用于照明控制的通信协议

电子控制照明是我们可以减少全球能源消耗的最有效途径之一。在美国，商业和住宅照明对能源的消耗占能源总产量的22%。在这方面可以实现大量的节约，特别是在大型商业应用中使用了灯光亮度可调的技术时，更是如此。

调光系统的应用需要通过通信接口将信息传送给灯具。常用的一种方法是使用0～10V的模拟控制。但是，如果有很多灯具需要设置和管理，这种方法就不方便了。

数字照明控制

使用数字控制系统，通过将照明灯具包含在一个公共的、可寻址的网络中，可以减轻某些模拟控制的复杂度。MCU技术低廉的价格使得在应用中嵌入一种数字协议变得非常简单。有许多种有线和无线的选择可以使用在照明控制应用中。那么，选择哪一种呢？

首先，设计人员要选择协议的媒介——有线还是无线？如果选择有线，那么我们应该使用双绞线还是电力线？如果选择无线，那么我们应该选择哪个频段？对于有线和无线的设备，最大的通信距离是多少？

此外还必须考虑协议的应用层。我们可以与多少部灯具进行通信？有设计专门用于照明的指令集吗？如何在网络中添加或者删除灯具，如何确定每部灯具的地址？在丧失通信或者供电中断之后，每部灯具会做出怎样的反应？照明安装人员安装和配置控制系统的难易程度如何？
可以使用已得到广泛应用的协议，比如TCP/IP或者IEEE 802.11，但是需要传送给每部灯具的数据量非常少而且不是频繁出现。因而我们就需要不时地发送打开、关闭或亮度信息。因此，明智的做法是选择一种简单的协议来缓解对每台灯具中MCU的要求。

因此，我们讨论可能适用于照明控制的两种协议，第一个是“数字可寻址照明接口（DALI）”，它定义在IEC60929规范中，后者定义了电子荧光镇流器的性能规范。

DALI组网方法

DALI规范定义了一种恒定电流总线，它的最大电流是250mA，标称电压是16V。每台设备都通过使用光隔离器电路拉低总线电流（汇电流）的方法向总线发送数据。线路可以位于导线管的内部或者外部，而且连接是与极性无关的，这简化了安装人员的操作。所有灯具的线路都使用星型或者菊花链型的连接接在一起，且使用不间断交流电源为每部灯具供电。

DALI协议非常简单，但它有一套专门为照明装置设计的强大指令集。数据通过Manchester格式以1200b/s的速率进行传递——该速度足够满足照明装置的应用。基本的协议定义包括单个主设备（控制器）以及多达64台受控设备（镇流器）。主设备发出16位的命令或者请求。镇流器设备可以选择返回8位的响应。只有在控制设备发出请求的情况下，镇流器设备才能够向总线发送数据。

控制设备可以包括控制面板、开关、光传感器、占位传感器等。每个控制器可以直接向镇流器设备或者另一个控制器发送消息。例如，某个占位传感器（控制设备）可能需要向主控制面板发送消息，表明房间内有活动。

任何照明控制系统都需要一种通过中央计算机设置节点地址和位置的方式，但是DALI在安装过程中不需要任何设置。节点可以依照任意次序进行添加。指令集包含了一种自动探测、辨别以及向网络中每台镇流器设备指派地址的方法。

你可能认为DALI控制64台镇流器设备的能力是有局限性的，但正是这一局限性可以大大降低购买软件的开销并且也将硬件的使用要求保持在很低水平。完整的协议可以在非常廉价的8位MCU上实现，该MCU带有不超过8KB的程序存储，且没有特殊外围通信部件。

镇流器设备的常见实现方法如图1所示。20引脚、8位的MCU带有一个用于调节输入信号的比较器，以及控制镇流器亮度级别的PWM。如果需要，这个信号可以经过过滤向镇流器电源电路提供控制电压。

ZigBee无线解决方案

最近有很多关于ZigBee无线通信协议的讨论。实际上，ZigBee是基于IEEE 802.15.4规范所定义的另一无线协议的一个软件层。

IEEE 802.15.4定义了多频段、低数据率无线通信的物理层和媒体访问层。最常用的频段是2.4GHz，它的最大数据速率是250KB/s。

最大的通信距离取决于物理环境，但是通信距离长达250英尺是可能的。IEEE 802.15.4也定义了一种全功能设备（FFD）和一种精简功能设备（RFD）。FFD用于连续电源供应，而且始终可在网络中使用。RFD允许在电池供电、功率消耗要求低的节点进行备用运转。更高层次的协议，比如ZigBee，基于IEEE 802.15.4规范可提供应用层的功能。

ZigBee协议提供了创建多达65 536个节点的自组织、低数据率网状网络的功能。存在着不同的ZigBee节点类型。每个网络都有一个位标器，它包含了网络中所有设备的信息，形成网络，并向终端设备分配地址。终端设备接收控制输入并提供状态信息。网络上的设备可以选择承担路由器的功能，它将扩展最大通信距离。
ZigBee最主要的优势之一在于，它保证了与其他设备之间的互操作性。所有的ZigBee产品都必须经过测试和鉴定，而且存在标准的控制配置文件，包括一份用于照明的配置文件。

这些配置文件定义了用于应用的基本数据结构，但是不存在指令集，对于该应用如何使用数据将由开发人员来决定。例如，ZigBee照明配置文件包括了一张表格，表格中的标准变量存放着照明亮度传感器、占位传感器、灯具照明亮度等状态。
典型的ZigBee网络节点（参见图2）由一个2.4GHz的802.15.4收发器和一个MCU组成。所实现的ZigBee节点类型将决定协议栈所需要的代码空间，从RFD终端设备需要的20KB到全功能位标器所需要的40KB。

与DALI协议相比，ZigBee栈在每台灯具处需要更多的电子开销；需要更大、带有更多程序存储的MCU以及一个802.15.4收发器；需要额外的软件来处理照明命令以及状态信息的请求。不过，这些开销必须与其易于安装的优势进行权衡考虑。

如果你觉得完整的ZigBee协议实现为电子部件增添了太多的开销，那么可以使用基于IEEE 802.15.4规范的其他网络协议。MiWi协议就是一个例子，它提供了精简的网络功能并保留了与ZigBee兼容网络共存的能力。实现简单的点对点协议也是可能的，它只需相对较少的软件开销，因而将适用于照明控制。