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成熟技術(shù)?Future專(zhuān)家解答關(guān)于照明控制網(wǎng)絡(luò)中RF和電力線(xiàn)通信的疑問(wèn)

發(fā)布時(shí)間:2012-06-13 來(lái)源:Future Electronics

中心議題:
  • 為什么傳統(tǒng)照明接口已過(guò)時(shí)
  • 如何消除獨(dú)立控制布線(xiàn)
  • 無(wú)線(xiàn)照明控制
  • 共享電源布線(xiàn)

電子設(shè)備是如今市場(chǎng)上推出的幾乎每個(gè)光源或燈具的組成部分。 電源管理、開(kāi)關(guān)和調(diào)光控制、混色、系統(tǒng)監(jiān)控以及用戶(hù)界面中都使用電子電路。 電子鎮(zhèn)流器中也使用數(shù)字和模擬集成電路,這些鎮(zhèn)流器用于高強(qiáng)度放電燈、節(jié)能燈、LED 照明、白熾燈調(diào)光器和控制設(shè)備。

為了巧妙地使用燈內(nèi)電子產(chǎn)品,使其能夠執(zhí)行除簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)切換之外的其它任務(wù),需要用一個(gè)接口在各設(shè)備(如燈具和傳感器)之間進(jìn)行通信,并配置一個(gè)控制器。 當(dāng)前正提倡使用不需專(zhuān)用布線(xiàn)的新接口,因此價(jià)格更低,更易于安裝。 但是目前它們做好實(shí)施準(zhǔn)備了嗎?

為什么傳統(tǒng)照明接口已過(guò)時(shí)

照明燈具調(diào)光控制實(shí)施中最容易的一種方式是采用傳統(tǒng)的0V 至 10V 協(xié)議。 這項(xiàng)簡(jiǎn)單技術(shù)易于實(shí)施,但有其缺點(diǎn)。

首先,必須分別控制每個(gè)光源。 在包含許多燈泡的系統(tǒng)中,這需要使用大量線(xiàn)纜。

其次,該協(xié)議只支持單向通信,且只支持調(diào)光 - 系統(tǒng)不能獲得燈泡相關(guān)信息。 為解決這些不足,開(kāi)發(fā)出了照明用數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù):首先是 DMX512A-RDM,其使用菊花鏈在一根總線(xiàn)上連接多達(dá) 512 個(gè)設(shè)備,且為雙向通信。 同樣,數(shù)字式可尋址照明接口 (DALI) 支持最多 64 個(gè)設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò),每個(gè)設(shè)備都有個(gè)別地址和組地址。 廣播信息能控制場(chǎng)景或光源組。

DALI 提供的數(shù)據(jù)速率為 1200baud,而 DMX512A 提供的為 250kbaud。 然而 DALI 適用于建筑物(需要光源數(shù)字管理)中使用的照明系統(tǒng),如現(xiàn)代化的辦公樓和酒店,或需要監(jiān)控功能的地方。 DMX512A 是專(zhuān)業(yè)照明環(huán)境的理想選擇。

但是 DALI 和 DMX512A 網(wǎng)絡(luò)都仍然需要將它們自己的布線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施與電源隔開(kāi)。 這使照明設(shè)施成本顯著增加。 在已經(jīng)布有電力線(xiàn)(電力線(xiàn)靠近照明設(shè)備布線(xiàn))的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上增加控制布線(xiàn)可能并不可行。

這樣就出現(xiàn)了推出不需任何其它布線(xiàn)的照明控制協(xié)議的熱切期待。

如何消除獨(dú)立控制布線(xiàn)

傳統(tǒng)照明配線(xiàn)接口技術(shù)成熟,是針對(duì)其預(yù)期應(yīng)用的久經(jīng)考驗(yàn)的解決方案:調(diào)光、舞臺(tái)照明以及大型建筑中的照明管理。

但是它們的局限性使它們?cè)谟行┉h(huán)境中并不適用:

? 如前文中提及的已經(jīng)有電線(xiàn)但沒(méi)有控制布線(xiàn)的地方。
? 要求只通過(guò)一個(gè)控制點(diǎn)操作大量燈的地方。
? 需要以高數(shù)據(jù)速率進(jìn)行雙向通信的地方,例如從溫度傳感器或光線(xiàn)傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)。
? 需要混色的地方

當(dāng)前看似可獲得商業(yè)支持的兩項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)提供答案:無(wú)線(xiàn)通信,采用無(wú)許可證的 ISM 頻率波段;電線(xiàn)通信,在現(xiàn)有主電源布線(xiàn)上實(shí)施。

但是照明業(yè)界真準(zhǔn)備采用該技術(shù)了嗎?

無(wú)線(xiàn)照明控制


無(wú)線(xiàn)照明網(wǎng)絡(luò)的特定操作要求如何? 其必須:

? 支持長(zhǎng)距離范圍內(nèi)的許多節(jié)點(diǎn)
? 運(yùn)行功率低,包括備用模式時(shí)的功率。 使用的無(wú)線(xiàn)開(kāi)關(guān)或傳感器未與主電源連接的系統(tǒng)尤其如此。
? 啟動(dòng)時(shí)快速連接設(shè)備
? 照明設(shè)備總成本基本不增加
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兩種最有名的無(wú)線(xiàn)協(xié)議(Bluetooth 和 WiFi)都不符合這些要求。 它們提供的節(jié)點(diǎn)范圍及數(shù)量有限,并且電流消耗過(guò)
多。 啟動(dòng)時(shí)需花很長(zhǎng)時(shí)間連接設(shè)備。

幸運(yùn)的是,有多種可供選擇的其他 RF 協(xié)議,每個(gè)都有自己的長(zhǎng)處和不足。 照明控制設(shè)備制造商肯定將能夠找到符合上述要求,并且將在預(yù)期應(yīng)用條件下運(yùn)行的一種協(xié)議。

基本上共有兩類(lèi)應(yīng)用,每類(lèi)都需要不同的工作條件:室外照明和室內(nèi)照明。 對(duì)于像路燈之類(lèi)的室外應(yīng)用,該協(xié)議必須在節(jié)點(diǎn)之間提供很長(zhǎng)的距離,同時(shí)支持細(xì)長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)。

室內(nèi)應(yīng)用中,節(jié)點(diǎn)彼此距離很近,它們之間的工作范圍不重要。 但是無(wú)線(xiàn)電協(xié)議應(yīng)能夠形成一種樹(shù)狀或網(wǎng)狀拓?fù)洌ㄒ?jiàn)圖1)。 從而允許對(duì)網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)范圍進(jìn)行擴(kuò)充,而各個(gè)節(jié)點(diǎn)都有效地發(fā)揮中繼器的作用。
網(wǎng)狀拓?fù)涓鼜?fù)雜,它為信號(hào)提供多條通道,并與網(wǎng)狀協(xié)議中經(jīng)常出現(xiàn)的自修復(fù)功能協(xié)同工作,因而即使有些網(wǎng)點(diǎn)出現(xiàn)故障也能使網(wǎng)絡(luò)保持運(yùn)行狀態(tài)。 而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)管理相對(duì)復(fù)雜些,因而消耗的處理器資源更多;因此發(fā)現(xiàn)更簡(jiǎn)單的樹(shù)狀拓?fù)渫ǔ8m合于照明控制網(wǎng)絡(luò)。

節(jié)點(diǎn)之間的范圍主要取決于發(fā)送功率、接收靈敏度、頻率和傳遞條件。 所有其它條件都相同的情況下,頻率較低(<1GHz) 的系統(tǒng)的范圍更大,穿透磚石和其他障礙的能力更強(qiáng),但會(huì)消耗更多的電力。 2.4GHz 系統(tǒng)提供的優(yōu)點(diǎn)相反:尺寸更小、功耗更低、數(shù)據(jù)速率更高并且網(wǎng)絡(luò)管理速度更快。

然而,照明控制設(shè)備制造商評(píng)估 RF 技術(shù)時(shí)需要考慮各種因素:

? 協(xié)議特點(diǎn)、拓?fù)?v 復(fù)雜性的選擇,以及處理器資源上的漏電。
? 頻率 v 范圍,以及功率消耗

決定了這些高級(jí)要求后,設(shè)備設(shè)計(jì)人員必須具體考慮采用哪種協(xié)議。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)是最流行的且符合照明網(wǎng)絡(luò)要求的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型。 主要規(guī)格包括:以 sub-GHz 和 2.4GHz 頻率運(yùn)行;數(shù)據(jù)速率高達(dá) 250kbits/s;范圍 100m(露天,功率 0dBm ,頻率 2.4GHz);并且支持樹(shù)狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

IC 和模塊中都提供有 ZigBee 解決方案(見(jiàn)表1)。 商業(yè)使用本規(guī)范不收取費(fèi)用 - 制造商必須屬于 ZigBee 聯(lián)盟,最終產(chǎn)品必須
經(jīng)過(guò)認(rèn)證,并保證來(lái)自不同供應(yīng)商的設(shè)備可互操作。可從照明控制參考設(shè)計(jì)開(kāi)始,加快開(kāi)發(fā)過(guò)程。 FreescaleSemiconductor 和 Future Electronics 可提供特別有用的開(kāi)發(fā)板:

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? Freescale 的照明參考設(shè)計(jì)支持 DALI 和 DMX512-A/RDM協(xié)議,并通過(guò)一塊單獨(dú)的通信板為 ZigBee 提供支持。這個(gè)接口連接到 Tower 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)內(nèi)的 Kinetis MCU主板。

? Future Electronics 的無(wú)線(xiàn)照明和控制參考設(shè)計(jì)可在802.15.4 網(wǎng)絡(luò)上實(shí)施對(duì)紅色、綠色、藍(lán)色和白色 LED 的無(wú)線(xiàn)控制。 該套件包含一個(gè)控制器板、幾個(gè)遠(yuǎn)程燈板和一些收發(fā)器板。

使用芯片制造商開(kāi)發(fā)的專(zhuān)有協(xié)議可免去 ZigBee 許可證費(fèi)(見(jiàn)表 2)。 NXP 提供 JenNet 協(xié)議,該協(xié)議在 2.4GHz 波段內(nèi)運(yùn)行,能組建樹(shù)狀、星狀和線(xiàn)性自修復(fù)網(wǎng)絡(luò),最高包含500 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 Microchip 的免費(fèi) MiWi 堆棧同時(shí)以 sub-GHz和 2.4GHz 兩種頻率,在 PIC 微控制器和 Microchip 收發(fā)器上運(yùn)行。

共享電源布線(xiàn)

實(shí)施復(fù)雜照明控制網(wǎng)絡(luò)(無(wú)專(zhuān)用控制網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn))的另一種方法是采用電力線(xiàn)通信 (PLC),其可托管在電源布線(xiàn)上。公用事業(yè)公司已經(jīng)開(kāi)創(chuàng)了 PLC 的使用,它提供一種在電網(wǎng)上訪(fǎng)問(wèn)電表和其它器具的方法。 但是 PLC 也可用于在建筑內(nèi)提供低數(shù)據(jù)速率通信,由此控制主電源上連接的燈具。

該技術(shù)的范圍取決于所用調(diào)制方案、線(xiàn)路阻抗和噪聲,但是極有可能當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間距離太大、或者條件對(duì)于無(wú)線(xiàn)信號(hào)而言過(guò)于惡劣時(shí)才值得對(duì) PLC 進(jìn)行評(píng)估(例如有金屬墻的建筑)。

照明業(yè)界采用 PLC 的最大障礙是沒(méi)有普遍接受的、用于照明控制或家庭自動(dòng)化的 PLC 規(guī)格。 最流行的標(biāo)準(zhǔn)是 KNX,它能將電力線(xiàn)以及其它介質(zhì)用于家庭和建筑自動(dòng)化功能;但局限于 1.2kbits/s 以下的數(shù)據(jù)速率。

或者,照明控制設(shè)備制造商可采用由 PLC 調(diào)制解調(diào)器和芯片系統(tǒng) (SoC) 制造商開(kāi)發(fā)的技術(shù)。 例如,Yitran 公司的 IT700調(diào)制解調(diào)器采用高級(jí) DCSK 調(diào)制,可提供速度高達(dá) 7.5kbits/s的穩(wěn)定通信,另還為命令和控制應(yīng)用采用其 Y-Net 協(xié)議堆棧。

Microchip 基于其 dsPIC33F 系列微控制器推出一種 PLC 軟調(diào)制解調(diào)器參考設(shè)計(jì),可提供高達(dá) 7.2kbits/s 的數(shù)據(jù)速率。Cypress Semiconductor 也推出一系列 PLC 設(shè)備,它們都將Cypress 的電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧集成在作為 PHY 的同一設(shè)備上。

結(jié)論

由于為了支持 DALI 及其它已確立的照明控制標(biāo)準(zhǔn)而安裝并行布線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施需要很高成本,因此目前不需任何附加布線(xiàn)的備選方案進(jìn)入主流市場(chǎng)的時(shí)機(jī)已經(jīng)來(lái)臨。

對(duì)于創(chuàng)新型照明設(shè)備制造商而言,PLC 仍然正處于開(kāi)發(fā)階段時(shí),是一次占據(jù)市場(chǎng)份額的機(jī)遇。 相反,RF 技術(shù)已經(jīng)在建筑自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用,其提供的數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)明顯足以滿(mǎn)足照明控制應(yīng)用的要求。

照明規(guī)格制定機(jī)構(gòu)寄望于實(shí)施更多控制應(yīng)用,以改進(jìn)用戶(hù)體驗(yàn)并降低能量消耗,這使制造商也從中受益,制造商們能讓終端用戶(hù)相信 RF 鏈接在完全安裝時(shí)將會(huì)非常穩(wěn)定。
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