利用供電線通訊實(shí)施的LED照明控制

1　引言

　　LED照明設(shè)備能容易提供豐富鮮艷的色彩，即同樣的燈泡能給出暖白光、冷白光或光譜中的任意色彩，CFL燈目前卻不能做到。LED 設(shè)備還可通過(guò)通信功能智能地執(zhí)行診斷和自動(dòng)功能執(zhí)行更好的控制?？紤]到所有照明設(shè)備都要連接供電線將電轉(zhuǎn)換成光，所以許多制造商均轉(zhuǎn)向?qū)⒐╇娋€通信 （PLC： Powerline Communication） 接口作為主要的通信與控制鏈接。

　　2　電力線通訊

　　眾所周知，供電線是在全球建起的最大的銅質(zhì)基礎(chǔ)設(shè)施。房間或者辦公室的每一個(gè)角落都有電源插座，形成了一個(gè)全封閉的網(wǎng)絡(luò)；任何信息的鏈接通訊，從基本的顏色、亮度到更復(fù)雜的信息，如背景（不同設(shè)備預(yù)設(shè)的色彩圖案）和幻變（不同彩色間的轉(zhuǎn)化過(guò)渡），不再需要新的線路。另外，按照先進(jìn)燈具設(shè)備研發(fā)與源自用戶的抽象綁定機(jī)制，便可構(gòu)建某種PLC使能的照明控制網(wǎng)絡(luò)而毋需記存單個(gè)號(hào)碼或冒意外將鄰居照明光關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)。

　　供電線網(wǎng)絡(luò)采用的是具有高度重置性和可由單個(gè)控制器控制超過(guò)一個(gè)以上設(shè)備能力的總線拓?fù)??？刂破髂芄芾砟硞€(gè)房間，甚至整棟住宅中的所有燈光。此外，這種總線拓?fù)溥€能使多個(gè)控制器同時(shí)控制某一個(gè)照明設(shè)備。以這種方式，某個(gè)房間里的照明設(shè)備就能從另一個(gè)房間控制（例如：臥室能關(guān)閉住宅里的所有燈光）。這種拓?fù)湟材苁箍刂破鞅３謱?duì)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備狀態(tài)的跟蹤，并起到像脊柱一樣擴(kuò)展性與設(shè)備的即插即用，任何新的照明設(shè)備，無(wú)論其在何處都能立刻成為網(wǎng)絡(luò)的一部分。

　　圖1為幾種不同照明控制架構(gòu)的比較。傳統(tǒng)照明系統(tǒng)許可對(duì)一盞燈單獨(dú)控制，而建立在總線拓?fù)浼軜?gòu)上的標(biāo)準(zhǔn)則能夠?qū)崿F(xiàn)多盞燈的獨(dú)立控制。注意到盡管數(shù)字可尋址照明接口（DALI）和DMX512協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)由單個(gè)控制器對(duì)多盞燈的獨(dú)立控制，但需鋪設(shè)額外的控制線路。

圖1  照明控制架構(gòu)

        3　控制器和照明設(shè)備的綁定

　　如圖所示，傳統(tǒng)照明應(yīng)有為獨(dú)立控制每盞燈專用的電纜布線，但對(duì)總線拓?fù)涠?，此電纜卻由多盞燈所共享，意味著控制器發(fā)送的信號(hào)能被所有照明設(shè)備接收。為了區(qū)分不同的燈具設(shè)備，控制器需分別與每個(gè)照明設(shè)備“綁定”并給于分配一個(gè)唯一的地址。譬如，考慮燈具A分配的地址為1，燈具B分配的地址為2。如果控制器發(fā)送帶有目的地址1的訊息，則這個(gè)訊息只能被燈具A處理，不能被燈具B處理。同樣的，如果發(fā)送的是帶目的地址2的訊息，那么該訊息只能被燈具B處理。

　　老式的系統(tǒng)要求用戶給每盞燈手動(dòng)分配地址（例如使用雙列直插式開(kāi)關(guān)或旋轉(zhuǎn)撥盤(pán)），然后在控制器上選擇該地址。不過(guò)，此方法有如下缺點(diǎn)：⑴ 設(shè)置花費(fèi)額外時(shí)間；⑵ 用戶須仔細(xì)為每個(gè)設(shè)備分配唯一的地址和 ⑶ 若由單個(gè)控制器控制多盞燈的話，用戶必須記住每盞燈的地址數(shù)。更復(fù)雜的方法是令控制器 （而不是用戶） 承擔(dān)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的新燈具、 標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)上的可用地址、分配地址和為綁定和控制單個(gè)（或多個(gè)）燈具提供易用的接口。為發(fā)現(xiàn)某個(gè)新燈具正在網(wǎng)絡(luò)中，該燈具需發(fā)送一個(gè)允許訪問(wèn)信號(hào)。信號(hào)最好通過(guò)廣播方式發(fā)送，以使網(wǎng)絡(luò)中所有的控制器都可知曉新燈具。當(dāng)某個(gè)控制器收到此信號(hào)時(shí)，即能向用戶通報(bào)新燈具可用。用戶如果決定對(duì)該燈具作出控制，控制器則便向此燈具發(fā)送綁定請(qǐng)求信息。該燈具若仍可綁定，將發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，否則發(fā)出拒收信號(hào)。燈具綁定后，只處理來(lái)自與其綁定控制器地址發(fā)出的消息。

　　還有一個(gè)尚待解決的問(wèn)題是當(dāng)燈具還未分配地址時(shí)，綁定請(qǐng)求消息如何接收？該問(wèn)題不難通過(guò)給每個(gè)燈具分配唯一的64位地址（類(lèi)似于MAC地址或物理地址）給以解決。于是，當(dāng)新燈具首次播送其可被訪問(wèn)信息的時(shí)，內(nèi)中也包含了該唯一的地址信息，而控制器則應(yīng)能向其發(fā)送直接的綁定信號(hào)。

　　由于對(duì)正常色彩控制信號(hào)的發(fā)送來(lái)說(shuō)， 64位的地址信號(hào)乃相當(dāng)之長(zhǎng)，故控制器可給與之綁定后的燈具分配較短的8位地址（稱之為邏輯地址）。直到未收到響應(yīng)。為確保新的邏輯地址未被使用，控制器會(huì)在電力線上發(fā)出聲響信號(hào)并等待應(yīng)答。如果控制器接收到應(yīng)答，則嘗試重新分配新地址，直到應(yīng)答信號(hào)接收不到為止。

　　圖2所示為用戶決定在兩個(gè)有效燈具間決定選用第一個(gè)燈具綁定的過(guò)程。一旦綁定完成，控制器便開(kāi)始發(fā)送控制該燈具彩色的信息。

圖2  燈具綁定的過(guò)程

　　 [!--empirenews.page--]4　現(xiàn)實(shí)世界的挑戰(zhàn)

　　目前對(duì)電力線通訊的基本考驗(yàn)是：

　?、?nbsp; 設(shè)備接收不到控制器的信號(hào)；

　?、?nbsp; 設(shè)備受不正確的控制器控制。

　　設(shè)備接收不到控制器的信號(hào)，通常由如下三個(gè)緣由之一造成：

　?。?）電力線的噪聲太多；

　?。?）控制器和接收器所處的電力線相位不同；

　?。?）接收器和控制器間的距離太遠(yuǎn)。

　　線路中如果噪聲太多，建議控制系統(tǒng)遠(yuǎn)離噪聲源。若控制器和接收器不同相，用戶應(yīng)嘗試移動(dòng)控制器或接收器使之同相。假如這樣仍不能實(shí)現(xiàn)同相，則可以采用橋接電力線交叉相位間通訊信號(hào)的相位耦合器。相位耦合器能通過(guò)大電容或無(wú)線連接實(shí)現(xiàn)。如果接收器和控制器間的距離太大，則有實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)，直至號(hào)抵達(dá)預(yù)定目標(biāo)的轉(zhuǎn)發(fā)器可用。有些裝置集轉(zhuǎn)發(fā)器和燈具于一體，故無(wú)需支付額外的費(fèi)用。

　　因在同一電力線總線中可存在多個(gè)控制器，故某個(gè)燈具有被不正確控制器控制的可能。發(fā)生這種情況原因很多，取決于地址分配和綁定機(jī)制。地址如果是手動(dòng)分配的話，有可能兩個(gè)燈具被分配了同一個(gè)地址。這也許是由于用戶忘了已將該地址用于某個(gè)設(shè)備或其它原因（如電力線與鄰居共享）分配了同樣的地址。

　　根據(jù)先前描述的智能地址分配和綁定，因所有地址均系唯一的64位物理地址，故上述錯(cuò)誤應(yīng)該不會(huì)發(fā)生。智能地址分配時(shí)，如果用到的邏輯地址是8位，為確保已經(jīng)使用的地址未被再次分配，控制器將向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送聲響訊號(hào)。不過(guò)即便對(duì)智能地址分配和綁定而言，不同控制器綁定的燈具并非想要綁定的燈具的情況可能依然出現(xiàn)（例如，鄰居綁定的恰好是用戶剛插上電源的燈具）。這種情況下，燈具上一個(gè)起強(qiáng)制燈具退出與控制器綁定的按鈕應(yīng)能生效，使該燈具解除約束并與正確的控制器綁定。

5　色彩控制

　　色彩信息采用的典型形式是CIE色彩坐標(biāo)和LED接直調(diào)光值兩種形式之一。LED直接調(diào)光值包含了每個(gè)LED亮度的獨(dú)立數(shù)值。譬如，若有紅、綠、藍(lán)三個(gè)LED，則其調(diào)光值就有3個(gè)。CIE坐標(biāo)為一種能描繪光譜中任何有效色彩的二維坐標(biāo)。根據(jù)所用LED元件及其承載信息，CIE坐標(biāo)隨亮度 （光通量）被混合進(jìn)LED的直接調(diào)光值。例如，2個(gè)紅色LED發(fā)出的可能是陰影稍有不同的紅色，色彩混和算法須將此考慮在內(nèi)，才能產(chǎn)生可精確表達(dá)期待色彩的顏色。

　　整個(gè)電力線上傳輸?shù)纳市盘?hào)類(lèi)型決定于用戶輸入，色彩控制精度的等級(jí)和實(shí)施成本。用戶輸入如果是直接的LED控制，則傳輸?shù)谋闶荓ED的直接調(diào)光值。用戶輸入如果是特定的色彩和亮度，則信息類(lèi)型取決于何處執(zhí)行色彩混和。若混和色彩在接收端執(zhí)行的話，那么傳輸?shù)念?lèi)型就是CIE坐標(biāo)值和亮度值。

　　因?yàn)長(zhǎng)ED承載的信息通常由燈具存儲(chǔ)，故隨著電力線通信控制技術(shù)的發(fā)展，典型的選擇是實(shí)現(xiàn)讓每個(gè)燈具將自己唯一的承載信息發(fā)送給能存儲(chǔ)這些信息以及加載執(zhí)行色彩混和信息的控制器，該控制器則能發(fā)送LED的直接調(diào)光值。

　　6　高級(jí)色彩控制

　　現(xiàn)在，控制器已更先進(jìn)，色彩的控制亦比每次僅僅只給一盞LED燈直接發(fā)送色彩信號(hào)更高級(jí)。其中重要的實(shí)例有背景效果、色彩幻變和指令定序。背景效果指的是給不同的燈指派特定的色彩，以使通過(guò)按鈕觸摸便能開(kāi)啟多盞燈不同顏色彩和亮度的燈構(gòu)成顏色緩變的背景；色彩幻變指的是規(guī)定燈具指定的時(shí)間間隔周期內(nèi)從一種顏色漸變到另一種顏色；指令定序則指使多盞燈以同步的方式改變照明顯示屏和照明格調(diào)等的顏色。

　　7　具體實(shí)施

　　實(shí)施電力線通訊需要采用電力線通訊收發(fā)器，它是一款典型的低壓、直流集成芯片。為與電力線接口，還須配備功率放大器和耦合電路。耦合電路可作更動(dòng)以以適用不同電壓范圍要求（例如，交流110－240伏特適合全球住宅使用，直流24伏特適合電池組照明使用等），故同一款電力線收發(fā)器芯片可在任何可能的供電電壓范圍內(nèi)應(yīng)用。

　　根據(jù)可利用的物理空間和所需要的控制等級(jí)，控制器的實(shí)現(xiàn)亦可采取不同形式。對(duì)基本的墻面開(kāi)關(guān)而言，照明控制接口可能就是一只簡(jiǎn)單的通斷開(kāi)關(guān)、一個(gè)或多個(gè)用于獨(dú)立控制燈具色彩的調(diào)光器。另外，至少應(yīng)該有一個(gè)按鈕用來(lái)檢索所有可用燈具以及一個(gè)按鈕來(lái)綁定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，且均采用LED有效顯示其狀態(tài)（可用或綁定）。

　　所有輸入和與電力線通訊收發(fā)器的接口，典型地都將使用微處理器來(lái)處理。譬如賽普拉斯通訊技術(shù)公司（Cypress Powerline Communication technology）就將微處理器和電力線通訊收發(fā)器整合在一起，所以輸入處理、智能綁定、高級(jí)色彩控制和電力線通訊都由一個(gè)器件執(zhí)行。

　　使用電容性觸摸屏取代笨拙的機(jī)械按鈕、 開(kāi)關(guān)和調(diào)光器是一種創(chuàng)新。使用電容式觸摸傳感技術(shù)，控制器面板則可制成印花顯示控制接口的平坦的表面。當(dāng)用戶觸摸面板上某個(gè)位置，控制器即認(rèn)為某個(gè)按鈕受到按壓、于是根據(jù)手指的位置，便會(huì)發(fā)生開(kāi)關(guān)切換或調(diào)光器改變，從而為用戶呈現(xiàn)一種時(shí)尚、 潔凈及健全的燈具控制界面。電容性觸摸方式還能進(jìn)而提供二維控制。例如，控制器能檢測(cè)到手指觸摸處的X和Y軸坐標(biāo)并將其轉(zhuǎn)換成CIE色彩坐標(biāo)。在可能是控制面板上某個(gè)色域處，這是個(gè)簡(jiǎn)單的色彩控制方式，用戶只須用手指觸按能任意改變色彩。

　　更復(fù)雜的照明控制（例如家庭中央自動(dòng)化系統(tǒng)），控制器可在 PC 上運(yùn)行。此時(shí)，控制界面應(yīng)是某種圖形用戶界面（GUI）應(yīng)用。它應(yīng)顯示用戶家里所有可用的設(shè)備，并允許用戶執(zhí)行更高級(jí)的色彩控制方案。PC通過(guò)USB或無(wú)線與電力線收發(fā)器對(duì)接。圖3所示為一種可能實(shí)施方案。

圖3： 照明控制器實(shí)施方案

　　由于燈具上并不要求有用戶界面，故通常采用嵌入式微處理器處理接收到的信息和執(zhí)行LED色彩控制。賽普拉斯公司以其電力線通訊和高亮度LED控制技術(shù)，已將電力線收發(fā)器和精密LED色彩控制器集成為單個(gè)器件。設(shè)定LED的色彩需要的只是外部LED驅(qū)動(dòng)。另外，以賽普拉斯公司的 PowerPSoC 技術(shù)，精密的 LED 顏色控制器和 LED 驅(qū)動(dòng)器也已集成為單個(gè)器件，通過(guò)I2C接口能方便電力線收發(fā)器對(duì)接。

　　總之，電力線通訊是一種無(wú)需鋪設(shè)新電纜和構(gòu)建成本低，非常適合于執(zhí)行復(fù)雜 LED 照明控制的技術(shù)。