基于LED智能照明控制系統(tǒng)的研究

1 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，大功率LED照明應(yīng)用的普及，人們對(duì)LED照明的高效控制和功能多樣化的要求也不斷提高，LED智能照明系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。LED智能照明系統(tǒng)充分利用電子技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將建筑物內(nèi)的各種LED照明器具有機(jī)的連接在一起，實(shí)現(xiàn)有效的管理和控制。

2 以太網(wǎng)、TCP/IP簡(jiǎn)介

以太網(wǎng)(Ethernet)是一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)。IEEE 制定的 IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)給出了以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)定了包括物理層的連線、電信號(hào)和介質(zhì)訪問(wèn)層協(xié)議的內(nèi)容。以太網(wǎng)是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)。它很大程度上取代了其他局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，如令牌環(huán)網(wǎng)、FDDI 和ARCNET。以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型拓?fù)?，但目前的快速以太網(wǎng)（100BASE-T、1000BASE-T標(biāo)準(zhǔn)）為了最大程度的減少?zèng)_突，最大程度的提高網(wǎng)絡(luò)速度和使用效率，使用交換機(jī)（Switch）來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和組織，這樣以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就成了星型，但在邏輯上以太網(wǎng)仍然使用總線型拓?fù)浜虲SMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Derect 即帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)) 的總線爭(zhēng)用技術(shù)。

TCP/IP 通訊協(xié)議集是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)最普遍使用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，它是著名的國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的主體協(xié)議。TCP/IP 協(xié)議的基本傳輸單位是數(shù)據(jù)包。TCP 協(xié)議負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)分成若干個(gè)數(shù)據(jù)包，并給每個(gè)數(shù)據(jù)包加上包頭，(就像給一封信加上信封) 包頭上有相應(yīng)的編號(hào)以保證在數(shù)據(jù)接收端能將數(shù)據(jù)按順序還原為原來(lái)的格式。IP協(xié)議在每個(gè)包頭上再加上接收端設(shè)備地址，這樣數(shù)據(jù)能找到自己要去的地方。(就像信封上要寫(xiě)明地址一樣) 如果傳輸過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)失真等情況，TCP協(xié)議會(huì)自動(dòng)要求數(shù)據(jù)重新傳輸。IP協(xié)議保證數(shù)據(jù)的傳輸，因此是個(gè)地址協(xié)議。TCP協(xié)議保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，因此是個(gè)傳輸控制協(xié)議。

3 DMX512簡(jiǎn)介

了解燈光的從業(yè)人員都會(huì)知道這種協(xié)議，它是當(dāng)今使用最廣的燈光通訊協(xié)議。出于USITT（美國(guó)劇院技術(shù)協(xié)會(huì)）把Colortran 公司的CMX192中的Band rate 從153.6Kbit/s提升至250Kbit/s及192CH變?yōu)?12CH后發(fā)表（CMX與DMX結(jié)構(gòu)大致相同）。當(dāng)初發(fā)表時(shí)Mark After Break(MAB)為4uS，在隨后的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)常有訊號(hào)刷新的問(wèn)題而把MAB 延長(zhǎng)為8uS并定義為DMX-512(1990)版本。它的廣泛使用是由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、容易理解等，各大廠商先后把DMX512接口加到產(chǎn)品上。DMX512協(xié)議的成功推廣且大家樂(lè)于使用的另一大功臣是數(shù)十年來(lái)電腦燈具的迅速發(fā)展及大量使用于大型演出中。DMX512 仍然是科學(xué)上的一個(gè)新領(lǐng)域，具有在規(guī)則基礎(chǔ)上產(chǎn)生的各種奇妙技術(shù)。

DMX512控制線采用5針XLR（有時(shí)候是3針）連接設(shè)備，母接口適用于發(fā)送器，而公接口適用于接收器。規(guī)范中建議用一條兩對(duì)導(dǎo)線（4 個(gè)連接口）來(lái)實(shí)現(xiàn)屏蔽，雖然只是需要其中一對(duì)。第二對(duì)導(dǎo)線用于未指定的可選場(chǎng)合中。必須注意的是一些調(diào)光器使用這些線來(lái)指示故障和狀態(tài)信息。如果調(diào)光器用第二個(gè)信道，則需要專門(mén)配置的分路器和中繼器。

XLR 連接器的針口分配如下：
1 屏蔽 地/0 伏
2 內(nèi)部導(dǎo)體（黒） 數(shù)據(jù)–
3 內(nèi)部導(dǎo)體（白） 數(shù)據(jù)＋
4 內(nèi)部導(dǎo)體（綠） 備用數(shù)據(jù)－
5 內(nèi)部導(dǎo)體（紅） 備用數(shù)據(jù)＋

4 業(yè)界主流LED控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

4.1：串行控制系統(tǒng)，以級(jí)聯(lián)的方式進(jìn)行控制，每個(gè)燈的信號(hào)線采用一進(jìn)一出的方式。代表產(chǎn)品有標(biāo)準(zhǔn)595及兼容芯片，例如臺(tái)灣點(diǎn)晶的DM134、135等。由于這種控制方式的芯片本身不產(chǎn)生灰度，如果需要灰度要由控制器來(lái)產(chǎn)生，導(dǎo)致系統(tǒng)的傳輸速率過(guò)高，在工程應(yīng)用中容易受完成擾穩(wěn)定性差。

優(yōu)點(diǎn)：成本低，控制簡(jiǎn)單，不需要設(shè)置地址，對(duì)于一些穩(wěn)定性、可靠性要求不是很高的項(xiàng)目可以采用此種控制方式。

缺點(diǎn)：信號(hào)線過(guò)多，通常需要5根信號(hào)線（時(shí)鐘、數(shù)據(jù)、鎖存、OE、地）。
由于采用一進(jìn)一出的方式，導(dǎo)致當(dāng)一個(gè)燈出現(xiàn)故障，影響后現(xiàn)一串燈的正常工作。
信號(hào)線采用TTL傳輸，燈與燈之間的距離只能在1米以內(nèi)。
非標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，燈具與控制器必須是同一廠家的產(chǎn)品，否則兩者無(wú)法兼容。

4.2：現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，其中分為DALI總線和RS485總線兩大類。

4.2.1 DALI簡(jiǎn)介：
上世紀(jì)90年代末，照明工業(yè)開(kāi)發(fā)了DALI標(biāo)準(zhǔn)（Digital Addressable Light Interface）。這個(gè)數(shù)字可尋址照明接口被設(shè)計(jì)取代傳統(tǒng)用于調(diào)光燈鎮(zhèn)流器的1～10V電壓接口。DALI定義了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字鎮(zhèn)流器接口，不依賴于任何廠商的DALI標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)作為IEC60929國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，保證了不同照明設(shè)備廠商的鎮(zhèn)流器的互操作性。DALI組件創(chuàng)造了靈活、低成本、分布式的新一代開(kāi)放數(shù)字照明系統(tǒng)。這個(gè)新的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于照明控制解決方案的未來(lái)業(yè)務(wù)有很大的影響，它正在從根本上改變基于傳統(tǒng)1～10V電壓接口的照明控制解決方案的方式。

DALI標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)定義了一個(gè)DALI網(wǎng)絡(luò)包括最大的64個(gè)單元（可獨(dú)立地址），16個(gè)組及16個(gè)場(chǎng)景。DALI總線上的不同照明單元可以靈活分組，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景控制和管理。在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)典型的DALI控制器控制多達(dá)40～50盞燈，可分成16個(gè)組，同時(shí)能夠并行處理一些動(dòng)作。在一個(gè)DALI網(wǎng)絡(luò)中，每秒能處理30～40個(gè)控制指令。這意味著控制器對(duì)于每個(gè)照明組，每秒需要管理2個(gè)調(diào)光指令。DALI并不是真正的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，它是代替1～10V電壓接口控制鎮(zhèn)流器。DALI控制器通常被連接到更高級(jí)的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，如以太網(wǎng)，以支持更多的設(shè)備和足夠的網(wǎng)絡(luò)帶寬。