基于通信的LED的照明控制

在科技高度发展的今天，电子产品的更新换代越来越快，LED灯的技术也在不断发展，为我们的城市装饰得五颜六色。电力线组成了世界上最大的铜线基础设施。家庭或办公大楼的每个角落都有电源插座，因此电力线是一种全包围网络。不需要新建任何电线就可以实现从基本颜色和亮度信息到诸如颜色布景和淡入淡出等更复杂信息的通信。另外，利用从用户那儿抽象出来的高级灯具发现和绑定机制，无需记住一个号码或冒意外关闭邻居电灯的风险就可以建立一个具有PLC功能的灯光控制网络。

图1

2 将控制器绑定到灯具上

如图2所示，传统照明架构有专门的线用于独立地控制每个灯泡。在总线拓扑情况下，这些线被多个灯泡共享，这意味着控制器发出的信号将被所有灯具收到。为了区别不同的灯，控制器要和每个灯具单独绑定，并给每个灯具分配一个唯一的地址。

图2：照明控制架构

例如，假设灯具A的地址为1，灯具B的地址为2。如果控制器发送一个目标地址为1的消息，那么这个消息只有灯具A才会处理，灯具B是不会处理的。同样，如果消息发送时使用的目标地址是2，那么这个消息只有灯具B才会处理。来具会处理的。当灯具还没有被分配地址时，灯具如何接收绑定消息请求仍是个问题。这个问题可以给每个灯具重新分配一个唯一的64位地址来解决。然后当灯具第一次广播自己可用时，它也可以在消息中包含其唯一的地址。接着控制器就可以直接向它发送消息进行绑定。

由于64位地址对发送正常的颜色控制消息来说太长了，控制器可以在完成灯具绑定后给灯具分配一个更短的8位地址。为了确保新的逻辑地址值还没有被使用，控制器可以在电力线上发送一个ping消息。如果收到响应，再尝试新的地址，直到没有响应为止。

图3显示了两个可用灯具的绑定顺序，用户决定只绑定第一个灯具。一旦绑定完成后，控制器就可以开始发送颜色信息去控制灯具了。

图3：照明装置的发现和绑定

3 实际应用挑战

电力线通信面临的常见挑战有：灯具不能接收控制器发出的消息;灯具被错误的控制器控制。

如果灯具不能接收控制器发出的消息，那么通常是以下三种原因之一：1)电力线上有太大的噪声，2)控制器和接收器在电力线上不同相，3)接收器和控制器之间的距离太远。如果电力线上噪声太大(例如有吸尘器、大功率电器等)，建议使系统远离噪声源。如果控制器和接收器不同相，用户应尝试移动其中一个，使他们同相。

如果采用上述智能地址分配和绑定方法，所有地址都是唯一的64位物理地址，那么这种错误是不可能发生的。如果在智能地址分配中使用8位的逻辑地址，控制器将通过ping网络确保不会分配已经在用的地址。即使使用了智能地址分配和绑定方法，也有可能出现不同的控制器绑定到非目标灯具。在这种情况下，灯具上应该有一个按钮能强制该灯具从控制器退出绑定状态，使它能再次自由地绑定到正确的控制器。

4 颜色控制

通过电力线传送的颜色信息类型与用户输入、颜色控制精度等级以及实现成本有关。如果用户的输入是直接LED控制，那么直接LED调光值将被发送出去。如果用户的输入是一种特定的颜色和强度，那么信息类型取决于颜色混合执行的位置。如果颜色混合在接收器完成，CIE坐标和强度将被发送出去。

这是典型的选择，因为LED封装信息一般存储在灯具中，然而，在使用PLC后，每个灯具可以向控制器发送唯一的LED封装信息，控制器随即将这些信息存储下来，并在执行颜色混合时加载这些信息。最终控制器将发送直接LED调光值。

5 高级颜色控制

既然控制器更加先进，颜色控制也可以做得更加先进，而不只是一次向一个灯具发送直接颜色。布景、淡入淡出和排序是一些有趣的例子。在布置场景时，可以给多个灯具分配特定的颜色，这样只需触摸一下按钮，多个灯具就可以发射出不同颜色和强度的光。在淡入淡出时，灯具可以被告知在规定时间内转换到下一种颜色。在排序应用中，多个灯具能以同步方式改变颜色。

6 控制器的实现

电力线通信收发器一般是一种低压直流供电的IC。为了将这个器件连接到电力线，需要一个功放和耦合电路。耦合电路可以经修改支持要求的电压范围，因此同一种电力线收发器IC可以用于任何要求的电力线电压范围。

控制器实现可以采取不同的方式，取决于可用的物理面积和需要的控制等级。对于基本的墙体开关安装方式，照明控制界面可以是一个简单的通断开关、一个调光器或多个调光器，可单独控制灯具的颜色。另外，至少有一个按钮用于可用灯具的索引，一个按钮用于绑定到节点。LED指示灯也很有用，可显示灯具的状态。

对于更复杂的照明控制，控制器可以在PC上运行。此时的界面将是图形用户界面。GUI可以向用户显示家里的所有可用灯具，并允许用户执行更先进的颜色控制方案。PC可以通过USB或无线连接到电力线收发器。图4给出了一个可行的控制器实现例子。

图4：照明控制器的实现

7 结语

由于灯具上不要求使用用户界面，所以一般使用嵌入式微控制器处理收到的消息和进行LED颜色控制。借助Cypress的电力线通信和高亮度LED控制技术，电力线收发器和精密LED颜色控制器可被集成在一个器件中。只需外加LED驱动器就可以设置LED颜色了。另外，利用Cypress PowerPSoC技术，精密LED颜色控制器和LED驱动器也可以集成在一个器件中，这样可以方便地通过I2C接口连接电力线收发器。电力线通信技术非常适合用来执行复杂的LED照明控制，而且安装成本低，无需铺设新的线缆。用户可以使用传统的墙体开关/调光器、电容触摸传感屏或PC控制LED灯具的颜色、亮度、光线变化或布景。

利用从用户那里抽象出来的高级灯具发现和绑定机制，无需记住一个号码或冒意外关闭邻居电灯的风险就可以建立具有PLC功能的照明控制网络。虽然LED在生活中处处可见，但是LED也还有一些不足需要我们的设计人员拥有更加专业的知识储备，这样才能设计出更加符合生活所需的产品。