關(guān)于家庭自動化系統(tǒng)中的LED照明產(chǎn)品性能分析和應(yīng)用

商業(yè)家庭自動化設(shè)備的使用至少可以追溯到1975年，那一年在蘇格蘭，Pico Electronics推出了X10系列產(chǎn)品。盡管當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平尚不如當(dāng)今這般成熟，但當(dāng)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所采用的架構(gòu)和使用模型卻沿襲至今。

較為通用的架構(gòu)（如圖1所示）包含了一個由人機(jī)界面(HMI)、控制邏輯、定時(shí)和測序硬件及通信接口組成的控制系統(tǒng)，用作點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的起始端。個人客戶端設(shè)備則實(shí)現(xiàn)了通信接口、控制邏輯及一個或多個設(shè)備接口，其在輸出通道的情況下還包括必要的電氣驅(qū)動程序。

圖1：家庭自動化的通用架構(gòu)支持許多功能，包括但不限于安全、暖通空調(diào)（HVAC）控制及照明。

早期家庭自動化系統(tǒng)出現(xiàn)的第一批應(yīng)用程序是照明和電器控制。這兩大家庭自動化供應(yīng)商都實(shí)現(xiàn)了簡單的電力網(wǎng)轉(zhuǎn)換開關(guān)。由于安裝方便，網(wǎng)絡(luò)物理介質(zhì)采用的是電源線，在交流電零交叉時(shí)可以高速脈沖操作且每次交互為1bit。由于協(xié)議中納入了通信開銷和消息復(fù)制，早期的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了20bit波特率通信。

使用12-bit控制消息(8-bit地址和4-bit命令)，在600毫秒到750毫秒范圍內(nèi)發(fā)生簡單的命令延遲可以說是市場容忍的極限。除此之外，電力通信面臨的一大挑戰(zhàn)是：多年來，家庭自動化系統(tǒng)的可靠性要低于市場的預(yù)期。盡管有一小部分忠實(shí)用戶仍然堅(jiān)守陣線，但家庭自動化仍逃脫不了被大眾市場淘汰的命運(yùn)，除非技術(shù)上的飛躍可以扭轉(zhuǎn)局勢。

技術(shù)的突破扭轉(zhuǎn)了乾坤

如今，家庭自動化系統(tǒng)正歷經(jīng)一場新的變革，這是其在40年發(fā)展歷程中第一次如此來勢洶涌，橫掃市場。從細(xì)分市場可以看出，其設(shè)備融合了多種先進(jìn)的技術(shù)，但這并非是家庭自動化應(yīng)用本身所驅(qū)動的，而是因?yàn)槎喾N技術(shù)的融合將產(chǎn)生更好的效果。就家庭自動化系統(tǒng)中的住宅照明而言，通信、控制及照明設(shè)備三個特定領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新使其整個市場系統(tǒng)對住宅市場更具吸引力。

家庭自動化實(shí)現(xiàn)的核心是無線網(wǎng)絡(luò)，其解決了諸多使用電源線通信方案所帶來的問題，包括跨240V/120V系統(tǒng)交流的困難、相鄰住宅的干擾及冰凍天氣的影響。目前，符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備已非常普遍，特別是那些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序中較為普遍的符合ZigBee的無線設(shè)備。

ZigBee在2.4 GHz的ISM帶寬中可以提供250 kpbs的數(shù)據(jù)率，而在特定地理位置sub-GHz頻譜中的數(shù)據(jù)率可以更低至20 kbps。ZigBee與WiFi不同，后者通過增加專用的硬件中繼器形成可延展的星狀網(wǎng)絡(luò)，而ZigBee節(jié)點(diǎn)形成的是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，每增加節(jié)點(diǎn)都可以自動延展。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)還可以改變信息發(fā)送路徑來減輕假射頻干擾，使方案相比那些基于星狀網(wǎng)絡(luò)的方案更加穩(wěn)健。

專門的家庭自動化控制硬件已經(jīng)被通用無線HMI設(shè)備上運(yùn)行的軟件程序（即手機(jī)）所替代。網(wǎng)關(guān)硬件解決了因手機(jī)缺乏可兼容的無線電而帶來的連接問題，并作為802.15.4 Zigbee無線家庭自動化網(wǎng)絡(luò)和幾乎無處不在的802.11x WiFi數(shù)據(jù)通信LAN之間的雙向接口，如圖2所示。

圖2：在現(xiàn)代家庭自動化系統(tǒng)中，中央控制硬件已被智能手機(jī)上運(yùn)行的軟件所取代。網(wǎng)關(guān)為WiFi連接手機(jī)與自動化系統(tǒng)的802.15.4網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)之間搭建了一座橋梁。

由于并非總是存在人機(jī)界面和系統(tǒng)控制功能，因此計(jì)時(shí)、排序和分組功能必須保留在單獨(dú)的客戶端設(shè)備中。將這些功能轉(zhuǎn)移至客戶端設(shè)備可以使多個人機(jī)界面通過網(wǎng)關(guān)同時(shí)存在于相同的網(wǎng)絡(luò)中，使家庭中的任何成員都可以通過訪問網(wǎng)絡(luò)來控制設(shè)備?；镜脑O(shè)置如：在照明控制范圍內(nèi)進(jìn)行照明分組和場景駐留，如圖3所示。

圖3：當(dāng)前家庭自動化方案是在缺失中央控制設(shè)備的情況下操作的?？蛻舳嗽O(shè)備如智能調(diào)光器管理著計(jì)時(shí)、排序、分組和場景(A)等功能。由于電燈并非天生的調(diào)光器，智能燈泡則需要涵括所有必要的功能以便作為獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作。

市場引領(lǐng)前行

自從高品質(zhì)彩色LED燈條取代熒光燈以來，照明控制的自動化便一直備受市場青睞。由于市場的推動，大量用于住宅應(yīng)用的設(shè)計(jì)方案也脫穎而出。

熒光裝置長期以來一直主導(dǎo)著商用照明市場，其漫射光輸出、高色溫及節(jié)能性尤其適合辦公空間的照明，因?yàn)檗k公區(qū)域的照明設(shè)施通常要覆蓋的范圍非常之廣大。商業(yè)應(yīng)用案例中，低光、壁燈、跟蹤照明、燈光特效等場景中還使用了傳統(tǒng)的白熾燈或鹵素設(shè)備燈，尤其是在零售區(qū)域、建設(shè)辦公大廳和會議室內(nèi)。

通常而言，簡單的開關(guān)便可以控制熒光照明的暗燈槽。對于大型立方體農(nóng)場的照明可能要以集群控制暗燈槽，或者多管設(shè)備的每個燈管都要連接一個單獨(dú)的電路，從而可以逐步關(guān)閉一個或多個燈管。不過總體而言，傳統(tǒng)熒光燈照明設(shè)備并沒有使用調(diào)光器進(jìn)行控制，且系統(tǒng)很少檢測占用率。不過據(jù)預(yù)計(jì)40%的商業(yè)用電可歸因于照明，商用市場長期以來一直渴望低成本替代產(chǎn)品的問世。而LED燈和新型照明控制的出現(xiàn)恰逢其時(shí)，其有效地降低了公司的成本，效果遠(yuǎn)超過那些單純地減少光束能耗的方案。

在住宅照明中，白熾燈可兼容標(biāo)準(zhǔn)的螺紋燈頭，如A、BR和PAR系列燈泡。這類燈泡常見于頂置式大堂射燈、跟蹤裝置、桌面燈和地板燈、壁燈裝置以及用于戶外的柱燈裝置。熒光燈只占有住宅照明的小部分，其主要用于地下室車庫或商場、洗衣房及廚房的櫥柜照明。盡管使用甚少，但也開始逐漸被新的產(chǎn)品替代。

調(diào)光器

不管是否自動化，傳統(tǒng)的調(diào)光器在每半周時(shí)都是空白輸出，而一旦被激活，便會一直保持狀態(tài)直至線路零交叉。白熾燈——像加熱器一樣功效率達(dá)98%， 實(shí)際上在長時(shí)間常態(tài)供電時(shí)相當(dāng)于熱低通濾波器。

相比之下，LED本質(zhì)上是一種電子輸入-光子輸出的直流電流驅(qū)動裝置。LED不兼容交流電壓源和傳統(tǒng)的調(diào)光器， 而切斷交流電壓波形將更加不兼容。

LED鎮(zhèn)流器可以對交流電壓源進(jìn)行必要的整流和V-I轉(zhuǎn)換，且在可控設(shè)備中將工作周期映射至輸出電流范圍中。

幾年前，對于可控型LED燈，調(diào)光器可以調(diào)節(jié)的亮度范圍非常有限——通常為7 dB。這些LED燈以最低或接近最低設(shè)置開啟時(shí)通常會閃爍不已。這些問題也給住宅照明市場帶來了很多不確定性因素，因?yàn)椴煌臒襞莺涂刂平M合可能產(chǎn)生不同的效果。

當(dāng)前的設(shè)計(jì)似乎已經(jīng)解決了這些問題。在最近的固態(tài)照明抽查中，JAS Technical Media公司測量了多種在調(diào)光器上運(yùn)行的LED燈泡的照明情況，并使用白熾燈泡作為參考。抽查的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4和圖5所示。該圖將每個燈泡輸出的調(diào)光曲線標(biāo)準(zhǔn)化，旁路是調(diào)光器。圖的橫軸是100 – W的白熾燈功率損耗，使用旁路的調(diào)光器并循著調(diào)光器的軌跡進(jìn)行測量。

圖4：不同于幾年前，當(dāng)前的LED燈泡和調(diào)光器設(shè)計(jì)可以流暢地變暗，不會閃爍或產(chǎn)生噪音。(圖由JAS Technical Media授權(quán)許可)。

圖5:相比白熾燈泡(左列)，一些公司的LED燈呈現(xiàn)的是無法辨別的調(diào)光器波形(中心列)，而另一些調(diào)光器的波形則發(fā)生了變化(右列)。本文不就這些差異進(jìn)行闡述。波形圖可以充分表示調(diào)光器的波形 (上面一行)，其分別為75% 的功率（白熾燈的功率）、50%、25%和調(diào)光器最低設(shè)置的功率（底部的一行）。（圖由JAS Technical Media授權(quán)許可)。

燈泡的優(yōu)化

早期用于住宅照明市場的LED燈銷量貧瘠。因?yàn)長ED燈僅在“日光”(5000°K)色溫下可用，這對于室內(nèi)住宅照明而言要求過于嚴(yán)苛，且其僅有一個或兩個流明輸出選項(xiàng)可用。

早期的燈泡標(biāo)價(jià)（通常為$25到$50）讓許多人瞠目結(jié)舌，望而卻步。而一些懷著獵奇心理的人便敢于大膽嘗新，不再計(jì)較標(biāo)簽上的價(jià)格數(shù)字及考慮每年節(jié)省多少電力等諸事。

幾年前，市場開始打破僵局。那時(shí)，科銳（Cree）公司在市面上開始以低于$10的零售價(jià)推廣色溫2700 K的900流明燈，在某些家居商店的零售價(jià)甚至為$8.5。自此以后，LED燈開始普及，且以合理成本打造的多種流明等級及設(shè)計(jì)外形的產(chǎn)品越來越多，使得其對于家居照明市場更具有吸引力。此外，許多燈泡制造商已呈現(xiàn)夕陽態(tài)勢。大部分白熾燈產(chǎn)品及脆弱且含汞的節(jié)能燈對于用戶而言不大實(shí)用，也使得LED燈越來越受到家居市場的青睞。

最近，歐司朗發(fā)布了一系列的智能電燈，其集成了802.15.4無線、處理器、可控電流驅(qū)動及標(biāo)準(zhǔn)A19外層的LED。這些電燈兼容了歐司朗的網(wǎng)關(guān)，允許分組、現(xiàn)場編程且不需要墻面調(diào)光器即可調(diào)光。智能電燈價(jià)格不低，但若考慮到其智能調(diào)光器的成本及長達(dá)11年多的使用壽命，這款產(chǎn)品或許更具吸引力，尤其是對那些有房產(chǎn)且不愿意總是更換智能調(diào)光器的客戶則更具魅力。

家庭自動化要大放異彩可能亦無其他方式，非住宅照明不可。例如，結(jié)合自動控制，可調(diào)色LED燈可以產(chǎn)生一系列的效果。譬如，人們可以將客廳的局部照明設(shè)置為深藍(lán)色，營造一種劇院電影之夜的氛圍；或?qū)⒉蛷d的燈調(diào)為紅色，仿佛在享受一場浪漫的晚餐。更加實(shí)在的是，家庭自動化系統(tǒng)可以自動調(diào)控臥室的燈光，使之隨著日出逐漸變亮，若有需要，高色溫還可以呈現(xiàn)晴空萬里的效果。盡管這些系統(tǒng)尚未經(jīng)過試測，但模擬日光對于那些高緯度地區(qū)經(jīng)歷季節(jié)性情緒波動的人來說卻是極具吸引力——這是白熾燈無法比擬的。

在過去的一年里，大量家庭自動化系統(tǒng)涌入市場。住宅安全與暖通空調(diào)管理是市場上主要的應(yīng)用程序，門窗傳感器、門鈴按鈕和低幀頻監(jiān)控?cái)z像頭以及恒溫器則是領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。照明市場雖然受到全方位支持，但多數(shù)情況下，照明控制節(jié)點(diǎn)的安裝相比其他類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要復(fù)雜的多，因此市場相對滯后。

盡管家庭自動化技術(shù)已日臻完善，但其他因素可能在短期內(nèi)對家居市場造成一定的阻礙。其中最為關(guān)鍵的因素便是互操作性，或者說是缺乏來自不同供應(yīng)商的節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用軟件。

在家庭自動化市場中，Betamax對抗VHS的大戰(zhàn)早已展開廝殺。在頻繁的市場較量中，無論誰是贏家都不大可能展露技術(shù)優(yōu)勢。事實(shí)上，就技術(shù)方面而言，Betamax是較為高級的版本，其成本效益、方便性、可用性及四聲道音頻使之曾經(jīng)一度占據(jù)家庭娛樂產(chǎn)品市場。

自那以來，消費(fèi)市場對于可以支持給定應(yīng)用程序技術(shù)產(chǎn)品的互操作有了一定的期待。這里可以與WiFi設(shè)備進(jìn)行一個比照。你可以從Netgear公司購買無線路由器，從Linksys購買增程器，從HP購買打印機(jī)及從Canon購買相機(jī)，沒有誰會在意這些設(shè)備的WiFi出自哪里，更別提筆記本、平板電腦或手機(jī)的WIFI?；ゲ僮餍允墙o定的。

在家庭自動化市場中，互操作性即使存在也并不那么明顯。供應(yīng)商的市場營銷方案對于這個話題緘口不提。這樣看來,如果你買一個品牌系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，那你所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用程序軟件都要鎖定這一品牌。盡管技術(shù)方面已準(zhǔn)備就緒，但市場仍舊不大穩(wěn)定。

另一方面，如果家庭自動化供應(yīng)商轉(zhuǎn)向可互操作系統(tǒng)，用戶可以選擇根據(jù)自身的喜好選擇最適合的HMI軟件、最符合其預(yù)算的網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)需求及最能滿足其應(yīng)用程序需求的個人節(jié)點(diǎn)。

此外，雖然一些公司已經(jīng)將家庭自動化作為備選方案，但市場還遠(yuǎn)未成熟，仍需大量的技術(shù)支持和積累來贏取一場漂亮的戰(zhàn)役。有些案例如硅供應(yīng)商Analog Devices，該公司提供用于溫度或濕度測量的傳感器和低功耗傳感器前端，以及煙霧或近端探測節(jié)點(diǎn)。其還提供兼容IEEE-802.15.4的收發(fā)器，用于全局2.4-GHz帶寬和特定地理位置的sub-GHz帶寬以及集合了模擬和混合信號的信號處理電路。

日本村田公司提供了一個基于鐵氧體基片的微型直流-直流轉(zhuǎn)換器，其嵌入了功率電感器和輸入輸出電容，用于簡單的6 mm2至28mm2插入式電力子系統(tǒng)（具體取決于功能和最大負(fù)載電流）。公司還提供可兼容IEEE-802.11-b/g/n的網(wǎng)絡(luò)控制器模塊，該模塊支持WPA和WPA2相移鍵控WiFi保護(hù)訪問和WPSWiFi保護(hù)設(shè)置，并適合30.5 x 19.4mm空間。

如果您的應(yīng)用程序適用于嵌入式白色LED，TE Connectivity提供LED插座和支撐產(chǎn)品。各種型號均可兼容Cree XLamp、Osram Soleriq、Philips Lumiled及其他LED生產(chǎn)線的可用產(chǎn)品。