具有低複雜度和低功耗的功率分配系統的製作方法
2023-04-25 22:18:56 4
本發明涉及用於控制經由網絡連接（例如區域網（LAN）連接）向負載元件（諸如——但不限於——照明系統的燈或照明器）分配功率的系統的領域。
背景技術：
智能對象是其主要功能是擴充有智能行為和通信能力的設備。許多日常設備可以通過在它們中嵌入某種智能而被更有效地或者以新的方式利用。這種趨勢已經出現在用於家庭和辦公室市場的一些照明產品中。示例是日光感測或存在檢測。這些是將若干對象與通信能力組合併且使它們不只是其部件的總和的簡單示例。隨著越來越多的設備將配備有微處理器和通信能力，將湧現更複雜的設備間行為。
為了控制照明器或其它負載設備，當今非常常見的是從（中央）控制器向照明器發送控制信號。例如，數字可尋址照明接口（DALI）和數字復用（DMX）是從燈控制器向照明器發送用於例如調光的命令的完全公知的協議。DALI或DMX信號通過導線被分配到照明器，並且照明器通過單獨且不同的導線連接到市電。
用於新通信支柱的非常可能的候選者是網際網路，其通過乙太網或其它LAN聯網啟用。乙太網具有以下主要優點：其無所不在，並且由於所涉及的巨大體積，為設備配備乙太網通信構件可以以低成本容易地進行。乙太網在1975年左右由Xerox開發並且後來歷經多次升級和改進。自乙太網向公知的8P8C/10BASE-T（或RJ45）連接器和布線過渡以來，其已經享有與較舊設備的完全後向兼容性。由於與該技術兼容的大量設備，這種形式的乙太網被料想存活更多年。
乙太網網絡上的大多數業務由網際網路協議（IP）分組組成。在1981年左右標準化到RFC 791中的網際網路協議是當今網際網路的支柱。它允許分組以高效且魯棒的方式在該網絡上行進。越來越多的設備正在加入網際網路，並且它們中的大多數不是傳統個人計算機（PC）或膝上型計算機。手機革命將通信設備放到每一個人的口袋裡。當前的智慧型電話革命將每一個人永久地連接到網際網路。這意味著每一個人都攜帶可以以若干方式與我們周圍的智能對象交互的設備。
對乙太網的非常令人感興趣的最新添加是還通過乙太網線纜遞送DC功率的能力，同時保持與不利用此功能的裝備完全兼容。在2003年首次標準化的IEEE 802.3af標準允許乙太網設備的高達15W的消耗。在2009年開發的第二標準將該消耗推到25W的功率。該保守限制的原因是期望與厚線纜捆兼容。對於一些使用情況，這不是要求，並且製造商已經創建了更高功率的乙太網供電（PoE）擴展。電源製造商甚至正在供應遞送每乙太網埠高達95W的產品或在單個乙太網線纜之上具有高達200W的功率輸送能力的功率模塊。對PoE的這些高功率擴展（不是符合任何IEEE標準，而是通常提供一定水平的兼容性）大部分用於新興應用，諸如PoE膝上型計算機、電視和高性能相機。儘管這樣的功率水平顯然要求關於線纜布局的考慮，但是其提供直接從乙太網開關為甚至大功率的照明器供電的潛力。
PoE是向設備輸送功率和數據的標準化方式。PoE日益用於例如監控相機、IP語音（VoIP）電話、計算機監視器乃至照明器。它可以用於所有種類的低功率負載，比如照明裝備（傳感器、開關、光源等）或娛樂器具，比如有源揚聲器、網際網路收音機、DVD播放器、機頂盒乃至電視機。這樣的優點在於功率和控制數據通過相同線纜傳輸。這意味著不必安裝用於功率和用於數據的單獨線纜（就像如果數據由例如DALI提供的情況一樣）。對於PoE，可以使用Cat5線纜。這些線纜一般以多種多樣的長度並且以非常低的成本可用。可替換地，可以使用Cat6或Cat7線纜。
大多數PoE開關提供了根據簡單網絡管理協議（SNMP）通過命令管理埠的可能性。SNMP實現了例如以下功能：
– 接通和關斷特定埠；
– 測量PoE設備正在從特定埠汲取的功率；以及
– 設置定時器以在給定時間接通/關斷埠。
圖1示出PoE照明設施的示意性架構。兩組N個照明器10-1至20-N和22-1至22-N連接到相應PoE開關10、12，並且數據（乙太網）和功率（PoE）通過Cat5線纜（或任何其它多導線線纜）從PoE開關10、12傳輸至每一個照明器。N可以是任何值，典型地N可以在4至48的範圍中。在圖1的示例中，經由供電電網110向PoE開關10、12供給功率，並且經由乙太網連接或總線120在每一個PoE開關處提供有線乙太網。然而，還可以經由無線連接提供網際網路連接。在圖1中，兩個PoE開關10、12通過Cat5線纜呈菊花鏈式連結以向每一個PoE開關10、12提供乙太網。任一個PoE開關使其相應的照明器20-1至20-N或22-1至22-N連接到它，但是這還可以是照明器和其它PoE設備的組合。在圖1中的示例中，存在連接成檢測例如日光的佔用或存在的兩個傳感器30、32。傳感器30、32可以向特定照明器子集給出命令，例如以在檢測到存在時接通。
圖2示出具有PoE開關10、照明器20-1至20-N和用戶接口（UI）40的圖1的PoE照明系統的更詳細的架構。類似的架構例如公開在WO 2012/028981 A1中。在一個照明器20-1中示出驅動器202。其它照明器的驅動器未示出。在PoE開關10中，指示了電源單元（PSU）102。每一個照明器20-1至20-N和22-1至22-N包含驅動器202以向（多個）光源施加正確的電流和電壓，該光源可以是發光二極體（LED）、經磷光體轉換的LED、有機LED（OLED）、雷射二極體、經磷光體轉換的雷射二極體、螢光燈、滷素燈、高強度放電（HID）燈和/或超高性能（UHP）燈。驅動器202一般可以是可調光的，並且可以根據其從UI 40接收的信號進行調光。而且接通和關斷燈可以通過經由乙太網連接提供的數據來控制。UI 40可以是經由乙太網連接到PoE開關10、12並且運行適當的軟體以生成針對照明器20-1至20-N的命令（例如調光、接通和關斷等）的PC。
可替換地，UI 40可以是經由乙太網連接120提供針對照明器20-1至20-N的控制數據的專用設備（例如面板）。
IP受控照明器20-1至20-N提供了許多優點，如以上所描述的。然而，由於在每一個照明器中對乙太網的需要的緣故，成本是高的。此外，當照明器20-1至20-N關斷時，在系統中仍舊存在某種功耗，因為乙太網在每一個照明器中仍舊是活躍的並且因為PoE開關10中的PSU 102仍舊接通。
另外的缺點是必須容納在照明器20-1至20-N中的驅動器202的尺寸。對於一些照明器類型，該尺寸不成問題，但是對於一些照明器類型，小型化是有價值的驅動因素。
US 2010/0171602 A1公開了一種管理代理，其能夠訪問負載共享構件、功率計、數字電子通信開關的功率輸出控制電路，並且具有管理開關中的開關電路的功率的能力。功率計使得管理代理能夠標識由被啟用和操作中的開關電路消耗的功率。該信息（加上經由PoE分派到每一個埠的功率的知識）和指定功率分派偏好的策略信息被用在雙程功率管理方法中。
技術實現要素：
本發明的目的是實現一種具有低複雜度和低功耗的基於LAN的功率分配控制系統，其能夠開關各個負載設備。
該目的通過如權利要求1中所要求保護的控制設備、如權利要求8中所要求保護的負載設備、如權利要求9中所要求保護的系統、如權利要求11中所要求保護的方法以及如權利要求14中所要求保護的電腦程式產品實現。
因此，具有低複雜度的負載設備（例如照明器等）可以被提供並且經由LAN連接（例如通過PoE）供電而不以IP節點為特徵。這是具有吸引力的，因為利用這樣的系統，基於LAN的電源的降低的安裝努力和複雜性可以同樣應用於不要求高級控制的設施。這可以通過使用一些網絡開關所具有的網絡管理協議能力來實現。另外，當僅要求受控負載設備的最小功能性時，可以實現功率分配系統的小尺寸和低功耗。特別地，當受控負載設備關斷時可以降低功耗。而且，照明器的尺寸可以最小化，因為不需要實現智能。
根據第一方面，網絡開關可以通過採用網絡掃描和探查網絡管理協議兼容的網絡開關的緩存表中的自身網絡地址來發現。由此，可以實現針對功率分配控制的網絡開關的自動檢測。
根據可以與以上第一方面組合的第二方面，所選LAN埠可以通過檢查所述發現的網絡開關的可用LAN埠的哪些二層地址緩存表（例如MAC地址緩存表或查找表）為空或者不具有連結來發現。這些發現的LAN埠（即其地址）然後可以存儲在控制設備的查找表中。因此，可以提供用於功率分配控制系統的自動調試的簡單且直接的方案。當負載設備（例如照明器）和控制設備（例如傳感器）連接到相同開關時，它們自動彼此配對。
根據可以與以上第一或第二方面組合的第三方面，控制設備包括壁式開關或用於檢測人的存在並且響應於檢測結果而發起功率開關操作的傳感器，或用於手動發起所述功率開關操作的用戶接口，或用於基於傳感器輸入控制照明的建築物管理系統。這允許針對所提出的低複雜度、低功率和低尺寸功率分配控制系統的寬廣範圍的實現方式。
根據可以與以上第一至第三方面中的至少一個組合的第四方面，網絡開關可以是中跨設備。由此，控制設備不需要在其埠處提供LAN功能性，使得可以進一步降低整個功率分配控制系統的複雜性的功耗。
根據可以與第一至第四方面中的至少一個組合的第五方面，網絡開關可以適於在所有其LAN埠關斷的情況下關斷主電源單元。這允許功耗的甚至進一步的降低。
要指出的是，控制設備可以基於具有分立硬體組件、集成晶片或晶片模塊的布置的分立硬體電路或基於由存儲在存儲器中、寫入在計算機可讀介質上或者從諸如網際網路之類的網絡下載的軟體例程或程序控制的信號處理設備或晶片而實現。
應當理解的是，權利要求1的控制設備、權利要求8的負載設備、權利要求9的系統、權利要求11的方法和權利要求14的電腦程式產品具有類似和/或等同的優選實施例，特別地如從屬權利要求中所限定的。
應當理解的是，本發明的優選實施例還可以是從屬權利要求或以上實施例與相應獨立權利要求的任何組合。
本發明的這些和其它方面將從以下描述的實施例顯現，並且將參照以下描述的實施例進行闡述。
附圖說明
在以下附圖中：
圖1示出菊花鏈式PoE照明設施的示意性架構，
圖2示出圖1的PoE照明設施的更詳細的示意性框圖，
圖3示出根據第一實施例的功率分配控制系統的示意性框圖，以及
圖4示出根據第二實施例的自動系統配置過程的流程圖。
具體實施方式
現在基於用於照明系統的功率分配控制系統來描述本發明的實施例，其中各個照明器由至少一個SNMP受控PoE開關接通。
針對所提出的實施例的基礎在於PoE不必與IP控制組合。PoE標準具體地設計成允許PoE在沒有任何IP控制的情況下或者在甚至完全沒有乙太網數據的情況下使用。這意味著裝備可以在沒有IP節點的相關聯的成本、複雜性和功耗的情況下利用PoE，從而節省微控制器和乙太網收發器。在以下實施例中，提供作為所謂的「啞燈」的低成本照明器，其不以智能或通信構件為特徵，並且提出具有這些種類的照明器的功能照明系統。
必須實現的最小量的控制是能夠接通或關斷啞燈。利用PoE，可以開關到PoE開關的市電供給，但是這在PoE照明系統中不是所期望的。這具有接通/關斷連接到該開關的所有照明器的效果。然而，這還將破壞連接到該開關的所有設備的數據鏈路。因此，應當可能的是開關各個照明器並且還將要求連續數據鏈路的設備連接到開關。另外，開關過程可能太緩慢。在應用市電之後，使燈接通可能花費超過1分鐘。原因在於PoE認證可能花費高達2s，並且逐個埠地進行。
根據各種實施例，所提出的功率分配控制系統僅包括PoE照明器（即啞燈）並且使用傳感器或UI元件作為控制元件以發布簡單網絡管理協議（SNMP）命令來控制照明。SNMP是用於控制各種網絡裝備的協議。它例如被網絡管理員用於確定使用開關上的哪些埠以及甚至哪些介質訪問控制（MAC）地址與該埠相關聯。SNMP是在高端專業開關上提供的共同特徵。
使用SNMP不是控制照明的僅有方式。在此它僅作為示例來描述。由開關或中跨理解的任何協議將足以達成相同目的。
另外，提出控制設備與啞僅PoE照明器之間的自動調試。所要求的鏈路可以自動形成在位於相同網絡開關（即PoE開關）上的設備之間。為了實現這一點，通過利用SNMP來接通和關斷PoE開關的各個埠。
圖3示出根據第一實施例的功率分配控制系統的示意性框圖，其具有沒有任何顯著的處理和/或通信能力的示例性數目的四個啞燈60-1至60-4。啞燈60-1至60-4由PoE供電，但是不擁有除經由PoE輸送功率（這可以嵌入在PoE功率分配集成電路中）所必需的之外的任何顯著的處理/通信能力。當通過PoE施加電壓時，它們將接通，並且當不存在功率時，顯然它們將關斷。
啞燈60-1至60-4或其它種類的啞負載連接到PoE開關50。在PoE開關50上，一個或多個控制器（即接通/關斷開關）56設有IP節點功能性和SNMP能力。另外，向埠55-1至55-4供給數據和功率經由二層網絡開關54基於相應MAC地址而實現。經由到網際網路的連接130來提供用於IP上行鏈路業務的上行鏈路埠（UL）58。
功率分配控制系統自動工作，使得觸發連接到PoE開關50的乙太網埠P5的燈開關70（即照明控制開關或照明控制器）禁用功率從主電源單元（PSU）52經由PoE連接P向不包含IP節點的PoE開關50的那些埠（P1至P4）55-1至55-4的供給。因此，啞燈60-1至60-4連接到那些埠。
燈開關70經由PoE連接P被供電，並且經由乙太網數據連接D向PoE開關50發送命令以接通和關斷特定埠。燈開關70可以實現為簡單的壁式開關或者連接到與PoE開關50相同的乙太網網絡的傳感器，並且當檢測到人存在時可以接通和關斷啞燈60-1至60-4中的特定個體或全部。這可以通過向PoE開關50發送命令以接通和關斷PoE埠55-1至55-4中的特定個體或全部來進行。
作為可替換的選項，燈開關70可以實現為適於手動關斷PoE埠55-1至55-4中的特定個體或全部的UI。
作為另外的選項，燈開關70可以實現為建築物管理系統，其從傳感器和其它設備得到輸入並且使控制照明的程序運行（例如取決於日時、星期幾）。
為了實現這一點，燈開關70的IP節點必須能夠弄清楚其連接到的PoE開關50的IP位址。如果它知曉其連接到的PoE開關50的IP位址，那麼燈開關70的IP節點可以使用SNMP來啟用或禁用到啞負載的功率。還需要知曉PoE開關50的哪個埠（即圖3中的P1至P4）具有連接到此的啞PoE燈，以及哪個埠（即圖3中的P5）具有連接到此的完整IP節點。應當僅開關埠P1至P4處的啞節點。
因此，燈開關70能夠每PoE埠單獨地啟用/禁用PoE電源並且經由SNMP查詢MAC地址查找表。更具體地，燈開關70可以通過採用IP網絡掃描並且探查SNMP兼容的網絡開關的緩存表中的其自身MAC地址來發現其連接到什麼PoE開關。此外，燈開關70可以發現當燈開關70被觸發時開關的哪些PoE埠應當被接通/關斷的方式是通過檢查某個PoE埠的哪些MAC緩存表為空而同時PoE設備存在於另一側上來實現的。一種可替換方案是簡單地尋找不具有連結或具有空MAC緩存表的PoE埠。
PoE開關50可以藉助於中跨實現，該中跨然後可以藉助於SNMP命令來進行管理以便允許針對某些埠的通電/斷電控制。中跨包含沒有任何數據交換功能性的PoE的功率系列（power train）。當PoE開關50是開關時，它通常被稱為端跨或端點。否則，如果它為在不具有PoE能力的開關與PoE設備之間的居間設備，其被稱為中跨。例如，外部PoE注入器是中跨設備。中跨不向其埠提供乙太網。如果與開關相結合地使用，它允許數據連接。這提供進一步的成本降低和進一步的功率降低的優點。另一方面，PoE開關組合這些功能，提供數據和功率二者。這提供以下優點：低成本照明器（僅接通/關斷功能性）可以與具有智能並且接收實現所有種類的高級特徵（例如調光）的乙太網命令的常規照明器組合。
在第一實施例的修改中，PoE開關50可以適於接通和關斷其主PSU（電源單元）。如果所有埠P1至P5被關斷，主PSU 52可以被關斷，以便降低備用功率。此外，PoE開關50可以具有輔助PSU（在圖3中未示出），其具有用於微處理器的較低的電壓和較低的功率。該PSU將保持接通以接收接通主PSU 52的命令。
圖4示出根據第二實施例的自動系統配置過程的流程圖，其中照明控制設備（例如圖3的燈開關70）根據SNMP協議利用命令來控制PoE開關的PoE埠。
該過程在步驟S400中開始。首先，照明控制設備的IP節點必須找出其連接到的PoE開關的IP位址。在步驟S401中，該節點將從動態主機配置協議（DHCP）伺服器接收IP位址和網絡掩碼並且然後可以掃描其子網的所有IP位址以找到提供SNMP的主機。DHCP是用在IP網絡上的標準化聯網協議，其動態地配置IP位址和網際網路通信所需的其它信息。DHCP允許計算機和其它設備自動地從中央DHCP伺服器接收IP位址，從而減少對網絡管理員或用戶而言必須手動配置這些設置的需要。
在下一步驟S402中，照明控制設備的IP節點確定提供SNMP的主機是否是開關以及照明控制器的IP節點是否連接到該開關。這可以通過查詢針對每一個網絡埠存儲哪些MAC地址來進行。不是開關的SNMP主機將不具有與網絡開關的MAC列表相關聯的寄存器。在步驟S403中，照明控制器的IP節點檢查是否已經在寄存器之一中找到其MAC地址。如果在步驟S403中沒有找到IP位址，過程跳回到步驟S401並且重複掃描過程。作為可替換方案，過程可以在此停止。否則，如果已經在步驟S403中找到相關IP位址，照明控制器已經發現其連接到的PoE開關的SNMP節點的IP位址，並且過程繼續到步驟S404以找出應當接通/關斷PoE開關上的哪些埠。
既然照明控制器知曉其連接到的開關上的SNMP節點的IP位址，它可以在步驟S404中監視所發現的PoE開關維護的MAC列表。沒有相關聯的MAC地址的埠未被連接，或者僅包含沒有IP能力的PoE裝備。在下一步驟S405中，照明控制器檢查是否已經找到沒有相關聯的MAC地址的（多個）埠。如果沒有找到，過程跳回到步驟S404並且重複監視過程。作為可替換方案，過程可以在此停止。如果照明控制器在步驟S405中確定已經找到沒有相關聯的MAC地址的至少一個埠，過程繼續到步驟S406並且所檢測到的埠被記住（例如存儲在查找表中）以用於隨後的開關操作，並且功率分配控制系統現在配置用於適當操作。在步驟S407中，過程結束。
圖4的以上過程，即找到連接到的開關的IP位址以及找出哪些埠包含啞燈，可以通過在照明控制器的IP節點上使用標準SNMP命令而在軟體中實現。
利用以上實施例，當僅要求受控負載設備的最小功能性時，可以實現功率分配系統的低複雜度、小尺寸和低功耗。特別地，當受控負載設備關斷時，功耗降低。而且，照明器的尺寸可以最小化，因為不需要實現智能。然而，照明器和PoE開關仍舊與更高級的PoE照明系統兼容。這例如在其中不需要高級控制的任何情形中是有益的。其可以與智能照明器無縫地組合。
總結來說，已經描述了一種用於控制經由LAN連接向負載元件分配功率的系統。低成本照明器或其它負載元件可以經由LAN連接來供電（例如通過乙太網供電（PoE））而沒有以網際網路協議（IP）節點為特徵。這是具有吸引力的，因為利用這樣的系統，PoE的安裝成本下降益處同樣可以適用於不要求高級控制的設施。這意味著為了接通或關斷它們，必須啟用或禁用開關的LAN埠上的電源。當負載元件和負載控制器（例如照明控制器或燈開關）連接到相同開關時，它們自動彼此配對。這可以通過使用一些網絡開關所具有的網絡管理協議能力來實現。這允許容易的安裝和自動直觀的調試。
雖然已經在附圖和前述描述中詳細說明和描述了本發明，但是這樣的說明和描述要被視為是說明性或示例性的而非限制性的。本發明不限於具有作為負載設備的燈或照明器的所公開的實施例。其可以關於用於DC分配網絡的任何類型的負載設備而實現，諸如所有種類的低功率負載，比如照明裝備（傳感器、開關、光源等）或娛樂器具，比如有源揚聲器、網際網路收音機、DVD播放器、機頂盒乃至電視（TV）機。
所提出的控制系統可以用於實現到PoE照明網絡中的最小控制特徵。它將基於物理網絡基礎設施而提供簡單的接通/關斷功能性和自動調試。
本領域技術人員在實踐所要求保護的發明時，通過研究附圖、公開內容和隨附權利要求，可以理解和實現對所公開的實施例的其它變型。在權利要求中，詞語「包括」不排除其它元件或步驟，並且不定冠詞「一」不排除多個。單個處理器或其它單元可以履行權利要求中敘述的若干項的功能。在相互不同的從屬權利要求中敘述某些措施的僅有事實不指示這些措施的組合不能用於獲益。
前述描述詳述了本發明的某些實施例。然而，將領會到的是，無論前文在文本上看起來多麼詳細，本發明都可以以許多方式實踐，並且因而不限於所公開的實施例。應當指出的是，當描述本發明的某些特徵或方面時特定術語的使用不應當理解為暗示該術語在本文中被重定義成限於包括該術語與其相關聯的本發明的特徵或方面的任何具體特性。
單個單元或設備可以履行權利要求中敘述的若干項的功能。在相互不同的從屬權利要求中敘述某些措施的僅有事實不指示這些措施的組合不能用於獲益。
比如在圖4中指示的操作那樣的所描述的操作可以實現為電腦程式的程序代碼構件和/或實現為專用硬體。電腦程式可以存儲/分布在與其它硬體一起或者作為其部分而供應的合適的介質上，諸如光學存儲介質或固態介質，但是還可以以其它形式分布，諸如經由網際網路或其它有線或無線電信系統。