引言

要問如今的照明市場誰是當之無愧的老大？要數(shù)LED照明了，它不斷地在照明市場中開拓出越來越大的天地。與CFL（熒光燈）和白熾燈相比，LED可以提供最佳能效。然而，LED燈具制造成本很高，原因是高成本的LED和散熱設計。除了要在節(jié)能方面與CFL競爭外，LED照明制造商還要通過提供比CFL競爭產(chǎn)品更先進的功能來實現(xiàn)LED產(chǎn)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(fā)出暖白光或冷白光，或色譜里的任何顏色。CFL目前還做不到這一點。借助通信功能還可以使LED燈具變得更加智能，并實現(xiàn)更好的控制、診斷和自動化功能。鑒于所有照明燈具都要連接電力線將電能轉(zhuǎn)換成光能，許多制造商希望能把電力線通信（PLC）接口用作主要的通信和控制鏈路。

1 、電力線通信

電力線組成了世界上最大的銅線基礎設施。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包圍網(wǎng)絡。不需要新建任何電線就可以實現(xiàn)從基本顏色和亮度信息到諸如顏色布景（不同燈具的預定義顏色圖案）和淡入淡出（顏色之間的轉(zhuǎn)換）等更復雜信息的通信。另外，利用從用戶那兒抽象出來的高級燈具發(fā)現(xiàn)和綁定機制，無需記住一個號碼或冒意外關閉鄰居電燈的風險就可以建立一個具有PLC功能的燈光控制網(wǎng)絡。

電力線網(wǎng)絡采用總線拓撲結構，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(nèi)的所有燈具，甚至家里的所有燈具。此外，總線拓撲還允許多個控制器控制一個燈具。這樣，一個房間內(nèi)的燈具可以受其它房間控制（例如從臥室關閉所有家里的燈）。這種拓撲還允許控制器一直跟蹤網(wǎng)絡上的所有設備，并用作骨干服務器實現(xiàn)可擴展性和“即插即用”安裝，任*的燈具可以立即成為網(wǎng)絡的一部分。

圖1

傳統(tǒng)照明架構允許獨立地控制某個燈，而建立在總線拓撲上的標準支持獨立地控制多個燈。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。

2 、將控制器綁定到燈具上

如圖2所示，傳統(tǒng)照明架構有專門的線用于獨立地控制每個燈泡。在總線拓撲情況下，這些線被多個燈泡共享，這意味著控制器發(fā)出的信號將被所有燈具收到。為了區(qū)別不同的燈，控制器要和每個燈具單獨綁定，并給每個燈具分配一個唯一的地址。

圖2：照明控制架構

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(fā)送一個目標地址為1的消息，那么這個消息只有燈具A才會處理，燈具B是不會處理的。同樣，如果消息發(fā)送時使用的目標地址是2，那么這個消息只有燈具B才會處理。來具會處理的。同樣，如果消息發(fā)送時使用的是地址，這些線被多個燈具

早前的系統(tǒng)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），然后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*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(xiàn)在的方法更加復雜和成熟：先是讓控制器（而不是用戶）負責發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡上新安裝的燈具，然后找一個網(wǎng)絡上的空閑地址，將該地址分配給這個燈具，最后提供一個易用的界面用于綁定和控制單個（或多個）燈具。

為了發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡上有新的燈具出現(xiàn)，燈具需要自己發(fā)送一個可用的信號。這最好用廣播消息的方式實現(xiàn)，以便網(wǎng)絡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(fā)送一個請求綁定的消息。如果此時燈具仍然可以用于綁定，它將發(fā)送一個確認消息。如果不能綁定，它將發(fā)送拒絕消息。一旦綁定后，這個燈具就只處理從綁定它的控制器地址收到的消息。

當燈具還沒有被分配地址時，燈具如何接收綁定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位地址（如同MAC或物理地址一樣）來解決。然后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(fā)送消息進行綁定。

由于64位地址對發(fā)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綁定后給燈具分配一個更短的8位地址（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(fā)送一個ping消息。如果收到響應，再嘗試新的地址，直到?jīng)]有響應為止。

圖3顯示了兩個可用燈具的綁定順序，用戶決定只綁定第一個燈具。一旦綁定完成后，控制器就可以開始發(fā)送顏色信息去控制燈具了。

圖3：照明裝置的發(fā)現(xiàn)和綁定

3、實際應用挑戰(zhàn)

電力線通信面臨的常見挑戰(zhàn)有：燈具不能接收控制器發(fā)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(fā)出的消息，那么通常是以下三種原因之一：1）電力線上有太大的噪聲，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。如果電力線上噪聲太大（例如有吸塵器、大功率電器等），建議使系統(tǒng)遠離噪聲源。如果控制器和接收器不同相，用戶應嘗試移動其中一個，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信信號。這種耦合可以通過一個大電容或無線連接實現(xiàn)。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信號直到它們抵達要求的目標。一些實現(xiàn)將中繼器和燈具一起做在同一設備上，因此不會產(chǎn)生額外的成本。

由于同一電力線總線上可能有多個控制器，因此有可能出現(xiàn)燈具被錯誤的控制器控制的情況。這種情況發(fā)生的原因有許多，與地址分配和綁定機制有關。如果地址是人工分配的，那么有可能兩個燈具分配到了相同的地址。這是由于用戶忘了他們已經(jīng)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。

如果采用上述智能地址分配和綁定方法，所有地址都是唯一的64位物理地址，那么這種錯誤是不可能發(fā)生的。如果在智能地址分配中使用8位的邏輯地址，控制器將通過ping網(wǎng)絡確保不會分配已經(jīng)在用的地址。即使使用了智能地址分配和綁定方法，也有可能出現(xiàn)不同的控制器綁定到非目標燈具（例如鄰居綁定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綁定狀態(tài)，使它能再次自由地綁定到正確的控制器。

4、顏色控制

顏色信息通常采用兩種形式中的一種：CIE顏色坐標系或直接LED調(diào)光值。直接LED調(diào)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，那么就有3種調(diào)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(diào)光值，取決于器件以及所用LED的封裝信息。例如，兩個紅色LED可以發(fā)射出深淺稍有不同的紅光。顏色混合算法將考慮這種因素，以便產(chǎn)生的顏色能真正代表要求的顏色。

通過電力線傳送的顏色信息類型與用戶輸入、顏色控制精度等級以及實現(xiàn)成本有關。如果用戶的輸入是直接LED控制，那么直接LED調(diào)光值將被發(fā)送出去。如果用戶的輸入是一種特定的顏色和強度，那么信息類型取決于顏色混合執(zhí)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(fā)送出去。

這是典型的選擇，因為LED封裝信息一般存儲在燈具中，然而，在使用PLC后，每個燈具可以向控制器發(fā)送唯一的LED封裝信息，控制器隨即將這些信息存儲下來，并在執(zhí)行顏色混合時加載這些信息。最終控制器將發(fā)送直接LED調(diào)光值。

5、高級顏色控制

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(fā)送直接顏色。布景、淡入淡出和排序是一些有趣的例子。在布置場景時，可以給多個燈具分配特定的顏色，這樣只需觸摸一下按鈕，多個燈具就可以發(fā)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(guī)定時間內(nèi)轉(zhuǎn)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）。

6、 控制器的實現(xiàn)

電力線通信收發(fā)器一般是一種低壓直流供電的IC。為了將這個器件連接到電力線，需要一個功放和耦合電路。耦合電路可以經(jīng)修改支持要求的電壓范圍（例如適合全球家庭應用的110－240VAC，用于水池燈飾的24VDC等），因此同一種電力線收發(fā)器IC可以用于任何要求的電力線電壓范圍。

控制器實現(xiàn)可以采取不同的方式，取決于可用的物理面積和需要的控制等級。對于基本的墻體開關安裝方式，照明控制界面可以是一個簡單的通斷開關、一個調(diào)光器或多個調(diào)光器，可單獨控制燈具的顏色。另外，至少有一個按鈕用于可用燈具的索引，一個按鈕用于綁定到節(jié)點。LED指示燈也很有用，可顯示燈具的狀態(tài)（可用或已綁定）。

通常需要用一個微控制器來處理這些輸入信息，并連接電力線收發(fā)器。例如，利用Cypress公司的電力線通信技術，微控制器和電力線收發(fā)器可以集成在一起，由一個器件通過電力線通信完成輸入處理、智能綁定和高級顏色控制。

代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械式按鈕、開關和調(diào)光器的創(chuàng)新方法是使用電容觸摸傳感技術。采用這種技術后，控制器面板可以是一個平面，并用貼*紙顯示控制界面。當用戶觸摸面板上的某個位置時，控制器將這種觸摸翻譯為按鈕壓下、開關觸發(fā)或調(diào)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、清潔和耐用的界面進行燈具控制。

電容觸摸技術可以通過提供二維控制實現(xiàn)更好的體驗。例如，控制器可以檢測手指觸摸點的x和y坐標，并轉(zhuǎn)換成CIE顏色坐標系。電容觸摸技術還能方便地用于顏色控制，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。

對于更復雜的照明控制（比如中央家庭自動化系統(tǒng)），控制器可以在PC上運行。此時的界面將是圖形用戶界面（GUI）。GUI可以向用戶顯示家里的所有可用燈具，并允許用戶執(zhí)行更先進的顏色控制方案。PC可以通過USB或無線連接到電力線收發(fā)器。圖4給出了一個可行的控制器實現(xiàn)例子。

圖4：照明控制器的實現(xiàn)

7 、結語

由于燈具上不要求使用用戶界面，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的電力線通信和高亮度LED控制技術，電力線收發(fā)器和精密LED顏色控制器可被集成在一個器件中。只需外加LED驅(qū)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(qū)動器也可以集成在一個器件中，這樣可以方便地通過I2C接口連接電力線收發(fā)器。

電力線通信技術非常適合用來執(zhí)行復雜的LED照明控制，而且安裝成本低，無需鋪設新的線纜。用戶可以使用傳統(tǒng)的墻體開關/調(diào)光器、電容觸摸傳感屏或PC控制LED燈具的顏色、亮度、光線變化或布景。利用從用戶那里抽象出來的高級燈具發(fā)現(xiàn)和綁定機制，無需記住一個號碼或冒意外關閉鄰居電燈的風險就可以建立具有PLC功能的照明控制網(wǎng)絡。