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通过电力线通信(PLC)控制LED照明系统

钜大LARGE  |  点击量:292次  |  2019年08月06日  

摘要
LED照明不断成功地在500亿美元照明市场中开拓出越来越大的天地,这也丝毫不令人奇怪,因为与CFL(荧光灯)和白炽灯相比,LED可以提供最佳能效。然而,LED灯... 关键字:LED照明 CFL LED灯具 电力线网络 控制器 LED照明系统。

LED照明不断成功地在500亿美元照明市场中开拓出越来越大的天地,这也丝毫不令人奇怪,因为与CFL(荧光灯)和白炽灯相比,LED可以提供最佳能效。然而,LED灯具制造成本很高,原因是高成本的LED和散热设计。除了要在节能方面与CFL竞争外,LED照明制造商还要通过提供比CFL竞争产品更先进的功能来实现LED产品的差异化。


例如,LED灯具能够很容易提供颜色保持,即同一LED灯可以发出暖白光或冷白光,或色谱里的任何颜色。CFL目前还做不到这一点。借助通信功能还可以使LED灯具变得更加智能,并实现更好的控制、诊断和自动化功能。鉴于所有照明灯具都要连接电力线将电能转换成光能,许多制造商希望能把电力线通信(PLC)接口用作主要的通信和控制链路。


电力线通信


电力线组成了世界上最大的铜线基础设施。家庭或办公大楼的每个角落都有电源插座,因此电力线是一种全包围网络。不需要新建任何电线就可以实现从基本颜色和亮度信息到诸如颜色布景(不同灯具的预定义颜色图案)和淡入淡出(颜色之间的转换)等更复杂信息的通信。另外,利用从用户那儿抽象出来的高级灯具发现和绑定机制,无需记住一个号码或冒意外关闭邻居电灯的风险就可以建立一个具有PLC功能的灯光控制网络。


电力线网络采用总线拓扑结构,可提供高度可配置能力,能够从一个控制器完成对多个设备的控制。这种控制器可以管理房间内的所有灯具,甚至家里的所有灯具。此外,总线拓扑还允许多个控制器控制一个灯具。这样,一个房间内的灯具可以受其它房间控制(例如从卧室关闭所有家里的灯)。这种拓扑还允许控制器一直跟踪网络上的所有设备,并用作骨干服务器实现可扩展性和即插即用安装,任何新的灯具可以立即成为网络的一部分。


传统照明架构允许独立地控制某个灯,而建立在总线拓扑上的标准支持独立地控制多个灯。请注意,虽然DALI和DMX512可以从一个控制器独立地控制多个灯,但DALI和DMX512都要求安装额外的控制线。


传统照明架构有专门的线用于独立地控制每个灯泡。在总线拓扑情况下,这些线被多个灯泡共享,这意味着控制器发出的信号将被所有灯具收到。为了区别不同的灯,控制器要和每个灯具单独绑定,并给每个灯具分配一个唯一的地址。


例如,假设灯具A的地址为1,灯具B的地址为2。如果控制器发送一个目标地址为1的消息,那么这个消息只有灯具A才会处理,灯具B是不会处理的。同样,如果消息发送时使用的目标地址是2,那么这个消息只有灯具B才会处理。来具会处理的。同样,如果消息发送时使用的是地址,这些线被多个灯具


早前的系统要求用户人工给每个灯分配地址(比如使用DIP开关或拨号盘),然后在控制器上选择那个地址。然而,这种方法有不少缺点:1)设置需要花费额外的时间;2)用户必须十分小心地给每个设备分配一个唯一地址;3)如果从一个控制器控制多个灯,用户必须记住每个灯的地址号。现在的方法更加复杂和成熟:先是让控制器(而不是用户)负责发现网络上新安装的灯具,然后找一个网络上的空闲地址,将该地址分配给这个灯具,最后提供一个易用的界面用于绑定和控制单个(或多个)灯具。


为了发现网络上有新的灯具出现,灯具需要自己发送一个可用的信号。这最好用广播消息的方式实现,以便网络上的所有控制器都能知晓这个新灯具。当控制器收到消息时,它能提醒用户新灯具的加入。如果用户决定控制这个灯具,控制器将向该灯具发送一个请求绑定的消息。如果此时灯具仍然可以用于绑定,它将发送一个确认消息。如果不能绑定,它将发送拒绝消息。一旦绑定后,这个灯具就只处理从绑定它的控制器地址收到的消息。


当灯具还没有被分配地址时,灯具如何接收绑定消息请求仍是个问题。这个问题可以给每个灯具重新分配一个唯一的64位地址(如同MAC或物理地址一样)来解决。然后当灯具第一次广播自己可用时,它也可以在消息中包含其唯一的地址。接着控制器就可以直接向它发送消息进行绑定。


由于64位地址对发送正常的颜色控制消息来说太长了,控制器可以在完成灯具绑定后给灯具分配一个更短的8位地址(称为逻辑地址)。为了确保新的逻辑地址值还没有被使用,控制器可以在电力线上发送一个ping消息。如果收到响应,再尝试新的地址,直到没有响应为止。


两个可用灯具的绑定顺序,用户决定只绑定第一个灯具。一旦绑定完成后,控制器就可以开始发送颜色信息去控制灯具了。


电力线通信面临的常见挑战有:灯具不能接收控制器发出的消息;灯具被错误的控制器控制。


如果灯具不能接收控制器发出的消息,那么通常是以下三种原因之一:1)电力线上有太大的噪声,2)控制器和接收器在电力线上不同相,3)接收器和控制器之间的距离太远。如果电力线上噪声太大(例如有吸尘器、大功率电器等),建议使系统远离噪声源。如果控制器和接收器不同相,用户应尝试移动其中一个,使他们同相。


如果不能这样做,可以使用相位耦合器在不同相位上桥接电力线通信信号。这种耦合可以通过一个大电容或无线连接实现。如果接收器和控制器之间的距离太远,可以使用中断器重传信号直到它们抵达要求的目标。一些实现将中继器和灯具一起做在同一设备上,因此不会产生额外的成本。


由于同一电力线总线上可能有多个控制器,因此有可能出现灯具被错误的控制器控制的情况。这种情况发生的原因有许多,与地址分配和绑定机制有关。如果地址是人工分配的,那么有可能两个灯具分配到了相同的地址。这是由于用户忘了他们已经用过这个地址,或者别的人(例如共享相同电力线的邻居)分配了相同的地址。


如果采用上述智能地址分配和绑定方法,所有地址都是唯一的64位物理地址,那么这种错误是不可能发生的。如果在智能地址分配中使用8位的逻辑地址,控制器将通过ping网络确保不会分配已经在用的地址。即使使用了智能地址分配和绑定方法,也有可能出现不同的控制器绑定到非目标灯具(例如邻居绑定到了一个用户刚插入的灯具)。在这种情况下,灯具上应该有一个按钮能强制该灯具从控制器退出绑定状态,使它能再次自由地绑定到正确的控制器。


颜色控制


颜色信息通常采用两种形式中的一种:CIE颜色坐标系或直接LED调光值。直接LED调光值包含对每个LED强度都有一个独立值。例如,如果有红、绿和蓝3个LED,那么就有3种调光值。CIE坐标系是两维的,可以表示色谱中任何一种可用的颜色。与强度(光通量)一起,CIE坐标可以混合成直接LED调光值,取决于器件以及所用LED的封装信息。例如,两个红色LED可以发射出深浅稍有不同的红光。颜色混合算法将考虑这种因素,以便产生的颜色能真正代表要求的颜色。


通过电力线传送的颜色信息类型与用户输入、颜色控制精度等级以及实现成本有关。如果用户的输入是直接LED控制,那么直接LED调光值将被发送出去。如果用户的输入是一种特定的颜色和强度,那么信息类型取决于颜色混合执行的位置。如果颜色混合在接收器完成,CIE坐标和强度将被发送出去。


这是典型的选择,因为LED封装信息一般存储在灯具中,然而,在使用PLC后,每个灯具可以向控制器发送唯一的LED封装信息,控制器随即将这些信息存储下来,并在执行颜色混合时加载这些信息。最终控制器将发送直接LED调光值。


高级颜色控制


既然控制器更加先进,颜色控制也可以做得更加先进,而不只是一次向一个灯具发送直接颜色。布景、淡入淡出和排序是一些有趣的例子。在布置场景时,可以给多个灯具分配特定的颜色,这样只需触摸一下按钮,多个灯具就可以发射出不同颜色和强度的光(例如颜色梯度)。在淡入淡出时,灯具可以被告知在规定时间内转换到下一种颜色。在排序应用中,多个灯具能以同步方式改变颜色(例如照明显示器,情绪照明等)。


电力线通信收发器一般是一种低压直流供电的IC。为了将这个器件连接到电力线,需要一个功放和耦合电路。耦合电路可以经修改支持要求的电压范围(例如适合全球家庭应用的110-240VAC,用于水池灯饰的24VDC等),因此同一种电力线收发器IC可以用于任何要求的电力线电压范围。


控制器


实现可以采取不同的方式,取决于可用的物理面积和需要的控制等级。对于基本的墙体开关安装方式,照明控制界面可以是一个简单的通断开关、一个调光器或多个调光器,可单独控制灯具的颜色。另外,至少有一个按钮用于可用灯具的索引,一个按钮用于绑定到节点。LED指示灯也很有用,可显示灯具的状态(可用或已绑定)。


通常需要用一个微控制器来处理这些输入信息,并连接电力线收发器。例如,利用Cypress公司的电力线通信技术,微控制器和电力线收发器可以集成在一起,由一个器件通过电力线通信完成输入处理、智能绑定和高级颜色控制。


代替传统机械式按钮、开关和调光器的创新方法是使用电容触摸传感技术。采用这种技术后,控制器面板可以是一个平面,并用贴花纸显示控制界面。当用户触摸面板上的某个位置时,控制器将这种触摸翻译为按钮压下、开关触发或调光变化,具体功能与手指位置有关。这种方法给用户提供了圆滑、清洁和耐用的界面进行灯具控制。


电容触摸技术可以通过提供二维控制实现更好的体验。例如,控制器可以检测手指触摸点的x和y坐标,并转换成CIE颜色坐标系。电容触摸技术还能方便地用于颜色控制,面板可以做成一个色板,用户只需用手指按一下就可以改变到任何颜色。


对于更复杂的照明控制(比如中央家庭自动化系统),控制器可以在PC上运行。此时的界面将是图形用户界面(GUI)。GUI可以向用户显示家里的所有可用灯具,并允许用户执行更先进的颜色控制方案。PC可以通过USB或无线连接到电力线收发器。图3给出了一个可行的控制器实现例子。


由于灯具上不要求使用用户界面,所以一般使用嵌入式微控制器处理收到的消息和进行LED颜色控制。借助Cypress的电力线通信和高亮度LED控制技术,电力线收发器和精密LED颜色控制器可被集成在一个器件中。只需外加LED驱动器就可以设置LED颜色了。另外,利用Cypress PowerPSoC技术,精密LED颜色控制器和LED驱动器也可以集成在一个器件中,这样可以方便地通过I2C接口连接电力线收发器。


电力线通信技术非常适合用来执行复杂的LED照明控制,而且安装成本低,无需铺设新的线缆。用户可以使用传统的墙体开关/调光器、电容触摸传感屏或PC控制LED灯具的颜色、亮度、光线变化或布景。利用从用户那里抽象出来的高级灯具发现和绑定机制,无需记住一个号码或冒意外关闭邻居电灯的风险就可以建立具有PLC功能的照明控制网络。


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