二合一的智能照明和聯(lián)接方案

在智能建筑應(yīng)用中，照明是建筑物的基礎(chǔ)功能，除了通過智能照明控制以達(dá)到節(jié)省能源、提高效率的目標(biāo)外，通過可見光通信（VLC）技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，同時(shí)提供了二合一的智能照明和聯(lián)接方案。本文將為您介紹VLC技術(shù)的發(fā)展，以及安森美（onsemi）推出的相關(guān)解決方案。

高效率、易管理的智能照明解決方案

智能建筑是基于智能網(wǎng)絡(luò)體系，使IoT產(chǎn)品之間實(shí)現(xiàn)溝通交流，通過互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程感知、控制以及居家建筑里一系列自動(dòng)化電子設(shè)備的編程。比如休假時(shí)屋主可通過手機(jī)、平板或者個(gè)人電腦開啟房屋的安保系統(tǒng)、控制溫度、啟動(dòng)或關(guān)閉電器、控制燈光照明、設(shè)置家庭影院或其他娛樂系統(tǒng)等等各種操作。

智能建筑的實(shí)現(xiàn)需要滿足一些基本要求，包括設(shè)備應(yīng)具有某種程度的智能化，應(yīng)相互聯(lián)接并聯(lián)接到云端，應(yīng)具有從原本的主要功能中進(jìn)行拆解得出新應(yīng)用的能力（例如，音響還能用作播放警報(bào)），并應(yīng)能夠在設(shè)備之上添加新的設(shè)備、應(yīng)用和服務(wù)。

無論是家庭、商業(yè)還是工業(yè)用途的建筑物，都需要采用內(nèi)部照明。如今在建筑中的照明系統(tǒng)已經(jīng)擁有了實(shí)現(xiàn)高效和省電的可能性。當(dāng)前的LED照明已基本上取代了白熾燈和鹵素?zé)襞?，但照明的供電和使用方式并沒有太大變化。安裝照明的傳統(tǒng)方法是鋪設(shè)電源電纜到計(jì)劃的燈具位置。然而，市電是交流電源，但LED需要直流電源，這說明需要一個(gè)變壓器（對(duì)交流電進(jìn)行整流），通常還需要一個(gè)額外的DC-DC轉(zhuǎn)換器來對(duì)變壓器的直流輸出進(jìn)行下變頻。

想象一下，如果能夠?qū)⒅绷麟娫绰酚傻綗艟撸⒖紤]利用燈具做一些其他的工作，而不僅僅是為單個(gè)房間提供照明，將會(huì)更有意義。事實(shí)上，燈具除了照明之外，還可以提供一系列不同的功能。例如，通過在照明設(shè)備上加裝溫度、濕度和圖像的傳感器，可以監(jiān)測(cè)房間的溫度、濕度和房間占用情況。通過為這些方案添加有線或無線連接功能，終端用戶能夠在云端追蹤所有相關(guān)信息，實(shí)時(shí)地進(jìn)行設(shè)置調(diào)整，從而提高效率、舒適度和安全性。所有這些裝置都是互聯(lián)的，且可以進(jìn)行管理，以使智能建筑以最高效率運(yùn)行。此外，考慮如何將單個(gè)燈具聯(lián)接起來，整合成一個(gè)照明系統(tǒng)，將可在建筑管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化照明。

不過，想要達(dá)到上述的功能，便需要解決如何為燈具提供傳感器所需的直流電源和可靠的數(shù)字聯(lián)接等問題，由于節(jié)能建筑使用大量絕緣材料并且墻壁較厚，因此可排除無線技術(shù)。以太網(wǎng)供電（PoE）是個(gè)很好的候選方案，因?yàn)橹悄芙ㄖF(xiàn)在通常都鋪設(shè)了Cat5或Cat6以太網(wǎng)電纜作為標(biāo)準(zhǔn)配置。將以太網(wǎng)電纜路由到燈具以取代主電源電纜，并可以提供聯(lián)接（以選定的速度）。以太網(wǎng)供電（PoE）還可將直流電壓輸送到傳感器和燈具。

可見光通信解決室內(nèi)定位與數(shù)據(jù)傳輸問題

另一方面，可見光通信（VLC）技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位與數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋ｎ櫭剂x，VLC使用光而不是射頻（RF）進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成調(diào)制光并傳輸?shù)浇邮掌?。調(diào)制光由接收器端的圖像傳感器或光電二極管捕獲，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，系統(tǒng)微控制器隨后對(duì)其進(jìn)行處理。

事實(shí)上，VLC并不是新技術(shù)，在1880年代便已經(jīng)有相關(guān)技術(shù)，但受限于光源的穩(wěn)定性不足等因素，VLC技術(shù)并未得到發(fā)展，而LED技術(shù)的最新進(jìn)展使VLC的適用性和效率得以恢復(fù)。新的LED技術(shù)使得使用相同的LED進(jìn)行照明和通信變得更加容易，無需搭配單獨(dú)的通信基礎(chǔ)設(shè)施。VLC無需安裝和部署單獨(dú)的通信節(jié)點(diǎn)、接入點(diǎn)或信標(biāo)，而是可以集成到現(xiàn)有燈具之中。

使用可見光作為數(shù)據(jù)載體具有顯著優(yōu)勢(shì)，即信息訪問點(diǎn)或廣播點(diǎn)可以集成到現(xiàn)有的燈具基礎(chǔ)設(shè)施中，從而節(jié)省安裝成本和復(fù)雜性。采用不需要深度調(diào)制幅度的調(diào)制技術(shù)，并保持穩(wěn)定的平均亮度水平，將保持用戶預(yù)期的照明水平。通過從幾kHz以上的調(diào)制頻率開始工作，數(shù)據(jù)流將保持對(duì)人眼完全不可見。

光通信當(dāng)然永遠(yuǎn)不會(huì)取代射頻通信，它是一種互補(bǔ)技術(shù)，在許多用例中，將共存甚至合作，以在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)果。VLC的主要應(yīng)用之一是工業(yè)環(huán)境中的室內(nèi)定位系統(tǒng)，使用該技術(shù)識(shí)別包裹或叉車等資產(chǎn)的位置。只需要在每個(gè)LED鎮(zhèn)流器嵌入一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)符，指示出在建筑物內(nèi)的位置，LED鎮(zhèn)流器通過可見光向接收器發(fā)出信號(hào)，接收器通過檢測(cè)代碼便可計(jì)算出位置，接收器可以是傳感器相機(jī)模塊或光電二極管。

在最簡(jiǎn)單的形式中，移動(dòng)單元可以有一個(gè)預(yù)編程的平面圖。平面圖數(shù)據(jù)庫(kù)包含唯一ID和燈具位置，燈具將不斷傳輸其唯一ID。移動(dòng)單元上的光學(xué)傳感器或攝像頭模塊可捕獲ID，通過應(yīng)用程序可進(jìn)行三角測(cè)量以取得移動(dòng)單元的位置，在現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)在三個(gè)維度上低至10~15厘米的精度。

為燈具設(shè)計(jì)人員提供一站式解決方案

目前市面上已經(jīng)有各式各樣的聯(lián)網(wǎng)燈具，但目前市面上的方案通常使用一個(gè)單獨(dú)的LED光源驅(qū)動(dòng)IC，和一個(gè)用于數(shù)據(jù)連接的PoE控制器。安森美推出的NCL31010則將兩個(gè)器件集成到一個(gè)封裝中，使單個(gè)燈具成為完全互聯(lián)和管理的照明系統(tǒng)的一部分，并可實(shí)現(xiàn)許多其他功能。

該器件經(jīng)由PoE可提供超過90 W的功率，并含兩個(gè)輔助DC-DC轉(zhuǎn)換器，可為微控制器和傳感器供電。該器件的一個(gè)創(chuàng)新應(yīng)用是VLC，這是使用單獨(dú)的LED驅(qū)動(dòng)器和PoE控制器的照明系統(tǒng)所無法實(shí)現(xiàn)的。這涉及將（不可見的）數(shù)據(jù)直接調(diào)制到LED燈上，使其充當(dāng)室內(nèi)定位系統(tǒng)（例如Yellow Dot?）的定位信標(biāo)，從而克服目前其他無線系統(tǒng)（GPS、Wi-Fi?等）在室內(nèi)定位用途上精度不足的顯著問題。

如此一來，LED燈具的功能將不僅僅是簡(jiǎn)單地照亮建筑物內(nèi)部，通過PoE這種供電和聯(lián)接方案，可支持燈具提供一系列其他智能功能，以支持實(shí)現(xiàn)建筑自動(dòng)化。NCL31010將為燈具設(shè)計(jì)人員提供一站式方案，來管理他們的供電和聯(lián)接要求。

高度集成、多功能的LED驅(qū)動(dòng)器

NCL31010這款PoE接口LED驅(qū)動(dòng)器，包含通過PoE設(shè)計(jì)連接和管理照明系統(tǒng)所需的所有元素，包括VLC（50kHz帶寬）和室內(nèi)定位功能，并通過IEEE802.3bt/at/af標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，可提供超過90W的系統(tǒng)功率。

NCL31010集成了一個(gè)高效降壓LED驅(qū)動(dòng)器（97%），支持高帶寬模擬和PWM調(diào)光至零電流。包含兩個(gè)輔助DC-DC轉(zhuǎn)換器，例如為系統(tǒng)微控制器和傳感器供電，包括高精度計(jì)量（±1%）和診斷，以測(cè)量輸入和輸出電流和電壓、LED或系統(tǒng)溫度以及DC-DC電壓和電流。NCL31010集成了3.3V降壓轉(zhuǎn)換器，是可調(diào)2.5至24V降壓轉(zhuǎn)換器，并支持I2C或SPI串行接口。

NCL31000系列包括非PoE版本以適應(yīng)其他通信標(biāo)準(zhǔn)的NCL31000，以及支持多通道解決方案的縮減功能版本的NCL31001。NCL31000系列可應(yīng)用在互聯(lián)LED照明、可見光通信、室內(nèi)定位，常見的終端產(chǎn)品包括智能LED燈具、可管理LED照明系統(tǒng)、多通道LED照明等。

結(jié)語(yǔ)

智能照明是智能建筑應(yīng)用中的基礎(chǔ)，結(jié)合PoE與VLC技術(shù)，將可大幅降低建置的成本，并為許多新應(yīng)用打開了大門，克服了當(dāng)今射頻技術(shù)實(shí)施時(shí)的一些限制。憑借來自安森美的高度集成和高效的LED驅(qū)動(dòng)器，將可提供擴(kuò)展信息和定位服務(wù)的各種有價(jià)值附加技術(shù)，將會(huì)是智能照明應(yīng)用的理想解決方案。