家居照明與物聯網相連

05-23

家居照明與物聯網相連

　　家用照明的智能控制作為家庭自動化和智能家居的一部分，從50年左右開始使用BSR

X10系列控制器，一直是一個夢想，甚至是一個尷尬的現實。由於低功耗、低成本的控制和連接技術的驚人進步，以及網路化的網路和管理介面的可用性，它正在成為一種更現實、更靈活、更具成本效益的應用。雖然它從基本的智能家居控制開始，但顯而易見的下一個階段是通過互聯網和智能手機或PC來實現遠程控制，因為它與物聯網的技術觀點和發展勢頭(IOT)是自然契合的。

　　好消息是，提供「家庭照明滿足物聯網」解決方案的技術是可用的，但也有許多實際的實施問題。此外，還有一個有趣的轉折：對於許多其他的IOT設備，如遠程監控，缺少一個方便和充分的操作電源是優先考慮的問題。然而，這並不是一個值得關注的問題，因為家庭和辦公室的燈顯然連接到交流電源線。

　　另一方面，對於網路連接和接入需要，有許多可能的現場選擇，每個都有利弊。此外，鑒於在典型的家庭中需要大量照明控制節點，每個節點的成本是一個主要的物聯網關注點。最後，如果通過網際網路進行遠程訪問，則存在安全性問題，必須在網路協議的多個層次上解決，直到物理層的硬體。

有線和無線選項

　　在智能家居照明系統中，每個照明設備(稱為照明燈具)將通過有線或無線鏈路與中央控制器進行介面，中央控制器將知道夾具的開/關/調光狀態，以及能夠控制這些參數。在一個典型的家庭中，可能會有幾十個這樣的照明節點被監視和控制;在辦公室里，可能會有更多的照明節點。因此，對於物理介面做出的選擇是第一個也是最關鍵的，因為互連模型的所有其他層都是由該決定建立起來的。雖然提供智能，網路友好的家庭照明控制似乎是一個明顯的「做」和易於實施，它不是，尤其是當成本和兼容性的因素被納入決策。

　　選擇包括使用AC線路、專用有線鏈路或無線鏈路。網路互連到每個燈具的明顯選擇是使用已經連接的電力線本身，並且這已經與混合的結果一起使用(再一次，看BSR

X10)。雖然電力線是一個具有挑戰性的通信介質，由於雜訊、干擾、瞬變、斷電和許多其他問題，所需的數據速率非常低，因此在錯誤的情況下適度的延遲和重傳是可接受的。然而，交流線路在性能上也會非常不穩定，甚至家庭安裝也會令人沮喪。此外，作為電源的AC線之間的任何互連，以及作為網路介質的AC線，將需要某種功率和數據信號之間的隔離，這增加了成本和體積。

　　另一種選擇是使用單獨的、專用的有線鏈路來連接所有節點。這對於新設備來說是低成本和有效的，但具有較高的改造成本。它是有吸引力的，因為每個節點上的硬體也將是低成本的，並且不會由於來自所選擇頻帶的許多其他用戶的無線干擾而導致性能退化的問題。

　　基於無線、射頻的鏈路是第三種選擇，這是近年來大多數供應商活動和混亂的領域。其中的選擇是專有鏈接，Wi Fi(IEEE

802.11)鏈接，ZigBee兼容(IEEE

802.15.4)鏈接，和ZigBee派生的鏈接，加上其他。這種多樣性凸顯了最大的智能家居照明控制問題之一：不兼容的實現，從物理層開始，並向上移動層堆棧。互操作性和不兼容性的問題，結合一些舊的和遺留的方法，是設計者必須考慮的因素之一。

　供應商提供覆蓋基礎

　　合適的IC和節點設計的提供者知道滿足物理介面硬體和連接性的要求構成巨大的潛在市場。一些供應商支持傳統的數字可定址照明介面(DALI)標準，IEC62486-以家庭、辦公室和專業應用為目標(例如，劇院照明)。該標準使用一對低電壓導線連接多達64個設備(通過6位定址)，包括白熾燈泡、熒光燈及其鎮流器，甚至LED，都在一個稱為網路組的單迴路上。為了連接額外的設備節點超過64的最大值，DALI支持最多16個可以鏈接在一起的組。菊花鏈、星形拓撲和多點配置都是允許的，這些拓撲可以混合(圖1)。

　　大理有線網路圖像

　　圖1：DALI有線網路使用簡單的雙線互連，並且可以配置一個或多個拓撲結構，混合菊花鏈、星形和多點方法(微晶元技術)。

　　DALI標準使用曼徹斯特編碼在1200波特(緩慢，但足夠的應用)，並從16伏/

250毫安供應。它允許監視、控制、調光和「組」功能(其中一組預定義的燈具同時接收相同的指令)，可達300米的範圍。該布線是普通的固體或絞合的α18

AWG照明線，由於低數據速率，可以使用低成本的螺釘端子連接器。

　　例如，微晶元在DV160214-1

DALI控制器評估板中使用低功率PIC16F1947微控制器。該設計包括基於光耦合器的DALI匯流排與微控制器之間的電流隔離，這是電子設備的用戶安全和可靠運行的前提(圖2)。

　　DALI微晶元演示/評估板的圖像

　　圖2：用於DALI和照明管理的Microchip演示/評估板包括介面、操作電源和感測和控制功能，以及電源線和單元之間的電流隔離。

　　本身，基於DALI的照明控制系統不能直接連接到網際網路接入點以提供IOT連通性。然而，DALI控制器節點可以用作網關兼容的互聯網介面，因此滿足網路互連層1(PHY)和層2(MAC)的要求。

　　對於喜歡無線、ZigBee兼容解決方案的設計者來說，德克薩斯儀器提供了一個住宅照明網關參考系統(圖3)，特別是針對物聯網應用。參考設計採用了C2531

EMK DEV套件，一個板，並使用Simulink ZigBee

C2531為基礎的USB加密狗(圖4)運行Z-Stand，這是一個認證的「黃金單位」的ZigBee橋實現照明應用。

　　從德克薩斯儀器看住宅照明網關參考系統

　　圖3：德克薩斯儀器公司的住宅照明網關參考系統是一個完整的硬體、軟體和開發系統，具有詳細的原理圖和開發文檔，包括對MAC層和PHY層的支持，以及對互連模型的更高層次的支持。

　　基於USB介面的德克薩斯儀器圖像

　　圖4：對於TI系統，基於USB的加密狗是低成本ZigBee互連節點和目標開發工具的關鍵。

　　提供PHY控制和連接性的TI cc2531

IC是支持ZigBee和RF4CE標準的USB使能SoC(片上系統)，並提供兩個關鍵功能。它結合了RF收發器以及增強的、工業標準的8051

MCU、系統可編程快閃記憶體、8 KB

RAM和許多其他特性。它還具有非常低的功耗，在運行模式之間的短過渡時間輔助，以進一步確保低能耗。(雖然操作電源當然是可用的，但重要的是保持耗散低，因為出口開關盒本身是小的，經常有較差的熱流。)

　　此外，參考設計具有基於Linux的網路和GUI應用程序來控制和監視ZigBee照明節點(圖5)。完整的套件包括硬體，加上一個簡單的API(應用程序編程介面)用於照明控制，其中包含了TCP/IP到ZigBee橋，這是開發應用程序所需要的，也是集成連接解決方案的需要。它還提供了本地和遠程控制ZigBee節點的軟體示例，包括使用基於Android的系統，如電話、平板電腦和機頂盒。

　　TI系統的軟體原理圖

　　圖5：TI系統軟體的示意圖顯示了所提供的支持的深度和廣度，指示了完整的照明控制系統的複雜性和OEM可能想要包括的許多選項。

　　由於巨大的市場機會，幾乎所有具有混合信號、電源和有線/無線連接專長的供應商都至少從一個角度來解決這個應用。OEM的設計者不僅要考慮可用的組件，還要考慮在基本PHY/MAC層的應用支持，以及低層應用軟體、基本開發介面和更高級別的應用開發和調試工具、評估板、以及安全性。D的監管批准需要，因為這些設施涉及線電壓AC電源。

　　綜上所述

　　長期以來，自動化住宅的夢想正在成為現實，使用與物聯網相關的技術(物聯網)。智能家居照明的一個顯而易見的地方是通過使用白熾燈、熒光燈和LED照明光源對許多燈具(燈具)進行監視和控制。本文研究了實現有線和無線控制和IOT連通性的一些方法，以及一些挑戰和可能阻礙的技術問題，例如新的與改裝的裝置、行業標準和互操作性問題和成本。