無(wú)極燈的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化

　　無(wú)極燈產(chǎn)品從誕生之日起已經(jīng)經(jīng)歷了百年的發(fā)展歷程，但是到目前為止，市面上的無(wú)極燈產(chǎn)品所采用的技術(shù)和誕生之初的電源技術(shù)原理并無(wú)太大區(qū)別，隨著90年代以來(lái)全世界興起的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化浪潮，現(xiàn)有的無(wú)極燈技術(shù)已經(jīng)全面落后于時(shí)代的發(fā)展，為此我們有必要跟隨時(shí)代的步伐，把無(wú)極燈數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

　　無(wú)極燈的數(shù)字化：傳統(tǒng)高頻無(wú)極燈技術(shù)一般基于自激振蕩電路來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻頻率的產(chǎn)生和半橋電路的驅(qū)動(dòng)，電路簡(jiǎn)單，成本低，但后果是一致性差，驅(qū)動(dòng)效率低。如果改為數(shù)字電路來(lái)產(chǎn)生頻率信號(hào)并采用專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)作半橋驅(qū)動(dòng)，則可以大大改善產(chǎn)品的性能和一致性。在這點(diǎn)上，低頻無(wú)極燈的數(shù)字化走得比較早，從一開(kāi)始發(fā)展時(shí)就基本上采用了數(shù)字化的技術(shù)。高頻無(wú)極燈，頻率信號(hào)發(fā)生可用MCU、數(shù)字時(shí)鐘電路、晶振等電路技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但由于工作頻率較高，從一致性、穩(wěn)定性、成本等各方面評(píng)估，晶振是最好的選擇，既避免了數(shù)字時(shí)鐘電路的溫漂和精度問(wèn)題，又比MCU的成本來(lái)的更低。

　　圖一、晶振方式

　　圖二、數(shù)字時(shí)鐘電路

　　圖三、MCU信號(hào)發(fā)生電路

　　無(wú)極燈的智能化：由于低壓氣體放電燈的特點(diǎn)，不論是高頻還是低頻無(wú)極燈，都存在著功率、效率收氣溫影響的缺陷，另外由于磁性材料的特性，開(kāi)機(jī)后需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定工作的狀態(tài)，這些缺陷限制了無(wú)極燈的應(yīng)用范圍，有時(shí)候也會(huì)造成對(duì)無(wú)極燈的不良評(píng)價(jià)。無(wú)極燈的智能化主要解決兩方面的問(wèn)題，一是功率恒定，而是可大范圍調(diào)光，這些技術(shù)，是高低頻產(chǎn)品的通用技術(shù)。無(wú)極燈的恒功率技術(shù)，可以通過(guò)以下幾種途徑實(shí)現(xiàn)，一是調(diào)節(jié)半橋放大電路的脈寬，或者說(shuō)占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)，二是調(diào)節(jié)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)，三是調(diào)節(jié)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的方法，一般都是通過(guò)MCU來(lái)監(jiān)控輸入功率或輸入電流，根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)相應(yīng)的脈寬、頻率或電壓從而實(shí)現(xiàn)恒定功率。這三種技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域都是非常成熟的技術(shù)，有20年以上的大規(guī)模成熟應(yīng)用案例，當(dāng)然智能化的前提是數(shù)字化，沒(méi)有無(wú)極燈的數(shù)字化，是不可能談智能化的。

　　圖四、PWM脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)恒功率控制及調(diào)光

　　圖五、PWM頻率調(diào)制實(shí)現(xiàn)恒功率及調(diào)光

　　圖六、PFC端電壓調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)恒功率及調(diào)光

　　無(wú)極燈的網(wǎng)絡(luò)化：隨著照明技術(shù)的發(fā)展，照明領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)需求越來(lái)越明確，尤其是隨著LED這樣的照明技術(shù)出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程監(jiān)控已經(jīng)成為照明技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)配置，無(wú)極燈如果不能跟上這個(gè)潮流，就會(huì)被邊緣化。網(wǎng)絡(luò)化的途徑也可以有多種選擇，一是基于電纜的有線技術(shù)，目前能夠選擇的協(xié)議有很多種，如485BUS，CAN BUS，以太網(wǎng)技術(shù)等等，二是基于無(wú)線通信的無(wú)線技術(shù)，目前比較常見(jiàn)的有GSM，CDMA，GPS，3G，ZIGBEE等等。至于遠(yuǎn)程監(jiān)控的做法，也有很多種，目前最為流行的有DMX和DALI兩種。

　　1、系統(tǒng)方案

　　以太網(wǎng)(Ethernet)是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)。IEEE制定IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)給出了以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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)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))為最大程度的減少?zèng)_突和提高網(wǎng)絡(luò)速度和使用效率，通常采用交換機(jī)(Switch)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。TCP/IP是最普遍使用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，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，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，數(shù)據(jù)包可以準(zhǔn)確尋址。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，有效保證了通信的可靠性。

　　DMX512是當(dāng)今使用最廣的燈光通訊協(xié)議， 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，把192CH變?yōu)?12CH，因該協(xié)議結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、容易理解而得到廣泛使用。DMX512控制線采用5針XLR(有時(shí)候是3針)連接設(shè)備，規(guī)范中建議用兩對(duì)導(dǎo)線(4 個(gè)連接口)來(lái)實(shí)現(xiàn)屏蔽，雖然通常只是需要其中一對(duì)，第二對(duì)導(dǎo)線用于未指定的可選場(chǎng)合中。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(zhuān)門(mén)配置的分路器和中繼器。

　　RS-485是一個(gè)電氣接口規(guī)范，它只規(guī)定了平衡驅(qū)動(dòng)器和接收器的電特性，而沒(méi)有規(guī)定接插件、傳輸電纜和通信協(xié)議。RS-485 標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)基于單對(duì)平衡線的多點(diǎn)、雙向(半雙工)通信鏈路，是一種極為經(jīng)濟(jì)、并具有相當(dāng)高噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的通信平臺(tái)。RS-485接口可平衡傳輸，多點(diǎn)通信，最大總線負(fù)載可達(dá)32個(gè)單位負(fù)載(UL)，最大傳輸速率可達(dá)10Mbps，速率低于100kbps時(shí)，最大電纜長(zhǎng)度可達(dá)4000英尺。RS485只規(guī)定物理層，留給各廠商充分利用空間。很種現(xiàn)場(chǎng)總線，包括DMX512的物理層均采用RS485協(xié)議。在LED照明控制領(lǐng)域，通常做法是每個(gè)LED燈具內(nèi)置一片MCU控制并通過(guò)RS485接口芯片連接到RS485總線上，用一臺(tái)控制器對(duì)RS485總線上的每個(gè)MCU發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。

　　ZigBee是一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，2000年底IEEE成立了802.15.4工作組，規(guī)定了ZigBee的物理層和媒體接入控制層。ZigBee工作在2.4 GHz的ISM頻段，節(jié)點(diǎn)之間的最大通信距離可達(dá)100m，信號(hào)具有一定的穿墻能力，并且ZigBee支持路由節(jié)點(diǎn)，可根據(jù)需要組成一個(gè)星型網(wǎng)、簇狀網(wǎng)或者網(wǎng)狀網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)65535，只要合理布局，可以保證沒(méi)有通信盲區(qū)。此外ZigBee具備較快的響應(yīng)特性，2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的一次數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程在5 ms之內(nèi)即可完成，很好地滿足了無(wú)線智能照明控制系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、容量以及實(shí)時(shí)性的要求.

　　由上可見(jiàn)，目前以太網(wǎng)、DMX512和RS-485和ZigBee這些技術(shù)已經(jīng)很成熟，并得到廣泛應(yīng)用。因此本方案將這些技術(shù)融合在一起構(gòu)筑新一代包括有線和無(wú)線LED智能照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將融合這些技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)有線控制和無(wú)線控制的無(wú)縫連接，在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里可同時(shí)連接多種設(shè)備，而整個(gè)系統(tǒng)采用TCP協(xié)議可提高整個(gè)照明系統(tǒng)長(zhǎng)距離傳輸?shù)目刂瀑|(zhì)量和可靠性，使設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制更有效。

　　1.1系統(tǒng)架構(gòu)：

　　該系統(tǒng)是基于IP、DMX512和ZigBee有線和無(wú)線混合控制系統(tǒng)，由傳輸TCP/IP協(xié)議構(gòu)成系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)DMX512協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)有線單元的控制，通過(guò)ZigBee實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線單元的控制，通過(guò)IP網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了有線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接。

　　圖七、 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)框圖

　　1.2系統(tǒng)功能

　　服務(wù)器上安裝系統(tǒng)管理軟件，是整個(gè)系統(tǒng)的中心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，例如時(shí)間控制、場(chǎng)景控制、現(xiàn)場(chǎng)的藝術(shù)效果控制等。

　　有線節(jié)點(diǎn)控制器負(fù)責(zé)接收系統(tǒng)發(fā)送的TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)，同時(shí)把TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)DMX512協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送給DMX512設(shè)備。DMX Decoder的功能是接收DMX512數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)控制LED燈的調(diào)光或開(kāi)關(guān)。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向從計(jì)算機(jī)到以太網(wǎng)轉(zhuǎn)DMX512網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)到DMX Decoder。

　　無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制器負(fù)責(zé)接收系統(tǒng)發(fā)送的TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)，同時(shí)把TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)出去?？筛鶕?jù)需要布置ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組成一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制每一個(gè)照明單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈的開(kāi)關(guān)控制和256級(jí)的調(diào)光控制。

　　1.3技術(shù)規(guī)格

　　有線節(jié)點(diǎn)控制器最多可支持兩組光電隔離的DMX512信號(hào)輸出，可控制1024個(gè)DMX通道，340個(gè)全彩RGB燈具，R、G、B各256級(jí)灰度。無(wú)線節(jié)點(diǎn)控制器采用ZigBee協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)65535，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行合理分布。系統(tǒng)服務(wù)器根據(jù)局域網(wǎng)IP地址對(duì)有線節(jié)點(diǎn)控制器和無(wú)線節(jié)點(diǎn)控制器進(jìn)行訪問(wèn)和控制，因此可根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成超大規(guī)模的燈光控制系統(tǒng)，滿足各種規(guī)模的燈光控制規(guī)模。

　　無(wú)極燈的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)與傳統(tǒng)的光源技術(shù)差異很大，傳統(tǒng)光源企業(yè)要做這樣的研發(fā)工作恐怕是力不從心，而在IT領(lǐng)域，這樣的技術(shù)又是非常常見(jiàn)的。應(yīng)此，無(wú)極燈行業(yè)想要響應(yīng)世界潮流，必須放開(kāi)心態(tài)，解放思想，互相合作，才能避免閉門(mén)造車(chē)、井底之蛙的局面，給行業(yè)帶來(lái)革命性的變革，在將來(lái)的照明市場(chǎng)占有一席之地。