用于照明控制的通信協(xié)議

電子控制照明是我們可以減少全球能源消耗的最有效途徑之一。在美國，商業(yè)和住宅照明對能源的消耗占能源總產(chǎn)量的22%。在這方面可以實(shí)現大量的節約，特別是在大型商業(yè)應用中使用了燈光亮度可調的技術(shù)時(shí)，更是如此。

調光系統的應用需要通過(guò)通信接口將信息傳送給燈具。常用的一種方法是使用0～10V的模擬控制。但是，如果有很多燈具需要設置和管理，這種方法就不方便了。

數字照明控制

使用數字控制系統，通過(guò)將照明燈具包含在一個(gè)公共的、可尋址的網(wǎng)絡(luò )中，可以減輕某些模擬控制的復雜度。MCU技術(shù)低廉的價(jià)格使得在應用中嵌入一種數字協(xié)議變得非常簡(jiǎn)單。有許多種有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)的選擇可以使用在照明控制應用中。那么，選擇哪一種呢？

首先，設計人員要選擇協(xié)議的媒介――有線(xiàn)還是無(wú)線(xiàn)？如果選擇有線(xiàn)，那么我們應該使用雙絞線(xiàn)還是電力線(xiàn)？如果選擇無(wú)線(xiàn)，那么我們應該選擇哪個(gè)頻段？對于有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)的設備，最大的通信距離是多少？

此外還必須考慮協(xié)議的應用層。我們可以與多少部燈具進(jìn)行通信？有設計專(zhuān)門(mén)用于照明的指令集嗎？如何在網(wǎng)絡(luò )中添加或者刪除燈具，如何確定每部燈具的地址？在喪失通信或者供電中斷之后，每部燈具會(huì )做出怎樣的反應？照明安裝人員安裝和配置控制系統的難易程度如何？
可以使用已得到廣泛應用的協(xié)議，比如TCP/IP或者IEEE 802.11，但是需要傳送給每部燈具的數據量非常少而且不是頻繁出現。因而我們就需要不時(shí)地發(fā)送打開(kāi)、關(guān)閉或亮度信息。因此，明智的做法是選擇一種簡(jiǎn)單的協(xié)議來(lái)緩解對每臺燈具中MCU的要求。

因此，我們討論可能適用于照明控制的兩種協(xié)議，第一個(gè)是“數字可尋址照明接口（DALI）”，它定義在IEC60929規范中，后者定義了電子熒光鎮流器的性能規范。

DALI組網(wǎng)方法

DALI規范定義了一種恒定電流總線(xiàn)，它的最大電流是250mA，標稱(chēng)電壓是16V。每臺設備都通過(guò)使用光隔離器電路拉低總線(xiàn)電流（匯電流）的方法向總線(xiàn)發(fā)送數據。線(xiàn)路可以位于導線(xiàn)管的內部或者外部，而且連接是與極性無(wú)關(guān)的，這簡(jiǎn)化了安裝人員的操作。所有燈具的線(xiàn)路都使用星型或者菊花鏈型的連接接在一起，且使用不間斷交流電源為每部燈具供電。

DALI協(xié)議非常簡(jiǎn)單，但它有一套專(zhuān)門(mén)為照明裝置設計的強大指令集。數據通過(guò)Manchester格式以1200b/s的速率進(jìn)行傳遞――該速度足夠滿(mǎn)足照明裝置的應用?；镜膮f(xié)議定義包括單個(gè)主設備（控制器）以及多達64臺受控設備（鎮流器）。主設備發(fā)出16位的命令或者請求。鎮流器設備可以選擇返回8位的響應。只有在控制設備發(fā)出請求的情況下，鎮流器設備才能夠向總線(xiàn)發(fā)送數據。

控制設備可以包括控制面板、開(kāi)關(guān)、光傳感器、占位傳感器等。每個(gè)控制器可以直接向鎮流器設備或者另一個(gè)控制器發(fā)送消息。例如，某個(gè)占位傳感器（控制設備）可能需要向主控制面板發(fā)送消息，表明房間內有活動(dòng)。

任何照明控制系統都需要一種通過(guò)中央計算機設置節點(diǎn)地址和位置的方式，但是DALI在安裝過(guò)程中不需要任何設置。節點(diǎn)可以依照任意次序進(jìn)行添加。指令集包含了一種自動(dòng)探測、辨別以及向網(wǎng)絡(luò )中每臺鎮流器設備指派地址的方法。

你可能認為DALI控制64臺鎮流器設備的能力是有局限性的，但正是這一局限性可以大大降低購買(mǎi)軟件的開(kāi)銷(xiāo)并且也將硬件的使用要求保持在很低水平。完整的協(xié)議可以在非常廉價(jià)的8位MCU上實(shí)現，該MCU帶有不超過(guò)8KB的程序存儲，且沒(méi)有特殊外圍通信部件。

鎮流器設備的常見(jiàn)實(shí)現方法如圖1所示。20引腳、8位的MCU帶有一個(gè)用于調節輸入信號的比較器，以及控制鎮流器亮度級別的PWM。如果需要，這個(gè)信號可以經(jīng)過(guò)過(guò)濾向鎮流器電源電路提供控制電壓。

ZigBee無(wú)線(xiàn)解決方案

最近有很多關(guān)于ZigBee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的討論。實(shí)際上，ZigBee是基于IEEE 802.15.4規范所定義的另一無(wú)線(xiàn)協(xié)議的一個(gè)軟件層。

IEEE 802.15.4定義了多頻段、低數據率無(wú)線(xiàn)通信的物理層和媒體訪(fǎng)問(wèn)層。最常用的頻段是2.4GHz，它的最大數據速率是250KB/s。

最大的通信距離取決于物理環(huán)境，但是通信距離長(cháng)達250英尺是可能的。IEEE 802.15.4也定義了一種全功能設備（FFD）和一種精簡(jiǎn)功能設備（RFD）。FFD用于連續電源供應，而且始終可在網(wǎng)絡(luò )中使用。RFD允許在電池供電、功率消耗要求低的節點(diǎn)進(jìn)行備用運轉。更高層次的協(xié)議，比如ZigBee，基于IEEE 802.15.4規范可提供應用層的功能。

ZigBee協(xié)議提供了創(chuàng )建多達65 536個(gè)節點(diǎn)的自組織、低數據率網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的功能。存在著(zhù)不同的ZigBee節點(diǎn)類(lèi)型。每個(gè)網(wǎng)絡(luò )都有一個(gè)位標器，它包含了網(wǎng)絡(luò )中所有設備的信息，形成網(wǎng)絡(luò )，并向終端設備分配地址。終端設備接收控制輸入并提供狀態(tài)信息。網(wǎng)絡(luò )上的設備可以選擇承擔路由器的功能，它將擴展最大通信距離。
ZigBee最主要的優(yōu)勢之一在于，它保證了與其他設備之間的互操作性。所有的ZigBee產(chǎn)品都必須經(jīng)過(guò)測試和鑒定，而且存在標準的控制配置文件，包括一份用于照明的配置文件。

這些配置文件定義了用于應用的基本數據結構，但是不存在指令集，對于該應用如何使用數據將由開(kāi)發(fā)人員來(lái)決定。例如，ZigBee照明配置文件包括了一張表格，表格中的標準變量存放著(zhù)照明亮度傳感器、占位傳感器、燈具照明亮度等狀態(tài)。
典型的ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)（參見(jiàn)圖2）由一個(gè)2.4GHz的802.15.4收發(fā)器和一個(gè)MCU組成。所實(shí)現的ZigBee節點(diǎn)類(lèi)型將決定協(xié)議棧所需要的代碼空間，從RFD終端設備需要的20KB到全功能位標器所需要的40KB。

與DALI協(xié)議相比，ZigBee棧在每臺燈具處需要更多的電子開(kāi)銷(xiāo)；需要更大、帶有更多程序存儲的MCU以及一個(gè)802.15.4收發(fā)器；需要額外的軟件來(lái)處理照明命令以及狀態(tài)信息的請求。不過(guò)，這些開(kāi)銷(xiāo)必須與其易于安裝的優(yōu)勢進(jìn)行權衡考慮。

如果你覺(jué)得完整的ZigBee協(xié)議實(shí)現為電子部件增添了太多的開(kāi)銷(xiāo)，那么可以使用基于IEEE 802.15.4規范的其他網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。MiWi協(xié)議就是一個(gè)例子，它提供了精簡(jiǎn)的網(wǎng)絡(luò )功能并保留了與ZigBee兼容網(wǎng)絡(luò )共存的能力。實(shí)現簡(jiǎn)單的點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議也是可能的，它只需相對較少的軟件開(kāi)銷(xiāo)，因而將適用于照明控制。