基于传感器的照明控制系统设计

住宅照明主要是使用标准白炽灯具和标准的开/关开关控制。主要的进步是在调光控制和定时器领域，以允许更加节能地使用照明灯具。灯具本身就是单功能设备，因此灯泡模块 - 无论是白炽灯泡，CFL还是LED--都必须增加与灯具外部控制的兼容性。

这些外部控制现在正在更新，并正在成为包括逻辑IC和通信系统的智能控制。它们不仅可以定制照明，还可以提供有关状态和电源使用情况的信息，并提供对照明的远程控制访问。这些系统中的一些基于简单的传感器功能，对通信接口具有逻辑控制;其他可能更复杂并使用完整的微控制器解决方案。

超过开/关

家中的主要功能是打开或关闭灯。近一个世纪以来，这已经通过手动开关完成。从远处控制光的开/关功能越来越受欢迎。其中一个最着名的方法是经常被模仿的“拍板”。该设备实际上是一个简单的声音控制模块，可以触发声音（在这种情况下是一个拍手），然后打开或关闭电子电路。这种控制可以与电子控制和基于继电器的控制一起使用。

今天，许多家庭使用运动传感器来控制灯光。这些设备在许多州的法规要求下，确保在房间内没有居住者（例如浴室）时关灯。这些传感器通常基于具有广角镜头布置的某种IR发射器和接收器对。传感器系统触发一个简单的计时器，使灯保持一段特定的时间。如果仍有人在房间内，则重新启动计时器。通常，IR传感器组在打开时每分钟轮询一到三次，在计时器未运行时每秒多次（每秒一到两次）。这种技术也可用于水槽和水控制领域的新“”区域“和”无接触“应用。

开关控制功能最近已扩展到新形式的遥控器。简单的开关现在捆绑了一个RF接口，如ZigBee®，Z-Wave®或Wi-Fi，以便从远处管理开/关功能。大多数家庭自动化系统使用集中控制台，该控制台与网络中的灯和插座无线连接。 RF使用网状网络或传统的点对点网络连接到控制台。这些RF子系统集成在照明控制插座中，或者是控制台子系统的一部分。

通常，RF子系统采用集成到设计中的定制芯片的形式。一个例子是Skyworks Solutions的SKY56337前端模块，它具有在ZigBee或其他2.4 GHz频段上进行双向通信所需的功率放大器，混频器和变压器。该模块的框图如图1所示。

图1：Skyworks Solutions的SKY56337 ZigBee FEM框图（由Skyworks Solutions提供）。

ZigBee系统是2003年为WPAN连接初始化的IEEE协议（IEEE 802.15.4）。由于网状网络以及如何配置它们对于某些设计人员来说可能是新的，因此获得系统背景是有帮助的。 Digi-Key网站拥有飞思卡尔半导体提供的ZigBee产品培训模块。 PTM涵盖基本架构和扩展解决方案，收发器和集成处理器，以及符合ZigBee标准的解决方案的软件选项。

一些新的设计已经从RF和天线布局和覆盖范围的问题转移到有利于直接与家庭电源线连接的电力线网络。这些设计可通过Maxim的MAX2990基于OFDM的电力线通信调制解调器等技术和部件轻松实现。典型应用（参见图2）显示了PHY/MAC如何连接到FEM并使用AC电源线作为网络连接。这意味着家庭中央控制台一旦接通电源，就可以为家庭中同一电力系统上的多个物体提供基于IP的控制。这是住宅的关键，包括多单元建筑，因为它们通过集中式功率计和面板共用一条公共电力线。

图2：Maxim MAX2990电源线调制解调器应用（由Maxim提供）。

基于IP的系统的一个优点是能够混合网络。电力线网络可以连接到有线，802.11无线或蜂窝数据网络。在这种配置中，家庭电力线网络上的设备可以远程打开和关闭，或者从可以解决其IP地址的任何点（例如智能电话，平板电脑或专用控制设备）询问其状态。

定时器

除了开/关功能外，大多数住宅应用都使用可编程定时器和调光器来控制照明。定时器是开/关功能的变体，其允许基于时间的一系列状态改变。对于基于微处理器的系统，系统中通常存在实时时钟。对于更简单的设备，它们通常作为额外组件添加。完整的实时时钟，如Seiko的S35390A，可用于设置灯的系统时间表。

大多数家庭都知道它们的外部光线模式，以及它如何影响室内光线。定时器中的实时时钟（参见图3所示的Seiko S-35390A的示例框图）可以跟踪星期几，并可以调整夏令时和闰年。这允许在学校和工作之前编程早晨支持灯，然后关闭系统。这些还可以在工作日和周末以不同的时间表重新开启晚上使用的灯。这些单元还可以进行编程，以便在休假和其他家庭缺勤期间进行自动控制。与远程开关场景一样，时间输出是一个简单的开/关控制。

图3：精工实时时钟框图（由Seiko提供） 。

调光器

有几种类型的调光器电路可供选择。白炽灯和卤素灯使用相位控制调光器，而LED使用PWM调光器。相控调光器通过调节进入灯泡的功率的AC相位并将其移动以降低灯泡处接收的净功率来工作。结果，由于偏移，灯泡不那么明亮。这些调光器可通过滑块式控制手动控制，也可通过纯数字输入进行远程管理。这些电路有自己的内部PLL，有助于管理相位偏移。

大多数新照明采用荧光灯或LED灯。这些系统利用数字控制进行照明，因此如果它们支持调光功能，则它是PWM调光器。 PWM功能是驱动电路的标准部分。大多数驱动器具有固定的PWM操作频率，该频率针对特定类型的器件进行了优化。飞兆半导体的FAN5331 LED驱动器就是一个例子（见图4）。

图4：Fairchild Semiconductor FAN5331框图（由Fairchild提供）。

可变输出产品，如美国国家半导体公司的LM3429，支持全范围的模拟和数字调光，由PWM控制定义。信号可由任何标准微控制器或微处理器发出，允许本地或远程设置调光功能。此方法支持类似于开/关控制的连接设备，并且与所有通信协议兼容。

控制界面

用于照明的家庭自动化环境的最后一部分是控制界面。传统上这是具有固定形状因子的灯开关（标准壁插件分线盒）。控制器的新外观是支持触摸屏的嵌入式计算机系统。该系统具有完全可编程的显示屏，有些颜色甚至可以支持图形生成，以便在平面图中定位照明。

借助传感器和智能控制模块，新的集中控制器可显示灯的状态，可编程和调整定时器功能，并可控制调光器功能。现在，在基于闪存的大型系统（512 MB到1 GB）中编程的高级功能包括多个单元的控制序列。这种控制的一个例子是在家庭影院中设置照明，同时在相邻区域（例如走廊）中照明灯。这些控制系统还需要将状态传递给网络中的设备。状态更新需要以电子邮件，图形输出或SMS/文本样式消息的形式发送到远程计算机和移动设备。新功能还包括传输到智能电表和监控集中式能源使用的其他家庭网关设备的信息集合。这些功能通常都在软件中解决，因此系统的基本组件集非常独立于所支持的各种功能的复杂性。