家庭自动化系统之照明和电器控制资料下载

作者：贸泽电子Josh Israelsohn 商业家庭自动化设备的使用至少可以追溯到1975年，那一年在苏格兰，Pico Electronics推出了X10系列产品。尽管当时的技术水平尚不如当今这般成熟，但当时系统设计中所采用的架构和使用模型却沿袭至今。 较为通用的架构（如图1所示）包含了一个由人机界面(HMI)、控制逻辑、定时和测序硬件及通信接口组成的控制系统，用作点对多点网络的起始端。个人客户端设备则实现了通信接口、控制逻辑及一个或多个设备接口，其在输出通道的情况下还包括必要的电气驱动程序。 图1：家庭自动化的通用架构支持许多功能，包括但不限于安全、暖通空调（HVAC）控制及照明。 早期家庭自动化系统出现的第一批应用程序是照明和电器控制。这两大家庭自动化供应商都实现了简单的电力网转换开关。由于安装方便，网络物理介质采用的是电源线，在交流电零交叉时可以高速脉冲操作且每次交互为1bit。由于协议中纳入了通信开销和消息复制，早期的系统实现了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毫秒范围内发生简单的命令延迟可以说是市场容忍的极限。除此之外，电力通信面临的一大挑战是：多年来，家庭自动化系统的可靠性要低于市场的预期。尽管有一小部分忠实用户仍然坚守阵线，但家庭自动化仍逃脱不了被大众市场淘汰的命运，除非技术上的飞跃可以扭转局势。 技术的突破扭转了乾坤 如今，家庭自动化系统正历经一场新的变革，这是其在40年发展历程中第一次如此来势汹涌，横扫市场。从细分市场可以看出，其设备融合了多种先进的技术，但这并非是家庭自动化应用本身所驱动的，而是因为多种技术的融合将产生更好的效果。就家庭自动化系统中的住宅照明而言，通信、控制及照明设备三个特定领域的技术创新使其整个市场系统对住宅市场更具吸引力。 家庭自动化实现的核心是无线网络，其解决了诸多使用电源线通信方案所带来的问题，包括跨240V/120V系统交流的困难、相邻住宅的干扰及冰冻天气的影响。目前，符合IEEE802.15.4标准的无线设备已非常普遍，特别是那些物联网应用程序中较为普遍的符合ZigBee的无线设备。 ZigBee在2.4 GHz的ISM带宽中可以提供250 kpbs的数据率，而在特定地理位置sub-GHz频谱中的数据率可以更低至20 kbps。ZigBee与WiFi不同，后者通过增加专用的硬件中继器形成可延展的星状网络，而ZigBee节点形成的是网状网络，每增加节点都可以自动延展。网状网络还可以改变信息发送路径来减轻假射频干扰，使方案相比那些基于星状网络的方案更加稳健。 专门的家庭自动化控制硬件已经被通用无线HMI设备上运行的软件程序（即手机）所替代。网关硬件解决了因手机缺乏可兼容的无线电而带来的连接问题，并作为802.15.4 Zigbee无线家庭自动化网络和几乎无处不在的802.11x WiFi数据通信LAN之间的双向接口，如图2所示。 图2：在现代家庭自动化系统中，中央控制硬件已被智能手机上运行的软件所取代。网关为WiFi连接手机与自动化系统的802.15.4网状网络之间搭建了一座桥梁。 由于并非总是存在人机界面和系统控制功能，因此计时、排序和分组功能必须保留在单独的客户端设备中。将这些功能转移至客户端设备可以使多个人机界面通过网关同时存在于相同的网络中，使家庭中的任何成员都可以通过访问网络来控制设备。基本的设置如：在照明控制范围内进行照明分组和场景驻留，如图3所示。 图3：当前家庭自动化方案是在缺失中央控制设备的情况下操作的。客户端设备如智能调光器管理着计时、排序、分组和场景(A)等功能。由于电灯并非天生的调光器，智能灯泡则需要涵括所有必要的功能以便作为独立的节点进行操作。 市场引领前行 自从高品质彩色LED灯条取代荧光灯以来，照明控制的自动化便一直备受市场青睐。由于市场的推动，大量用于住宅应用的设计方案也脱颖而出。 荧光装置长期以来一直主导着商用照明市场，其漫射光输出、高色温及节能性尤其适合办公空间的照明，因为办公区域的照明设施通常要覆盖的范围非常之广大。商业应用案例中，低光、壁灯、跟踪照明、灯光特效等场景中还使用了传统的白炽灯或卤素设备灯，尤其是在零售区域、建设办公大厅和会议室内。 通常而言，简单的开关便可以控制荧光照明的暗灯槽。对于大型立方体农场的照明可能要以集群控制暗灯槽，或者多管设备的每个灯管都要连接一个单独的电路，从而可以逐步关闭一个或多个灯管。不过总体而言，传统荧光灯照明设备并没有使用调光器进行控制，且系统很少检测占用率。不过据预计40%的商业用电可归因于照明，商用市场长期以来一直渴望低成本替代产品的问世。而LED灯和新型照明控制的出现恰逢其时，其有效地降低了公司的成本，效果远超过那些单纯地减少光束能耗的方案。 在住宅照明中，白炽灯可兼容标准的螺纹灯头，如A、BR和PAR系列灯泡。这类灯泡常见于顶置式大堂射灯、跟踪装置、桌面灯和地板灯、壁灯装置以及用于户外的柱灯装置。荧光灯只占有住宅照明的小部分，其主要用于地下室车库或商场、洗衣房及厨房的橱柜照明。尽管使用甚少，但也开始逐渐被新的产品替代。 调光器 不管是否自动化，传统的调光器在每半周时都是空白输出，而一旦被激活，便会一直保持状态直至线路零交叉。白炽灯——像加热器一样功效率达98%， 实际上在长时间常态供电时相当于热低通滤波器。 相比之下，LED本质上是一种电子输入-光子输出的直流电流驱动装置。LED不兼容交流电压源和传统的调光器， 而切断交流电压波形将更加不兼容。 LED镇流器可以对交流电压源进行必要的整流和V-I转换，且在可控设备中将工作周期映射至输出电流范围中。 几年前，对于可控型LED灯，调光器可以调节的亮度范围非常有限——通常为7 dB。这些LED灯以最低或接近最低设置开启时通常会闪烁不已。这些问题也给住宅照明市场带来了很多不确定性因素，因为不同的灯泡和控制组合可能产生不同的效果。 当前的设计似乎已经解决了这些问题。在最近的固态照明抽查中，JAS Technical Media公司测量了多种在调光器上运行的LED灯泡的照明情况，并使用白炽灯泡作为参考。抽查的数据结果如图4和图5所示。该图将每个灯泡输出的调光曲线标准化，旁路是调光器。图的横轴是100 – W的白炽灯功率损耗，使用旁路的调光器并循着调光器的轨迹进行测量。 图4：不同于几年前，当前的LED灯泡和调光器设计可以流畅地变暗，不会闪烁或产生噪音。(图由JAS Technical Media授权许可)。 图5:相比白炽灯泡(左列)，一些公司的LED灯呈现的是无法辨别的调光器波形(中心列)，而另一些调光器的波形则发生了变化(右列)。本文不就这些差异进行阐述。波形图可以充分表示调光器的波形 (上面一行)，其分别为75% 的功率（白炽灯的功率）、50%、25%和调光器最低设置的功率（底部的一行）。（图由JAS Technical Media授权许可)。 灯泡的优化 早期用于住宅照明市场的LED灯销量贫瘠。因为LED灯仅在“日光”(5000°K)色温下可用，这对于室内住宅照明而言要求过于严苛，且其仅有一个或两个流明输出选项可用。 早期的灯泡标价（通常为$25到$50）让许多人瞠目结舌，望而却步。而一些怀着猎奇心理的人便敢于大胆尝新，不再计较标签上的价格数字及考虑每年节省多少电力等诸事。 几年前，市场开始打破僵局。那时，科锐（Cree）公司在市面上开始以低于$10的零售价推广色温2700 K的900流明灯，在某些家居商店的零售价甚至为$8.5。自此以后，LED灯开始普及，且以合理成本打造的多种流明等级及设计外形的产品越来越多，使得其对于家居照明市场更具有吸引力。此外，许多灯泡制造商已呈现夕阳态势。大部分白炽灯产品及脆弱且含汞的节能灯对于用户而言不大实用，也使得LED灯越来越受到家居市场的青睐。 最近，欧司朗发布了一系列的智能电灯，其集成了802.15.4无线、处理器、可控电流驱动及标准A19外层的LED。这些电灯兼容了欧司朗的网关，允许分组、现场编程且不需要墙面调光器即可调光。智能电灯价格不低，但若考虑到其智能调光器的成本及长达11年多的使用寿命，这款产品或许更具吸引力，尤其是对那些有房产且不愿意总是更换智能调光器的客户则更具魅力。 家庭自动化要大放异彩可能亦无其他方式，非住宅照明不可。例如，结合自动控制，可调色LED灯可以产生一系列的效果。譬如，人们可以将客厅的局部照明设置为深蓝色，营造一种剧院电影之夜的氛围；或将餐厅的灯调为红色，仿佛在享受一场浪漫的晚餐。更加实在的是，家庭自动化系统可以自动调控卧室的灯光，使之随着日出逐渐变亮，若有需要，高色温还可以呈现晴空万里的效果。尽管这些系统尚未经过试测，但模拟日光对于那些高纬度地区经历季节性情绪波动的人来说却是极具吸引力——这是白炽灯无法比拟的。 …准备就绪，瞄准启航…… 在过去的一年里，大量家庭自动化系统涌入市场。住宅安全与暖通空调管理是市场上主要的应用程序，门窗传感器、门铃按钮和低帧频监控摄像头以及恒温器则是领先的网络设备。照明市场虽然受到全方位支持，但多数情况下，照明控制节点的安装相比其他类型的网络设备要复杂的多，因此市场相对滞后。 尽管家庭自动化技术已日臻完善，但其他因素可能在短期内对家居市场造成一定的阻碍。其中最为关键的因素便是互操作性，或者说是缺乏来自不同供应商的节点和应用软件。 在家庭自动化市场中，Betamax对抗VHS的大战早已展开厮杀。在频繁的市场较量中，无论谁是赢家都不大可能展露技术优势。事实上，就技术方面而言，Betamax是较为高级的版本，其成本效益、方便性、可用性及四声道音频使之曾经一度占据家庭娱乐产品市场。 自那以来，消费市场对于可以支持给定应用程序技术产品的互操作有了一定的期待。这里可以与WiFi设备进行一个比照。你可以从Netgear公司购买无线路由器，从Linksys购买增程器，从HP购买打印机及从Canon购买相机，没有谁会在意这些设备的WiFi出自哪里，更别提笔记本、平板电脑或手机的WIFI。互操作性是给定的。 在家庭自动化市场中，互操作性即使存在也并不那么明显。供应商的市场营销方案对于这个话题缄口不提。这样看来,如果你买一个品牌系统的网关，那你所有的网络节点和应用程序软件都要锁定这一品牌。尽管技术方面已准备就绪，但市场仍旧不大稳定。 另一方面，如果家庭自动化供应商转向可互操作系统，用户可以选择根据自身的喜好选择最适合的HMI软件、最符合其预算的网关和网络需求及最能满足其应用程序需求的个人节点。 此外，虽然一些公司已经将家庭自动化作为备选方案，但市场还远未成熟，仍需大量的技术支持和积累来赢取一场漂亮的战役。有些案例如硅供应商Analog Devices，该公司提供用于温度或湿度测量的传感器和低功耗传感器前端，以及烟雾或近端探测节点。其还提供兼容IEEE-802.15.4的收发器，用于全局2.4-GHz带宽和特定地理位置的sub-GHz带宽以及集合了模拟和混合信号的信号处理电路。 日本村田公司提供了一个基于铁氧体基片的微型直流-直流转换器，其嵌入了功率电感器和输入输出电容，用于简单的6 mm2至28mm2插入式电力子系统（具体取决于功能和最大负载电流）。公司还提供可兼容IEEE-802.11-b/g/n的网络控制器模块，该模块支持WPA和WPA2相移键控WiFi保护访问和WPSWiFi保护设置，并适合30.5 x 19.4mm空间。