出16位的命令或者請(qǐng)求。鎮(zhèn)流器設(shè)備可以選擇返回8位的響應(yīng)。只有在控制設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求的情況下，鎮(zhèn)流器設(shè)備才能夠向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。

控制設(shè)備可以包括控制面板、開(kāi)關(guān)、光傳感器、占位傳感器等。每個(gè)控制器可以直接向鎮(zhèn)流器設(shè)備或者另一個(gè)控制器發(fā)送消息。例如，某個(gè)占位傳感器（控制設(shè)備）可能需要向主控制面板發(fā)送消息，表明房間內(nèi)有活動(dòng)。

任何照明控制系統(tǒng)都需要一種通過(guò)中央計(jì)算機(jī)設(shè)置節(jié)點(diǎn)地址和位置的方式，但是DALI在安裝過(guò)程中不需要任何設(shè)置。節(jié)點(diǎn)可以依照任意次序進(jìn)行添加。指令集包含了一種自動(dòng)探測(cè)、辨別以及向網(wǎng)絡(luò)中每臺(tái)鎮(zhèn)流器設(shè)備指派地址的方法。

你可能認(rèn)為DALI控制64臺(tái)鎮(zhèn)流器設(shè)備的能力是有局限性的，但正是這一局限性可以大大降低購(gòu)買(mǎi)軟件的開(kāi)銷(xiāo)并且也將硬件的使用要求保持在很低水平。完整的協(xié)議可以在非常廉價(jià)的8位MCU上實(shí)現(xiàn)，該MCU帶有不超過(guò)8KB的程序存儲(chǔ)，且沒(méi)有特殊外圍通信部件。

鎮(zhèn)流器設(shè)備的常見(jiàn)實(shí)現(xiàn)方法如圖1所示。20引腳、8位的MCU帶有一個(gè)用于調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的比較器，以及控制鎮(zhèn)流器亮度級(jí)別的PWM。如果需要，這個(gè)信號(hào)可以經(jīng)過(guò)過(guò)濾向鎮(zhèn)流器電源電路提供控制電壓。

ZigBee無(wú)線解決方案

最近有很多關(guān)于ZigBee無(wú)線通信協(xié)議的討論。實(shí)際上，ZigBee是基于IEEE 802.15.4規(guī)范所定義的另一無(wú)線協(xié)議的一個(gè)軟件層。

IEEE 802.15.4定義了多頻段、低數(shù)據(jù)率無(wú)線通信的物理層和媒體訪問(wèn)層。最常用的頻段是2.4GHz，它的最大數(shù)據(jù)速率是250KB/s。

最大的通信距離取決于物理環(huán)境，但是通信距離長(zhǎng)達(dá)250英尺是可能的。IEEE 802.15.4也定義了一種全功能設(shè)備（FFD）和一種精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）。FFD用于連續(xù)電源供應(yīng)，而且始終可在網(wǎng)絡(luò)中使用。RFD允許在電池供電、功率消耗要求低的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行備用運(yùn)轉(zhuǎn)。更高層次的協(xié)議，比如ZigBee，基于IEEE 802.15.4規(guī)范可提供應(yīng)用層的功能。

ZigBee協(xié)議提供了創(chuàng)建多達(dá)65 536個(gè)節(jié)點(diǎn)的自組織、低數(shù)據(jù)率網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的功能。存在著不同的ZigBee節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有一個(gè)位標(biāo)器，它包含了網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的信息，形成網(wǎng)絡(luò)，并向終端設(shè)備分配地址。終端設(shè)備接收控制輸入并提供狀態(tài)信息。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以選擇承擔(dān)路由器的功能，它將擴(kuò)展最大通信距離。
ZigBee最主要的優(yōu)勢(shì)之一在于，它保證了與其他設(shè)備之間的互操作性。所有的ZigBee產(chǎn)品都必須經(jīng)過(guò)測(cè)試和鑒定，而且存在標(biāo)準(zhǔn)的控制配置文件，包括一份用于照明的配置文件。

這些配置文件定義了用于應(yīng)用的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但是不存在指令集，對(duì)于該應(yīng)用如何使用數(shù)據(jù)將由開(kāi)發(fā)人員來(lái)決定。例如，ZigBee照明配置文件包括了一張表格，表格中的標(biāo)準(zhǔn)變量存放著照明亮度傳感器、占位傳感器、燈具照明亮度等狀態(tài)。
典型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（參見(jiàn)圖2）由一個(gè)2.4GHz的802.15.4收發(fā)器和一個(gè)MCU組成。所實(shí)現(xiàn)的ZigBee節(jié)點(diǎn)類(lèi)型將決定協(xié)議棧所需要的代碼空間，從RFD終端設(shè)備需要的20KB到全功能位標(biāo)器所需要的40KB。

與DALI協(xié)議相比，ZigBee棧在每臺(tái)燈具處需要更多的電子開(kāi)銷(xiāo)；需要更大、帶有更多程序存儲(chǔ)的MCU以及一個(gè)802.15.4收發(fā)器；需要額外的軟件來(lái)處理照明命令以及狀態(tài)信息的請(qǐng)求。不過(guò)，這些開(kāi)銷(xiāo)必須與其易于安裝的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行權(quán)衡考慮。

如果你覺(jué)得完整的ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)為電子部件增添了太多的開(kāi)銷(xiāo)，那么可以使用基于IEEE 802.15.4規(guī)范的其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。MiWi協(xié)議就是一個(gè)例子，它提供了精簡(jiǎn)的網(wǎng)絡(luò)功能并保留了與ZigBee兼容網(wǎng)絡(luò)共存的能力。實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議也是可能的，它只需相對(duì)較少的軟件開(kāi)銷(xiāo)，因而將適用于照明控制。