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利用電力線通訊實現LED照明控制

上網時間: 2011年05月04日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電力線通訊  LED照明  整合 

作者:Jeff Hushley、Rohan Gandhi

Cypress半導體

LED照明不斷成功地在500億美元照明市場中開拓出越來越大的天地,這也絲毫不令人奇怪,因為與CFL(螢光燈)和白熾燈相較,LED可以提供最佳能效。然而,LED燈具製造成本很高,原因是高成本的LED和散熱設計。除了要在節能方面與CFL競爭外,LED照明製造商還要透過提供比CFL競爭產品更先進的功能來實現LED產品的差異化。

例如,LED燈具能夠很容易提供顏色保持,即同一LED燈可以發出暖白光或冷白光,或色譜裡的任何顏色。CFL目前還做不到這一點。借助通訊功能還可以使LED燈具變得更加智慧,並實現更好的控制、診斷和自動化功能。鑒於所有照明燈具都要連接電力線將電能轉換成光能,許多製造商希望能把電力線通訊(PLC)介面作為主要的通訊和控制鏈路。

電力線通訊

電力線組成了世界上最大的銅線基礎設備。家庭或辦公大樓的每個角落都有電源插座,因此電力線是一種全面性網路。不需要新建任何纜線就可以實現從基本顏色和亮度資訊到諸如顏色佈景(不同燈具的預定義顏色圖案)和淡入淡出(顏色之間的轉換)等更複雜資訊的通訊,能輕易設立一個具有PLC功能的燈光控制網路。

電力線網路採用匯流排拓樸結構,可提供高度可配置能力,能夠從一個控制器完成對多個設備的控制。這種控制器可以管理房間內的所有燈具,甚至家裡的所有燈具。此外,匯流排拓樸還允許多個控制器控制一個燈具。這樣,一個房間內的燈具可以受其它房間控制(例如從臥室關閉所有家裡的燈)。這種拓樸還允許控制器一直追蹤網路上的所有設備,並作為骨幹伺服器實現可擴展性和‘即插即用’安裝,任何新的燈具可以立即成為網路的一部份。

圖1對一些不同照明控制架構進行了比較。傳統照明架構允許獨立地控制某個燈,而設立在匯流排拓樸上的標準支援獨立地控制多個燈。請注意,雖然DALI和DMX512可以從一個控制器獨立地控制多個燈,但DALI和DMX512都要求安裝額外的控制線。

圖1:照明控制架構。
圖1:照明控制架構。

將控制器整合到燈具上

如圖1所示,傳統照明架構有專門的線用於獨立地控制每個燈泡。在匯流排拓樸情況下,這些線被多個燈泡共享,這意味著控制器發出的訊號將被所有燈具收到。為了區別不同的燈,控制器要和每個燈具單獨整合,並給每個燈具分配一個唯一的地址。

例如,假設燈具A的地址為1,燈具B的地址為2。如果控制器發送一個目標地址為1的消息,那麼這個消息只有燈具A才會處理,燈具B是不會處理的。同樣,如果消息發送時使用的目標地址是2,那麼這個消息只有燈具B才會處理。

早前的系統要求用戶人工給每個燈分配地址(比如使用DIP開關或撥號盤),然後在控制器上選擇那個地址。然而,這種方法有不少缺點:1)設置需要花費額外的時間;2)用戶必須十分小心地給每個設備分配一個唯一地址;3)如果從一個控制器控制多個燈,用戶必須記住每個燈的地址號。現在的方法更加複雜和成熟:先是讓控制器(而不是用戶)負責發現網路上新安裝的燈具,然後找一個網路上的空閒地址,將該地址分配給這個燈具,最後提供一個易用的介面用於整合和控制單個(或多個)燈具。

為了發現網路上有新的燈具出現,燈具需要自己發送一個可用的訊號。這最好用廣播消息的方式實現,以便網路上的所有控制器都能知曉這個新燈具。當控制器收到消息時,它能提醒用戶新燈具的加入。如果用戶決定控制這個燈具,控制器將向該燈具發送一個請求整合的消息。如果此時燈具仍然可以用於整合,它將發送一個確認消息。如果不能整合,它將發送拒絕消息。一旦整合後,這個燈具就只處理從整合它的控制器地址收到的消息。

當燈具還沒有被分配地址時,燈具如何接收整合消息請求仍是個問題。這個問題可以給每個燈具重新分配一個唯一的64位元地址(如同MAC或實體地址一樣)來解決。然後當燈具第一次廣播自己可用時,它也可以在消息中包含其唯一的地址。接著控制器就可以直接向它發送消息進行整合。

由於64位元地址對發送正常的顏色控制消息來說太長了,控制器可以在完成燈具整合後給燈具分配一個更短的8位元地址(稱為邏輯地址)。為了確保新的邏輯地址值還沒有被使用,控制器可以在電力線上發送一個ping消息。如果收到響應,再嘗試新的地址,直到沒有響應為止。

圖2顯示了兩個可用燈具的整合順序,用戶決定只整合第一個燈具。一旦整合完成後,控制器就可以開始發送顏色資訊去控制燈具了。

圖2:照明裝置的發現和整合。
圖2:照明裝置的發現和整合。

實際應用挑戰

電力線通訊面臨的常見挑戰有:燈具不能接收控制器發出的消息;燈具被錯誤的控制器控制。

如果燈具不能接收控制器發出的消息,那麼通常是以下三種原因之一:1)電力線上有太大的雜訊,2)控制器和接收器在電力線上不同相,3)接收器和控制器之間的距離太遠。如果電力線上雜訊太大(例如有吸塵器、大功率電器等),建議使系統遠離雜訊源。如果控制器和接收器不同相,用戶應嘗試行動其中一個,使他們同相。

如果不能這樣做,可以使用相位耦合器在不同相位上橋接電力線通訊訊號。這種耦合可以透過一個大電容或無線連接實現。如果接收器和控制器之間的距離太遠,可以使用中斷器重傳訊號直到它們抵達要求的目標。一些實現將中繼器和燈具一起做在同一設備上,因此不會產生額外的成本。

由於同一電力線匯流排上可能有多個控制器,因此有可能出現燈具被錯誤的控制器控制的情況。這種情況產生的原因有許多,與地址分配和整合機制有關。如果地址是人工分配的,那麼有可能兩個燈具分配到了相同的地址。這是由於用戶忘了他們已經用過這個地址,或者別的人(例如共享相同電力線的鄰居)分配了相同的地址。

如果採用上述智慧地址分配和整合方法,所有地址都是唯一的64位元實體地址,那麼這種錯誤是不可能產生的。如果在智慧地址分配中使用8位元的邏輯地址,控制器將透過ping網路確保不會分配已經在用的地址。即使使用了智慧地址分配和整合方法,也有可能出現不同的控制器整合到非目標燈具(例如鄰居整合到了一個用戶剛插入的燈具)。在這種情況下,燈具上應該有一個按鈕能強制該燈具從控制器退出整合狀態,使它能再次自由地整合到正確的控制器。

顏色控制

顏色資訊通常採用兩種形式中的一種:CIE顏色坐標系或直接LED調光值。直接LED調光值包含對每個LED強度都有一個獨立值。例如,如果有紅、綠和藍3個LED,那麼就有3種調光值。CIE坐標系是兩維的,可以表示色譜中任何一種可用的顏色。與強度(光通量)一起,CIE坐標可以混合成直接LED調光值,取決於元件以及所用LED的封裝資訊。例如,兩個紅色LED可以發射出深淺稍有不同的紅光。顏色混合演算法將考慮這種因素,以便產生的顏色能真正代表要求的顏色。

透過電力線傳送的顏色資訊類型與用戶輸入、顏色控制精密度等級以及實現成本有關。如果用戶的輸入是直接LED控制,那麼直接LED調光值將被發送出去。如果用戶的輸入是一種特定的顏色和強度,那麼資訊類型取決於顏色混合執行的位置。如果顏色混合在接收器完成,CIE坐標和強度將被發送出去。

這是典型的選擇,因為LED封裝資訊一般儲存在燈具中,然而,在使用PLC後,每個燈具可以向控制器發送唯一的LED封裝資訊,控制器隨即將這些資訊儲存下來,並在執行顏色混合時加載這些資訊。最終控制器將發送直接LED調光值。

先進顏色控制

既然控制器更加先進,顏色控制也可以做得更加先進,而不只是一次向一個燈具發送直接顏色。佈景、淡入淡出和排序是一些有趣的例子。在佈置場景時,可以給多個燈具分配特定的顏色,這樣只需觸控一下按鈕,多個燈具就可以發射出不同顏色和強度的光(例如顏色梯度)。在淡入淡出時,燈具可以被告知在規定時間內轉換到下一種顏色。在排序應用中,多個燈具能以同步方式改變顏色(例如照明顯示器,情緒照明等)。

控制器的實現

電力線通訊收發器一般是一種低壓直流供電的IC。為了將這個元件連接到電力線,需要一個功放和耦合電路。耦合電路可以經修改支援要求的電壓範圍(例如適合全球家庭應用的110-240VAC,用於水池燈飾的24VDC等),因此同一種電力線收發器IC可以用於任何要求的電力線電壓範圍。

控制器實現可以採取不同的方式,取決於可用的實體面積和需要的控制等級。對於基本的牆體開關安裝方式,照明控制介面可以是一個簡單的通斷開關、一個調光器或多個調光器,可單獨控制燈具的顏色。另外,至少有一個按鈕用於可用燈具的索引,一個按鈕用於整合到節點。LED指示燈也很有用,可顯示燈具的狀態(可用或已整合)。

通常需要用一個微控制器來處理這些輸入資訊,並連接電力線收發器。例如,利用Cypress公司的電力線通訊技術,微控制器和電力線收發器可以整合在一起,由一個元件透過電力線通訊完成輸入處理、智慧整合和高級顏色控制。

代替傳統機械式按鈕、開關和調光器的創新方法是使用電容觸控感測技術。採用這種技術後,控制器面板可以是一個平面,並用貼花紙顯示控制介面。當用戶觸控面板上的某個位置時,控制器將這種觸控翻譯為按鈕壓下、開關觸發或調光變化,具體功能與手指位置有關。這種方法給用戶提供了圓滑、清潔和耐用的介面進行燈具控制。

電容觸控技術可以透過提供二維控制實現更好的體驗。例如,控制器可以檢測手指觸控點的x和y坐標,並轉換成CIE顏色坐標系。電容觸控技術還能方便地用於顏色控制,面板可以做成一個色板,用戶只需用手指按一下就可以改變到任何顏色。

對於更複雜的照明控制(比如中央家庭自動化系統),控制器可以在PC上執行。此時的介面將是圖形用戶介面(GUI)。GUI可以向用戶顯示家裡的所有可用燈具,並允許用戶執行更先進的顏色控制方案。PC可以透過USB或無線連接到電力線收發器。圖3為一個可行的控制器實現範例。

圖3:照明控制器的實現。
圖3:照明控制器的實現。

由於燈具上不要求使用用戶介面,所以一般使用嵌入式微控制器處理收到的消息和進行LED顏色控制。借助Cypress的電力線通訊和高亮度LED控制技術,電力線收發器和精密LED顏色控制器可被整合在一個元件中。只需外加LED驅動器就可以設置LED顏色了。另外,利用Cypress PowerPSoC技術,精密LED顏色控制器和LED驅動器也可以整合在一個元件中,這樣可以方便地透過I2C介面連接電力線收發器。

電力線通訊技術非常適合用來執行複雜的LED照明控制,而且安裝成本低,無需鋪設新的纜線。用戶可以使用傳統的牆體開關/調光器、電容觸控感測螢幕或PC控制LED燈具的顏色、亮度、光線變化或佈景。





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