传统照明布线与无线照明控制相关技术问题 - 全文

　　电子设备是如今市场上推出的几乎每个光源或灯具的组成部分。 电源管理、开关和调光控制、混色、系统监控以及用户界面中都使用电子电路。 电子镇流器中也使用数字和模拟集成电路，这些镇流器用于高强度放电灯、节能灯、LED 照明、白炽灯调光器和控制设备。

　　为了巧妙地使用灯内电子产品，使其能够执行除简单开关切换之外的其它任务，需要用一个接口在各设备（如灯具和传感器）之间进行通信，并配置一个控制器。 当前正提倡使用不需专用布线的新接口，因此价格更低，更易于安装。 但是目前它们做好实施准备了吗？

　　为什么传统照明接口已过时？

　　照明灯具调光控制实施中最容易的一种方式是采用传统的0V 至 10V 协议。 这项简单技术易于实施，但有其缺点。

　　首先，必须分别控制每个光源。 在包含许多灯泡的系统中，这需要使用大量线缆。

　　其次，该协议只支持单向通信，且只支持调光 - 系统不能获得灯泡相关信息。 为解决这些不足，开发出了照明用数字网络技术：首先是 DMX512A-RDM，其使用菊花链在一根总线上连接多达 512 个设备，且为双向通信。 同样，数字式可寻址照明接口 （DALI） 支持最多 64 个设备组成的网络，每个设备都有个别地址和组地址。 广播信息能控制场景或光源组。

　　DALI 提供的数据速率为 1200baud，而 DMX512A 提供的为 250kbaud。 然而 DALI 适用于建筑物（需要光源数字管理）中使用的照明系统，如现代化的办公楼和酒店，或需要监控功能的地方。 DMX512A 是专业照明环境的理想选择。

　　但是 DALI 和 DMX512A 网络都仍然需要将它们自己的布线基础设施与电源隔开。 这使照明设施成本显著增加。 在已经布有电力线（电力线靠近照明设备布线）的现有结构上增加控制布线可能并不可行。

　　这样就出现了推出不需任何其它布线的照明控制协议的热切期待。

　　如何消除独立控制布线？

　　传统照明配线接口技术成熟，是针对其预期应用的久经考验的解决方案：调光、舞台照明以及大型建筑中的照明管理。

　　但是它们的局限性使它们在有些环境中并不适用：

　　? 如前文中提及的已经有电线但没有控制布线的地方。

　　? 要求只通过一个控制点操作大量灯的地方。

　　? 需要以高数据速率进行双向通信的地方，例如从温度传感器或光线传感器发送数据。

　　? 需要混色的地方

　　当前看似可获得商业支持的两项技术可能会提供答案：无线通信，采用无许可证的 ISM 频率波段；电线通信，在现有主电源布线上实施。

　　但是照明业界真准备采用该技术了吗？

　　无线照明控制

　　无线照明网络的特定操作要求如何？ 其必须：

　　? 支持长距离范围内的许多节点

　　? 运行功率低，包括备用模式时的功率。 使用的无线开关或传感器未与主电源连接的系统尤其如此。

　　? 启动时快速连接设备

　　? 照明设备总成本基本不增加

　　两种最有名的无线协议（Bluetooth 和 WiFi）都不符合这些要求。 它们提供的节点范围及数量有限，并且电流消耗过多。 启动时需花很长时间连接设备。

　　幸运的是，有多种可供选择的其他 RF 协议，每个都有自己的长处和不足。 照明控制设备制造商肯定将能够找到符合上述要求，并且将在预期应用条件下运行的一种协议。

　　基本上共有两类应用，每类都需要不同的工作条件：室外照明和室内照明。 对于像路灯之类的室外应用，该协议必须在节点之间提供很长的距离，同时支持细长网络。

　　室内应用中，节点彼此距离很近，它们之间的工作范围不重要。 但是无线电协议应能够形成一种树状或网状拓扑（见图1）。 从而允许对网络的整个范围进行扩充，而各个节点都有效地发挥中继器的作用。

　　

　　网状拓扑更复杂，它为信号提供多条通道，并与网状协议中经常出现的自修复功能协同工作，因而即使有些网点出现故障也能使网络保持运行状态。 而网状网络管理相对复杂些，因而消耗的处理器资源更多；因此发现更简单的树状拓扑通常更适合于照明控制网络。

　　节点之间的范围主要取决于发送功率、接收灵敏度、频率和传递条件。 所有其它条件都相同的情况下，频率较低（《1GHz） 的系统的范围更大，穿透砖石和其他障碍的能力更强，但会消耗更多的电力。 2.4GHz 系统提供的优点相反：尺寸更小、功耗更低、数据速率更高并且网络管理速度更快。

　　然而，照明控制设备制造商评估 RF 技术时需要考虑各种因素：

　　? 协议特点、拓扑 v 复杂性的选择，以及处理器资源上的漏电。

　　? 频率 v 范围，以及功率消耗

　　决定了这些高级要求后，设备设计人员必须具体考虑采用哪种协议。ZigBee 标准是最流行的且符合照明网络要求的无线网络类型。 主要规格包括：以 sub-GHz 和 2.4GHz 频率运行；数据速率高达 250kbits/s；范围 100m（露天，功率 0dBm ，频率 2.4GHz）；并且支持树状和网状网络。

　　IC 和模块中都提供有 ZigBee 解决方案（见表1）。 商业使用本规范不收取费用 - 制造商必须属于 ZigBee 联盟，最终产品必须

　　经过认证，并保证来自不同供应商的设备可互操作。可从照明控制参考设计开始，加快开发过程。 FreescaleSemiconductor 和 Future Electronics 可提供特别有用的开发板：

　　
 

　　? Freescale 的照明参考设计支持 DALI 和 DMX512-A/RDM协议，并通过一块单独的通信板为 ZigBee 提供支持。这个接口连接到 Tower 系统开发平台内的 Kinetis MCU主板。

　　? Future Electronics 的无线照明和控制参考设计可在802.15.4 网络上实施对红色、绿色、蓝色和白色 LED 的无线控制。 该套件包含一个控制器板、几个远程灯板和一些收发器板。

　　使用芯片制造商开发的专有协议可免去 ZigBee 许可证费（见表 2）。 NXP 提供 JenNet 协议，该协议在 2.4GHz 波段内运行，能组建树状、星状和线性自修复网络，最高包含500 个节点。 Microchip 的免费 MiWi 堆栈同时以 sub-GHz和 2.4GHz 两种频率，在 PIC 微控制器和 Microchip 收发器上运行。

　　

　　共享电源布线

　　实施复杂照明控制网络（无专用控制网络布线）的另一种方法是采用电力线通信 （PLC），其可托管在电源布线上。公用事业公司已经开创了 PLC 的使用，它提供一种在电网上访问电表和其它器具的方法。 但是 PLC 也可用于在建筑内提供低数据速率通信，由此控制主电源上连接的灯具。

　　该技术的范围取决于所用调制方案、线路阻抗和噪声，但是极有可能当节点之间距离太大、或者条件对于无线信号而言过于恶劣时才值得对 PLC 进行评估（例如有金属墙的建筑）。

　　照明业界采用 PLC 的最大障碍是没有普遍接受的、用于照明控制或家庭自动化的 PLC 规格。 最流行的标准是 KNX，它能将电力线以及其它介质用于家庭和建筑自动化功能；但局限于 1.2kbits/s 以下的数据速率。

　　或者，照明控制设备制造商可采用由 PLC 调制解调器和芯片系统 （SoC） 制造商开发的技术。 例如，Yitran 公司的 IT700调制解调器采用高级 DCSK 调制，可提供速度高达 7.5kbits/s的稳定通信，另还为命令和控制应用采用其 Y-Net 协议堆栈。

　　Microchip 基于其 dsPIC33F 系列微控制器推出一种 PLC 软调制解调器参考设计，可提供高达 7.2kbits/s 的数据速率。Cypress Semiconductor 也推出一系列 PLC 设备，它们都将Cypress 的电力线网络协议堆栈集成在作为 PHY 的同一设备上。

　　结论

　　由于为了支持 DALI 及其它已确立的照明控制标准而安装并行布线基础设施需要很高成本，因此目前不需任何附加布线的备选方案进入主流市场的时机已经来临。

　　对于创新型照明设备制造商而言，PLC 仍然正处于开发阶段时，是一次占据市场份额的机遇。 相反，RF 技术已经在建筑自动化领域内广泛应用，其提供的数据速率和网络特点明显足以满足照明控制应用的要求。

　　照明规格制定机构寄望于实施更多控制应用，以改进用户体验并降低能量消耗，这使制造商也从中受益，制造商们能让终端用户相信 RF 链接在完全安装时将会非常稳定。