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    利用供電線通訊實施的LED照明控制
    摘要: LED照明設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設備還可通過通信功能智能地執行診斷和自動功能執行更好的控制。
    Abstract:
    Key words :

    1 引言

      LED照明設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 設備還可通過通信功能智能地執行診斷和自動功能執行更好的控制??紤]到所有照明設備都要連接供電線將電轉換成光,所以許多制造商均轉向將供電線通信 (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基礎設施。房間或者辦公室的每一個角落都有電源插座,形成了一個全封閉的網絡;任何信息的鏈接通訊,從基本的顏色、亮度到更復雜的信息,如背景(不同設備預設的色彩圖案)和幻變(不同彩色間的轉化過渡),不再需要新的線路。另外,按照先進燈具設備研發與源自用戶的抽象綁定機制,便可構建某種PLC使能的照明控制網絡而毋需記存單個號碼或冒意外將鄰居照明光關閉的風險。

      供電線網絡采用的是具有高度重置性和可由單個控制器控制超過一個以上設備能力的總線拓撲??刂破髂芄芾砟硞€房間,甚至整棟住宅中的所有燈光。此外,這種總線拓撲還能使多個控制器同時控制某一個照明設備。以這種方式,某個房間里的照明設備就能從另一個房間控制(例如:臥室能關閉住宅里的所有燈光)。這種拓撲也能使控制器保持對網絡中所有設備狀態的跟蹤,并起到像脊柱一樣擴展性與設備的即插即用,任何新的照明設備,無論其在何處都能立刻成為網絡的一部分。

      圖1為幾種不同照明控制架構的比較。傳統照明系統許可對一盞燈單獨控制,而建立在總線拓撲架構上的標準則能夠實現多盞燈的獨立控制。注意到盡管數字可尋址照明接口(DALI)和DMX512協議可以實現由單個控制器對多盞燈的獨立控制,但需鋪設額外的控制線路。

    圖1  照明控制架構

            3 控制器和照明設備的綁定

      如圖所示,傳統照明應有為獨立控制每盞燈專用的電纜布線,但對總線拓撲而言,此電纜卻由多盞燈所共享,意味著控制器發送的信號能被所有照明設備接收。為了區分不同的燈具設備,控制器需分別與每個照明設備“綁定”并給于分配一個唯一的地址。譬如,考慮燈具A分配的地址為1,燈具B分配的地址為2。如果控制器發送帶有目的地址1的訊息,則這個訊息只能被燈具A處理,不能被燈具B處理。同樣的,如果發送的是帶目的地址2的訊息,那么該訊息只能被燈具B處理。

      老式的系統要求用戶給每盞燈手動分配地址(例如使用雙列直插式開關或旋轉撥盤),然后在控制器上選擇該地址。不過,此方法有如下缺點:⑴ 設置花費額外時間;⑵ 用戶須仔細為每個設備分配唯一的地址和 ⑶ 若由單個控制器控制多盞燈的話,用戶必須記住每盞燈的地址數。更復雜的方法是令控制器 (而不是用戶) 承擔發現網絡上的新燈具、 標識網絡上的可用地址、分配地址和為綁定和控制單個(或多個)燈具提供易用的接口。為發現某個新燈具正在網絡中,該燈具需發送一個允許訪問信號。信號最好通過廣播方式發送,以使網絡中所有的控制器都可知曉新燈具。當某個控制器收到此信號時,即能向用戶通報新燈具可用。用戶如果決定對該燈具作出控制,控制器則便向此燈具發送綁定請求信息。該燈具若仍可綁定,將發送應答信號,否則發出拒收信號。燈具綁定后,只處理來自與其綁定控制器地址發出的消息。

      還有一個尚待解決的問題是當燈具還未分配地址時,綁定請求消息如何接收?該問題不難通過給每個燈具分配唯一的64位地址(類似于MAC地址或物理地址)給以解決。于是,當新燈具首次播送其可被訪問信息的時,內中也包含了該唯一的地址信息,而控制器則應能向其發送直接的綁定信號。

      由于對正常色彩控制信號的發送來說, 64位的地址信號乃相當之長,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。為確保新的邏輯地址未被使用,控制器會在電力線上發出聲響信號并等待應答。如果控制器接收到應答,則嘗試重新分配新地址,直到應答信號接收不到為止。

      圖2所示為用戶決定在兩個有效燈具間決定選用第一個燈具綁定的過程。一旦綁定完成,控制器便開始發送控制該燈具彩色的信息。

    圖2  燈具綁定的過程

       4 現實世界的挑戰

     

      目前對電力線通訊的基本考驗是:

     ?、?nbsp; 設備接收不到控制器的信號;

     ?、?nbsp; 設備受不正確的控制器控制。

      設備接收不到控制器的信號,通常由如下三個緣由之一造成:

     ?。?)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。

      線路中如果噪聲太多,建議控制系統遠離噪聲源。若控制器和接收器不同相,用戶應嘗試移動控制器或接收器使之同相。假如這樣仍不能實現同相,則可以采用橋接電力線交叉相位間通訊信號的相位耦合器。相位耦合器能通過大電容或無線連接實現。如果接收器和控制器間的距離太大,則有實現信號轉發,直至號抵達預定目標的轉發器可用。有些裝置集轉發器和燈具于一體,故無需支付額外的費用。

      因在同一電力線總線中可存在多個控制器,故某個燈具有被不正確控制器控制的可能。發生這種情況原因很多,取決于地址分配和綁定機制。地址如果是手動分配的話,有可能兩個燈具被分配了同一個地址。這也許是由于用戶忘了已將該地址用于某個設備或其它原因(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,故上述錯誤應該不會發生。智能地址分配時,如果用到的邏輯地址是8位,為確保已經使用的地址未被再次分配,控制器將向整個網絡發送聲響訊號。不過即便對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(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,燈具上一個起強制燈具退出與控制器綁定的按鈕應能生效,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色彩坐標和LED接直調光值兩種形式之一。LED直接調光值包含了每個LED亮度的獨立數值。譬如,若有紅、綠、藍三個LED,則其調光值就有3個。CIE坐標為一種能描繪光譜中任何有效色彩的二維坐標。根據所用LED元件及其承載信息,CIE坐標隨亮度 (光通量)被混合進LED的直接調光值。例如,2個紅色LED發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,才能產生可精確表達期待色彩的顏色。

      整個電力線上傳輸的色彩信號類型決定于用戶輸入,色彩控制精度的等級和實施成本。用戶輸入如果是直接的LED控制,則傳輸的便是LED的直接調光值。用戶輸入如果是特定的色彩和亮度,則信息類型取決于何處執行色彩混和。若混和色彩在接收端執行的話,那么傳輸的類型就是CIE坐標值和亮度值。

      因為LED承載的信息通常由燈具存儲,故隨著電力線通信控制技術的發展,典型的選擇是實現讓每個燈具將自己唯一的承載信息發送給能存儲這些信息以及加載執行色彩混和信息的控制器,該控制器則能發送LED的直接調光值。

      6 高級色彩控制

      現在,控制器已更先進,色彩的控制亦比每次僅僅只給一盞LED燈直接發送色彩信號更高級。其中重要的實例有背景效果、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,以使通過按鈕觸摸便能開啟多盞燈不同顏色彩和亮度的燈構成顏色緩變的背景;色彩幻變指的是規定燈具指定的時間間隔周期內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等的顏色。

      7 具體實施

      實施電力線通訊需要采用電力線通訊收發器,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器芯片可在任何可能的供電電壓范圍內應用。

      根據可利用的物理空間和所需要的控制等級,控制器的實現亦可采取不同形式。對基本的墻面開關而言,照明控制接口可能就是一只簡單的通斷開關、一個或多個用于獨立控制燈具色彩的調光器。另外,至少應該有一個按鈕用來檢索所有可用燈具以及一個按鈕來綁定網絡節點,且均采用LED有效顯示其狀態(可用或綁定)。

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

      使用電容性觸摸屏取代笨拙的機械按鈕、 開關和調光器是一種創新。使用電容式觸摸傳感技術,控制器面板則可制成印花顯示控制接口的平坦的表面。當用戶觸摸面板上某個位置,控制器即認為某個按鈕受到按壓、于是根據手指的位置,便會發生開關切換或調光器改變,從而為用戶呈現一種時尚、 潔凈及健全的燈具控制界面。電容性觸摸方式還能進而提供二維控制。例如,控制器能檢測到手指觸摸處的X和Y軸坐標并將其轉換成CIE色彩坐標。在可能是控制面板上某個色域處,這是個簡單的色彩控制方式,用戶只須用手指觸按能任意改變色彩。

      更復雜的照明控制(例如家庭中央自動化系統),控制器可在 PC 上運行。此時,控制界面應是某種圖形用戶界面(GUI)應用。它應顯示用戶家里所有可用的設備,并允許用戶執行更高級的色彩控制方案。PC通過USB或無線與電力線收發器對接。圖3所示為一種可能實施方案。

    圖3: 照明控制器實施方案

      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,已將電力線收發器和精密LED色彩控制器集成為單個器件。設定LED的色彩需要的只是外部LED驅動。另外,以賽普拉斯公司的 PowerPSoC 技術,精密的 LED 顏色控制器和 LED 驅動器也已集成為單個器件,通過I2C接口能方便電力線收發器對接。

      總之,電力線通訊是一種無需鋪設新電纜和構建成本低,非常適合于執行復雜 LED 照明控制的技術。

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