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%。在這方面可以實現(xiàn)大量的節(jié)約，特別是在大型商業(yè)應(yīng)用中使用了燈光亮度可調(diào)的技術(shù)時，更是如此。

調(diào)光系統(tǒng)的應(yīng)用需要通過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(shè)置和管理，這種方法就不方便了。

數(shù)字照明控制

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

首先，設(shè)計人員要選擇協(xié)議的媒介――有線還是無線？如果選擇有線，那么我們應(yīng)該使用雙絞線還是電力線？如果選擇無線，那么我們應(yīng)該選擇哪個頻段？對于有線和無線的設(shè)備，最大的通信距離是多少？

此外還必須考慮協(xié)議的應(yīng)用層。我們可以與多少部燈具進(jìn)行通信？有設(shè)計專門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，每部燈具會做出怎樣的反應(yīng)？照明安裝人員安裝和配置控制系統(tǒng)的難易程度如何？
可以使用已得到廣泛應(yīng)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(shù)據(jù)量非常少而且不是頻繁出現(xiàn)。因而我們就需要不時地發(fā)送打開、關(guān)閉或亮度信息。因此，明智的做法是選擇一種簡單的協(xié)議來緩解對每臺燈具中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，第一個是“數(shù)字可尋址照明接口（DALI）”，它定義在IEC60929規(guī)范中，后者定義了電子熒光鎮(zhèn)流器的性能規(guī)范。

DALI組網(wǎng)方法

DALI規(guī)范定義了一種恒定電流總線，它的最大電流是250mA，標(biāo)稱電壓是16V。每臺設(shè)備都通過使用光隔離器電路拉低總線電流（匯電流）的方法向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。線路可以位于導(dǎo)線管的內(nèi)部或者外部，而且連接是與極性無關(guān)的，這簡化了安裝人員的操作。所有燈具的線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)議非常簡單，但它有一套專門為照明裝置設(shè)計的強大指令集。數(shù)據(jù)通過Manchester格式以1200b/s的速率進(jìn)行傳遞――該速度足夠滿足照明裝置的應(yīng)用?；镜膮f(xié)議定義包括單個主設(shè)備（控制器）以及多達(dá)64臺受控設(shè)備（鎮(zhèn)流器）。主設(shè)備發(fā)出16位的命令或者請求。鎮(zhèn)流器設(shè)備可以選擇返回8位的響應(yīng)。只有在控制設(shè)備發(fā)出請求的情況下，鎮(zhèn)流器設(shè)備才能夠向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。

控制設(shè)備可以包括控制面板、開關(guān)、光傳感器、占位傳感器等。每個控制器可以直接向鎮(zhèn)流器設(shè)備或者另一個控制器發(fā)送消息。例如，某個占位傳感器（控制設(shè)備）可能需要向主控制面板發(fā)送消息，表明房間內(nèi)有活動。

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

你可能認(rèn)為DALI控制64臺鎮(zhèn)流器設(shè)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軟件的開銷并且也將硬件的使用要求保持在很低水平。完整的協(xié)議可以在非常廉價的8位MCU上實現(xiàn)，該MCU帶有不超過8KB的程序存儲，且沒有特殊外圍通信部件。

鎮(zhèn)流器設(shè)備的常見實現(xiàn)方法如圖1所示。20引腳、8位的MCU帶有一個用于調(diào)節(jié)輸入信號的比較器，以及控制鎮(zhèn)流器亮度級別的PWM。如果需要，這個信號可以經(jīng)過過濾向鎮(zhèn)流器電源電路提供控制電壓。

ZigBee無線解決方案

最近有很多關(guān)于ZigBee無線通信協(xié)議的討論。實際上，ZigBee是基于IEEE 802.15.4規(guī)范所定義的另一無線協(xié)議的一個軟件層。

IEEE 802.15.4定義了多頻段、低數(shù)據(jù)率無線通信的物理層和媒體訪問層。最常用的頻段是2.4GHz，它的最大數(shù)據(jù)速率是250KB/s。

最大的通信距離取決于物理環(huán)境，但是通信距離長達(dá)250英尺是可能的。IEEE 802.15.4也定義了一種全功能設(shè)備（FFD）和一種精簡功能設(shè)備（RFD）。FFD用于連續(xù)電源供應(yīng)，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(jié)點進(jìn)行備用運轉(zhuǎn)。更高層次的協(xié)議，比如ZigBee，基于IEEE 802.15.4規(guī)范可提供應(yīng)用層的功能。

ZigBee協(xié)議提供了創(chuàng)建多達(dá)65 536個節(jié)點的自組織、低數(shù)據(jù)率網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的功能。存在著不同的ZigBee節(jié)點類型。每個網(wǎng)絡(luò)都有一個位標(biāo)器，它包含了網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的信息，形成網(wǎng)絡(luò)，并向終端設(shè)備分配地址。終端設(shè)備接收控制輸入并提供狀態(tài)信息。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以選擇承擔(dān)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(shè)備之間的互操作性。所有的ZigBee產(chǎn)品都必須經(jīng)過測試和鑒定，而且存在標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但是不存在指令集，對于該應(yīng)用如何使用數(shù)據(jù)將由開發(fā)人員來決定。例如，ZigBee照明配置文件包括了一張表格，表格中的標(biāo)準(zhǔn)變量存放著照明亮度傳感器、占位傳感器、燈具照明亮度等狀態(tài)。
典型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（參見圖2）由一個2.4GHz的802.15.4收發(fā)器和一個MCU組成。所實現(xiàn)的ZigBee節(jié)點類型將決定協(xié)議棧所需要的代碼空間，從RFD終端設(shè)備需要的20KB到全功能位標(biāo)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銷；需要更大、帶有更多程序存儲的MCU以及一個802.15.4收發(fā)器；需要額外的軟件來處理照明命令以及狀態(tài)信息的請求。不過，這些開銷必須與其易于安裝的優(yōu)勢進(jìn)行權(quán)衡考慮。

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