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一．前言：
隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的不斷進(jìn)步，大功率LED照明應(yīng)用的普及，人們對 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)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將建筑物內(nèi)的各種 LED 照明器具有機的連接在一起，實現(xiàn)有效的管理和控制。
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)、LED、TCP/IP、DMX512、DALI、RS-485、DMX-NET
二．以太網(wǎng)、TCP/IP簡介：
以太網(wǎng)(Ethernet)是一種計算機局域網(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、電信號和介質(zhì)訪問層協(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沖突，最大程度的提高網(wǎng)絡(luò)速度和使用效率，使用交換機（Switch）來進(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?CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Derect 即帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問) 的總線爭用技術(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)分成若干個數(shù)據(jù)包，并給每個數(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)按順序還原為原來的格式。 IP 協(xié)議在每個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。(就像信封上要寫明地址一樣) 如果傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)失真等情況， TCP 協(xié)議會自動要求數(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，因此是個傳輸控制協(xié)議。
三. DMX512簡介:
了解燈光的從業(yè)人員都會知道這種協(xié)議，它是當(dāng)今使用最廣的燈光通訊協(xié)議。出于USITT（美國劇院技術(shù)協(xié)會）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 Mark After Break(MAB)為4uS，在隨后的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)常有訊號刷新的問題而把 MAB 延長為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于使用的另一大功臣是數(shù)十年來電腦燈具的迅速發(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導(dǎo)線（4 個連接口）來實現(xiàn)屏蔽，雖然只是需要其中一對。第二對導(dǎo)線用于未指定的可選場合中。必須注意的是一些調(diào)光器使用這些線來指示故障和狀態(tài)信息。如果調(diào)光器用第二個信道，則需要專門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)＋
四. 業(yè)界主流LED控制系統(tǒng)簡介：
4.1：串行控制系統(tǒng)，以級聯(lián)的方式進(jìn)行控制，每個燈的信號線采用一進(jìn)一出的方式。代表產(chǎn)品有標(biāo)準(zhǔn)595及兼容芯片，例如臺灣點晶的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產(chǎn)生，導(dǎo)致系統(tǒng)的傳輸速率過高，在工程應(yīng)用中容易受完成擾穩(wěn)定性差。
優(yōu)點：成本低，控制簡單，不需要設(shè)置地址，對于一些穩(wěn)定性、可靠性要求不是很高的項目可以采用此種控制方式。
缺點：信號線過多，通常需要5根信號線（時鐘、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)一個燈出現(xiàn)故障，影響后現(xiàn)一串燈的正常工作。
信號線采用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，否則兩者無法兼容。
4．2：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，其中分為DALI總線和RS485總線兩大類。
4.2.1 DALI簡介：
上世紀(jì)90年代末，照明工業(yè)開發(fā)了DALI標(biāo)準(zhǔn)（Digital Addressable Light Interface）。這個數(shù)字可尋址照明接口被設(shè)計取代傳統(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、分布式的新一代開放數(shù)字照明系統(tǒng)。這個新的開放標(biāo)準(zhǔn)對于照明控制解決方案的未來業(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DALI網(wǎng)絡(luò)包括最大的64個單元（可獨立地址），16個組及16個場景。DALI總線上的不同照明單元可以靈活分組，實現(xiàn)不同場景控制和管理。在實際應(yīng)用中，一個典型的DALI控制器控制多達(dá)40～50盞燈，可分成16個組，同時能夠并行處理一些動作。在一個DALI網(wǎng)絡(luò)中，每秒能處理30～40個控制指令。這意味著控制器對于每個照明組，每秒需要管理2個調(diào)光指令。DALI并不是真正的點對點網(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。
顯然DALI不適合LED照明控制，一個DALI網(wǎng)絡(luò)只能控制21盞全彩LED燈具。DALI是面向傳統(tǒng)照明控制的，注重的是系統(tǒng)的靜態(tài)控制及可靠性、穩(wěn)定性、兼容性。而LED照明系統(tǒng)的規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于DALI系統(tǒng)，主要追求燈具藝術(shù)效果表現(xiàn)力，適當(dāng)?shù)募骖櫹到y(tǒng)的智能化，這就要求系統(tǒng)具有無限擴展能力和較高的場景刷新能力。
4.2.2 RS-485簡介：
RS-485 標(biāo)準(zhǔn)最初由電子工業(yè)協(xié)會（EIA） 于1983 年制訂并發(fā)布，后由TIA—通訊工業(yè)協(xié)會修訂后命名為TIA/EIA-485-A，不過工程師還是習(xí)慣地稱之為RS-485。RS-485 由RS-422 發(fā)展而來，后者是為彌補 RS-232 之不足而提出的。為改進(jìn) RS-232 通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長到4000英尺（速率低于100kbps時），并允許在一條平衡線上連接最多10 個接收器。RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向平衡傳輸規(guī)范，為擴展應(yīng)用范圍，隨后又為其增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護(hù)特性，擴展了總線共模范圍，這就是后來的 EIA RS-485標(biāo)準(zhǔn)。
RS-485 是一個電氣接口規(guī)范，它只規(guī)定了平衡驅(qū)動器和接收器的電特性，而沒有規(guī)定接插件、傳輸電纜和通信協(xié)議。RS-485 標(biāo)準(zhǔn)定義了一個基于單對平衡線的多點、雙向（半雙工）通信鏈路，是一種極為經(jīng)濟、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。RS-485接口的主要特點如下：
1.平衡傳輸
2.多點通信
3.驅(qū)動器輸出電壓（帶載）≥1.5V
4.接收器輸入門限：±200mV
5.-7V 至+12V 總線共模范圍
6.最大輸入電流：1.0mA/-0.8mA（12Vin/-7Vin）
7.最大總線負(fù)載：32個單位負(fù)載（UL）
8.最大傳輸速率：10Mbps
9.最大電纜長度：4000英尺
RS485只規(guī)定物理層，留給各廠商充分發(fā)揮空間。世界上多種現(xiàn)場總線（包括DMX512）物理層均使用RS485協(xié)議。在LED照明控制領(lǐng)域，大家通行的做法是每個LED燈具內(nèi)置一片MCU控制并通過RS485接口芯片連接到RS485總線上，用一臺控制器對RS485總線上的每個MCU發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。由于這種控制方式需要對每個燈具設(shè)定地址，在工程應(yīng)用中很不方便。雖然各控制系統(tǒng)廠商都是用RS485協(xié)議，但應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)還未統(tǒng)一，所以造成各個廠商的產(chǎn)品無法兼容，既燈具廠商的燈具只能由燈具廠商指定的控制系統(tǒng)控制。
五．DMX-NET系統(tǒng)介紹：
由于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、DMX512標(biāo)準(zhǔn)的普及和快速發(fā)展，在LED照明控制領(lǐng)域，采用現(xiàn)有成熟的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，DMX512標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品是相當(dāng)明智的方法。使用以太網(wǎng)、TCP/IP、DMX512作為LED照明控制意味著擁有大量現(xiàn)成眾多的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、軟件資源、DMX512產(chǎn)品。例如控制臺、集線器、電纜、光纖和無線連接產(chǎn)品以及遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測技術(shù)，此外現(xiàn)有大樓和各種場所已遍布以太網(wǎng)，更可方便LED照明工程的臨時使用。
本公司基于以上因素把計算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和DMX512標(biāo)準(zhǔn)整合在一起，推出新一代LED智能照明控制系統(tǒng)“DMX-NET”系統(tǒng)。本系統(tǒng)融合兩種技術(shù)的優(yōu)點，使整個系統(tǒng)的帶寬、距離、可靠性和雙向等功能的實現(xiàn)，這意味著在一個網(wǎng)絡(luò)里可同時連接的設(shè)備更多，且連接的距離更長，傳輸控制協(xié)議使LED照明系統(tǒng)的控制質(zhì)量和可靠性更高，雙向通訊使設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制更有效，因而構(gòu)筑大規(guī)?？煽康腖ED照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)成本更低。
5.1 DMX-NET系統(tǒng)架構(gòu)：
DMX-NET系統(tǒng)是基于TCP/IP協(xié)議和DMX512協(xié)議的系統(tǒng)，由傳輸TCP/IP協(xié)議的主干網(wǎng)絡(luò)和DMX512協(xié)議的子網(wǎng)組成。
5.2 DMX-NET系統(tǒng)組件功能：
基本PC機平臺的DMX-NET管理軟件整個系統(tǒng)的中心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)各項的功能控制及接收遠(yuǎn)程控制信號的控制，例如時間控制、場景控制、現(xiàn)場的藝術(shù)效果控制。
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點控制器負(fù)責(zé)接收系統(tǒng)發(fā)送的TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)、同時把TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為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信號控制LED燈的調(diào)光或開關(guān)。
整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向從計算機到以太網(wǎng)轉(zhuǎn)DMX512網(wǎng)絡(luò)節(jié)點到DMX Decoder。
5.3 DMX-NET網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：
DMX-NET系統(tǒng)主干網(wǎng)采用TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，并沒有規(guī)定物理層傳輸介質(zhì)，用戶可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模選擇合適的網(wǎng)絡(luò)類型，一個超大型LED燈光工程選擇光纖傳輸數(shù)據(jù)比較合適，中小型LED燈光工程選擇以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。
DMX-NET系統(tǒng)子網(wǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)DMX512協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，并針對DMX512起始地址的設(shè)置推出三種解決方案，有效克服了傳統(tǒng)DMX512設(shè)備需要撥碼開關(guān)來設(shè)置DMX512起始地址問題。
- 采用DMX寫地器手動設(shè)置DMX Decoder 起始地址。
- 采用DMX寫地器自動設(shè)置DMX Decoder 起始地址。
- 自適應(yīng)DMX起始地址技術(shù)，此方案不需要DMX寫址器設(shè)置DMX起始地址。系統(tǒng)各DMX Decoder 自動配置DMX起始地址。
六．結(jié)語：
DMX-NET系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于城市夜景亮化工程、室內(nèi)裝飾照明及顯示工程項目上，在色彩的表現(xiàn)能力、燈光的控制能力、環(huán)保節(jié)能等環(huán)節(jié)給人們?nèi)碌囊曈X享受。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、DMX512技術(shù)，全新的智能化LED照明控制系統(tǒng)必將給人類的照明觀念和照明文化帶來一場新的革命。
參考文獻(xiàn)
[1] www.usitt.org DMX512協(xié)議
[2] 《TCP/IP實用技術(shù)指南》 [美] M.F.Arnet等 清華大學(xué)出版社
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