利用供电线通讯实施的LED照明控制

1　引言
   　　LED照明设备能容易提供丰富鲜艳的色彩，即同样的灯泡能给出暖白光、冷白光或光谱中的任意色彩，CFL灯目前却不能做到。LED 设备还可通过通信功能智能地执行诊断和自动功能执行更好的控制。考虑到所有照明设备都要连接供电线将电转换成光，所以许多制造商均转向将供电线通信 （PLC： Powerline Communication） 接口作为主要的通信与控制链接。
   　　2　电力线通讯
   　　众所周知，供电线是在全球建起的最大的铜质基础设施。房间或者办公室的每一个角落都有电源插座，形成了一个全封闭的网络；任何信息的链接通讯，从基本的颜色、亮度到更复杂的信息，如背景（不同设备预设的色彩图案）和幻变（不同彩色间的转化过渡），不再需要新的线路。另外，按照先进灯具设备研发与源自用户的抽象绑定机制，便可构建某种PLC使能的照明控制网络而毋需记存单个号码或冒意外将邻居照明光关闭的风险。
   　　供电线网络采用的是具有高度重置性和可由单个控制器控制超过一个以上设备能力的总线拓扑。控制器能管理某个房间，甚至整栋住宅中的所有灯光。此外，这种总线拓扑还能使多个控制器同时控制某一个照明设备。以这种方式，某个房间里的照明设备就能从另一个房间控制（例如：卧室能关闭住宅里的所有灯光）。这种拓扑也能使控制器保持对网络中所有设备状态的跟踪，并起到像脊柱一样扩展性与设备的即插即用，任何新的照明设备，无论其在何处都能立刻成为网络的一部分。
   　　图1为几种不同照明控制架构的比较。传统照明系统许可对一盏灯单独控制，而建立在总线拓扑架构上的标准则能够实现多盏灯的独立控制。注意到尽管数字可寻址照明接口（DALI）和DMX512协议可以实现由单个控制器对多盏灯的独立控制，但需铺设额外的控制线路。
   
   图1  照明控制架构
           3　控制器和照明设备的绑定
   　　如图所示，传统照明应有为独立控制每盏灯专用的电缆布线，但对总线拓扑而言，此电缆却由多盏灯所共享，意味着控制器发送的信号能被所有照明设备接收。为了区分不同的灯具设备，控制器需分别与每个照明设备“绑定”并给于分配一个唯一的地址。譬如，考虑灯具A分配的地址为1，灯具B分配的地址为2。如果控制器发送带有目的地址1的讯息，则这个讯息只能被灯具A处理，不能被灯具B处理。同样的，如果发送的是带目的地址2的讯息，那么该讯息只能被灯具B处理。
   　　老式的系统要求用户给每盏灯手动分配地址（例如使用双列直插式开关或旋转拨盘），然后在控制器上选择该地址。不过，此方法有如下缺点：⑴ 设置花费额外时间；⑵ 用户须仔细为每个设备分配唯一的地址和 ⑶ 若由单个控制器控制多盏灯的话，用户必须记住每盏灯的地址数。更复杂的方法是令控制器 （而不是用户） 承担发现网络上的新灯具、 标识网络上的可用地址、分配地址和为绑定和控制单个（或多个）灯具提供易用的接口。为发现某个新灯具正在网络中，该灯具需发送一个允许访问信号。信号最好通过广播方式发送，以使网络中所有的控制器都可知晓新灯具。当某个控制器收到此信号时，即能向用户通报新灯具可用。用户如果决定对该灯具作出控制，控制器则便向此灯具发送绑定请求信息。该灯具若仍可绑定，将发送应答信号，否则发出拒收信号。灯具绑定后，只处理来自与其绑定控制器地址发出的消息。
   　　还有一个尚待解决的问题是当灯具还未分配地址时，绑定请求消息如何接收？该问题不难通过给每个灯具分配唯一的64位地址（类似于MAC地址或物理地址）给以解决。于是，当新灯具首次播送其可被访问信息的时，内中也包含了该唯一的地址信息，而控制器则应能向其发送直接的绑定信号。
   　　由于对正常色彩控制信号的发送来说， 64位的地址信号乃相当之长，故控制器可给与之绑定后的灯具分配较短的8位地址（称之为逻辑地址）。直到未收到响应。为确保新的逻辑地址未被使用，控制器会在电力线上发出声响信号并等待应答。如果控制器接收到应答，则尝试重新分配新地址，直到应答信号接收不到为止。
   　　图2所示为用户决定在两个有效灯具间决定选用第一个灯具绑定的过程。一旦绑定完成，控制器便开始发送控制该灯具彩色的信息。
   
   图2  灯具绑定的过程
   　　 4　现实世界的挑战
   
   　　目前对电力线通讯的基本考验是：
   　　⑴  设备接收不到控制器的信号；
   　　⑵  设备受不正确的控制器控制。
   　　设备接收不到控制器的信号，通常由如下三个缘由之一造成：
   　　（1）电力线的噪声太多；
   　　（2）控制器和接收器所处的电力线相位不同；
   　　（3）接收器和控制器间的距离太远。
   　　线路中如果噪声太多，建议控制系统远离噪声源。若控制器和接收器不同相，用户应尝试移动控制器或接收器使之同相。假如这样仍不能实现同相，则可以采用桥接电力线交叉相位间通讯信号的相位耦合器。相位耦合器能通过大电容或无线连接实现。如果接收器和控制器间的距离太大，则有实现信号转发，直至号抵达预定目标的转发器可用。有些装置集转发器和灯具于一体，故无需支付额外的费用。
   　　因在同一电力线总线中可存在多个控制器，故某个灯具有被不正确控制器控制的可能。发生这种情况原因很多，取决于地址分配和绑定机制。地址如果是手动分配的话，有可能两个灯具被分配了同一个地址。这也许是由于用户忘了已将该地址用于某个设备或其它原因（如电力线与邻居共享）分配了同样的地址。
   　　根据先前描述的智能地址分配和绑定，因所有地址均系唯一的64位物理地址，故上述错误应该不会发生。智能地址分配时，如果用到的逻辑地址是8位，为确保已经使用的地址未被再次分配，控制器将向整个网络发送声响讯号。不过即便对智能地址分配和绑定而言，不同控制器绑定的灯具并非想要绑定的灯具的情况可能依然出现（例如，邻居绑定的恰好是用户刚插上电源的灯具）。这种情况下，灯具上一个起强制灯具退出与控制器绑定的按钮应能生效，使该灯具解除约束并与正确的控制器绑定。
   5　色彩控制
   　　色彩信息采用的典型形式是CIE色彩坐标和LED接直调光值两种形式之一。LED直接调光值包含了每个LED亮度的独立数值。譬如，若有红、绿、蓝三个LED，则其调光值就有3个。CIE坐标为一种能描绘光谱中任何有效色彩的二维坐标。根据所用LED元件及其承载信息，CIE坐标随亮度 （光通量）被混合进LED的直接调光值。例如，2个红色LED发出的可能是阴影稍有不同的红色，色彩混和算法须将此考虑在内，才能产生可精确表达期待色彩的颜色。
   　　整个电力线上传输的色彩信号类型决定于用户输入，色彩控制精度的等级和实施成本。用户输入如果是直接的LED控制，则传输的便是LED的直接调光值。用户输入如果是特定的色彩和亮度，则信息类型取决于何处执行色彩混和。若混和色彩在接收端执行的话，那么传输的类型就是CIE坐标值和亮度值。
   　　因为LED承载的信息通常由灯具存储，故随着电力线通信控制技术的发展，典型的选择是实现让每个灯具将自己唯一的承载信息发送给能存储这些信息以及加载执行色彩混和信息的控制器，该控制器则能发送LED的直接调光值。
   　　6　高级色彩控制
   　　现在，控制器已更先进，色彩的控制亦比每次仅仅只给一盏LED灯直接发送色彩信号更高级。其中重要的实例有背景效果、色彩幻变和指令定序。背景效果指的是给不同的灯指派特定的色彩，以使通过按钮触摸便能开启多盏灯不同颜色彩和亮度的灯构成颜色缓变的背景；色彩幻变指的是规定灯具指定的时间间隔周期内从一种颜色渐变到另一种颜色；指令定序则指使多盏灯以同步的方式改变照明显示屏和照明格调等的颜色。
   　　7　具体实施
   　　实施电力线通讯需要采用电力线通讯收发器，它是一款典型的低压、直流集成芯片。为与电力线接口，还须配备功率放大器和耦合电路。耦合电路可作更动以以适用不同电压范围要求（例如，交流110－240伏特适合全球住宅使用，直流24伏特适合电池组照明使用等），故同一款电力线收发器芯片可在任何可能的供电电压范围内应用。
   　　根据可利用的物理空间和所需要的控制等级，控制器的实现亦可采取不同形式。对基本的墙面开关而言，照明控制接口可能就是一只简单的通断开关、一个或多个用于独立控制灯具色彩的调光器。另外，至少应该有一个按钮用来检索所有可用灯具以及一个按钮来绑定网络节点，且均采用LED有效显示其状态（可用或绑定）。
   　　所有输入和与电力线通讯收发器的接口，典型地都将使用微处理器来处理。譬如赛普拉斯通讯技术公司（Cypress Powerline Communication technology）就将微处理器和电力线通讯收发器整合在一起，所以输入处理、智能绑定、高级色彩控制和电力线通讯都由一个器件执行。
   　　使用电容性触摸屏取代笨拙的机械按钮、 开关和调光器是一种创新。使用电容式触摸传感技术，控制器面板则可制成印花显示控制接口的平坦的表面。当用户触摸面板上某个位置，控制器即认为某个按钮受到按压、于是根据手指的位置，便会发生开关切换或调光器改变，从而为用户呈现一种时尚、 洁净及健全的灯具控制界面。电容性触摸方式还能进而提供二维控制。例如，控制器能检测到手指触摸处的X和Y轴坐标并将其转换成CIE色彩坐标。在可能是控制面板上某个色域处，这是个简单的色彩控制方式，用户只须用手指触按能任意改变色彩。
   　　更复杂的照明控制（例如家庭中央自动化系统），控制器可在 PC 上运行。此时，控制界面应是某种图形用户界面（GUI）应用。它应显示用户家里所有可用的设备，并允许用户执行更高级的色彩控制方案。PC通过USB或无线与电力线收发器对接。图3所示为一种可能实施方案。
   
   图3： 照明控制器实施方案
   　　由于灯具上并不要求有用户界面，故通常采用嵌入式微处理器处理接收到的信息和执行LED色彩控制。赛普拉斯公司以其电力线通讯和高亮度LED控制技术，已将电力线收发器和精密LED色彩控制器集成为单个器件。设定LED的色彩需要的只是外部LED驱动。另外，以赛普拉斯公司的 PowerPSoC 技术，精密的 LED 颜色控制器和 LED 驱动器也已集成为单个器件，通过I2C接口能方便电力线收发器对接。
   　　总之，电力线通讯是一种无需铺设新电缆和构建成本低，非常适合于执行复杂 LED 照明控制的技术。