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安森美半導體的智聯照明方案提供節能、安全性並加快創新

智聯照明是物聯網(IoT)應用中增長最高的領域之一,包括住宅和工業照明。高能效、低功耗和安全性是進行智聯照明創新和實現節能最重要的因素。安森美半導體提供藍牙低功耗(BLE)、Zigbee Green Power、乙太網路供電(PoE)等多種低功耗聯接方案,滿足不同照明應用場景的聯接需求,其免電池方案省去佈線或更換電池的麻煩,無需維護,為簡化和加快設計,安森美半導體不久將推出模組化多聯接、多感測器智聯照明平台,供設計人員用作參考設計,以實現大樓自動化的節能和創新。

智聯照明市場趨勢和使能技術

照明技術經過多年發展,不斷呈現出新的趨勢。

高能效是永恆不變的主題。自LED開始取代傳統燈泡,為照明節能向前邁進一大步。但這還不夠。現代照明技術需要能根據實際環境來動態調整照明強度,如根據不同的自然光條件、建築物採光條件來決定最佳的照明。此外,還需要根據使用者的狀態來調整光照,如在辦公室或工廠,照明系統需要根據是否有使用者在場來決定為相應區域提供多少照明,這也不能只是簡單地點亮或關閉燈泡,還需調整光照,使得整個場所的光照強度能均勻的過渡,否則將會影響其他使用者的體驗。

此外,模組化的設計會更受歡迎,典型的例子如開關、調光器之類的元件不再是固定在牆上,而是做成一個小模組,可隨意移動和重新佈局,如後文將介紹的免電池開關。

照明還可用來提供室內定位,如使用可見光通訊,利用智慧手機的攝影機進行用戶的室內定位,這在超市和商場有很好的應用場景,可使用戶快速找到想要的商品和服務,也可使商家通過雲端大數據進行深層次用戶喜好的分析。

從控制端來看,除了開關控制以外,移動端APP控制也已開始普及。隨著智慧語音的興起,包括電燈在內的智慧家居設備都已開始接入智慧語音控制平台,用戶可用語音來調整照明。還有廠商推出了能自動學習的照明系統,用戶將照明系統安裝完畢一段時間之後,系統可自動適應環境,根據環境決定最佳照明方案,整個過程無需人為干預。在商用場景下,照明已開始作為一項服務來出售,用戶無需為具體照明設備和施工、安裝過程操心,只需為每單位光照買單,整個服務交給供應商來完成。

另外還有一些新的應用,如通過照明改善人的作息,調整生理時鐘,再如農業照明可在自然光照不足的情況下補充合適的光照,從而增加農作物產量。

所有這些應用都需要相應的技術來實現,如模組化設計、整合度更高的智慧家居網關、大樓/家居自動化控制、人工智慧技術、BLE、PoE、電力線通訊(PLC)等。無論使用何種技術,對安全和低功耗的要求都是共同的。

智聯照明聯接需求及選項

從控制的角度,有基本的開關、調光和色溫控制。從通訊的角度,智聯照明需要有上行通訊和下行通訊的能力,如與定位有關的通訊,或通過用戶手機聯接後台的雲端服務的能力。從服務的角度,用戶希望廠商幫助管理能效,根據使用環境調整光照強度,實現自動化控制,整合感測器網路,及更方便地組網。

目前,市場上主流的聯接選項包括BLE、Zigbee Green Power、PoE等。BLE Mesh和Zigbee都用於家居/大樓自動化、照明、抄表等市場。在協議應用層方面,BLE Mesh原生地考慮了不同設備的互聯互通問題,Zigbee 3.0基於集群庫(ZCL)統一了應用層開發,還推出了跨平台的IoT通用開發語言Dotdot,為更廣泛的IoT聯接做好了準備。在聯接雲端方面,BLE可直接與智慧手機等移動設備聯接,Zigbee需通過網關。在路由方面,BLE Mesh採用受控泛洪,而Zigbee採用基於路徑開銷的路由演算法。設計人員可根據應用需求選擇最適合的選項。

1. BLE 網狀(Mesh)網路

安森美半導體針對BLE的產品如藍牙5 認證的RSL10系列,使用獨特設計達到業界最低功耗,在深度睡眠模式下的功耗僅62.5納瓦(nW),峰值接收功耗僅7毫瓦(mW)。

BLE最大的優勢是其在移動端應用普遍,具有廣泛的生態系統。此外,BLE是專門針對低功耗應用而設計,支持能量採集,符合物聯網(IoT)的應用趨勢,而且BLE從4.2版本開始支持Mesh網路,將簡單的點對點通訊擴展為多對多拓撲,從而提供更大範圍的端到端通訊,符合IoT應用中組網的需求。理論上,1個Mesh網路支持達32,000個節點,採用廣播的方式進行通訊,並內置安全網絡標準,實現“許多”設備與“許多其他”設備通訊的大規模設備聯網。不同設備之間易於互操作是BLE的另一個優點,因此近幾年越來越廣泛地應用於商業照明、智慧家居、大樓自動化、IoT感測器網路、資產追蹤等領域。

在一個典型的BLE Mesh網路中,所有節點都可收發資訊,網路中的節點可有一個或多個功能,如中繼節點轉發收到的資訊,代理節點使沒有藍牙Mesh堆疊的藍牙低功耗設備可與Mesh網路中的節點進行交互,朋友節點存儲低功耗節點的資訊,低功耗節點定期向朋友詢問新資訊以節能。

擴展Mesh網路的覆蓋範圍是通過中繼節點的轉發機制來實現。BLE Mesh規範限制消息轉發的次數不超過126次,同時已轉發過消息的節點不會再次轉發相同的消息,從而在擴展網路覆蓋範圍的同時防止網路阻塞。

BLE Mesh安全性是強制的,所有mesh消息都經過加密和身份驗證。可在網狀網路的生命週期內通過“密鑰刷新”程式來更改安全密鑰。擾碼使跟蹤網路內發送的消息變得困難,從而提供了一種隱私機制,使得難以跟蹤節點,使Mesh安全保護網路免受重放攻擊。此外,將設備添加到網狀網路中成為節點的過程,本身就是一個安全的過程。也可以安全地從網路中刪除節點,從而防止垃圾掃描攻擊。

2.  Zigbee Green Power

安森美半導體針對Zigbee 3.0的晶片如NCS36510。Zigbee基於IEEE 802.15.4物理層和MAC構建,是一種成熟、安全的聯接標準,已獲得了眾多智慧照明廠商的支持,如宜家、小米、飛利浦等,其新版本向前相容。Zigbee易於在大樓中實施,可靈活部署和重新配置,使用Mesh和較低干擾的物理層可進行遠距離聯接。從Zigbee 3.0開始,Zigbee協議針對電池供電等低功耗節點或免電池供電的能量採集方案推出了小型化的Zigbee Green Power子協議,符合節能、環保大趨勢。

免電池技術

免電池技術用於盡可能少維護或免維護如避免佈線、更換電池的某些智聯照明場景中,安裝更簡單,更具成本優勢,同時便攜、靈活,易於重新部署,符合環保、節能大趨勢。安森美半導體的能量採集開關方案就是個例子,結構簡單,可安裝到現有的開關面板上,部署靈活,無需施工和佈線,無需額外的DC-DC供電,無需電池,使用壽命長。該方案主要由采埃夫公司的能量採集機械開關和安森美半導體的Zigbee 系統單晶片(SoC) NCS36510構成,能量採集機械開關用於將機械能轉換為電能,並將此電能存儲在1個小電容中供後續晶片使用,協議棧採用DSR的Zigbee Green Power。根據客戶需求的不同,此方案中也可用BLE實現無線通訊。

3.  PoE

除了無線聯接,PoE近幾年也開始應用在照明場景中,因為最新的802.3bt供電能力已達90 W,足以滿足住宅照明的要求。PoE的最大優勢包括成本優勢,因為同一根線纜可同時傳輸電力和數據,也支持燈泡間的菊花鏈聯接,此外,有線通訊比無線通訊更安全可靠,而且在大多數商業大樓中都有乙太網路介面,部署方便。

安森美半導體的60 W PoE的智聯照明方案採用能量採集開關

在該免電池方案的無線通訊部分採用的是BLE RSL10,特別適合超低功耗的場景,另外,該方案還採用了2個有源電橋FDMQ8025A(內置4個MOSFET)、滿足802.3bt標準的受電設備(PD)端介面控制器IC NCP1095/96、支持類比調光和脈寬調製(PWM)調光的DC-DC 恆流降壓控制器FL7760、輸入電壓達150 V的線性穩壓器NCP781(用於給接收端的BLE晶片供電)。

圖1:安森美半導體的60 W PoE的智聯照明方案

此方案中,符合IEEE802.3bt的整合控制器提供達60 W的功率,能效達到90%以上,PWM調光頻率1.3 MHz,PWM調光占空比0至100%,可實現1000至6000流明的照明強度。

若設計人員想改變電源架構,可在該平台中添加隔離DC-DC,如安森美半導體的有源鉗位正激控制器NCP1566,它支持電壓模式、峰值電流控制模式兩種控制方式,整合過流、過壓、過功率保護和頻率同步功能,整個系統能效超過92%。

圖2:乙太網路供電-受電設備(PoE-PD) 設計採用DC-DC 轉換器

特別地,該方案PoE級的電源轉換能效達99.2%,幾個主要元件的紅外熱像圖如圖3所示,測試條件為PD端第8級71.3 W功率,PD 輸入的最低電壓和最高電流為41.1 VDC和 1.73 A,我們可看到在熱平衡的狀態下,整個板的最高溫度不超過53 ℃,無需額外的散熱處理。

圖3:主要元件的紅外熱像圖

工業照明平台模組化設計

工業照明的功率往往較高,同時在交流供電的情況下,一般需要進行功率因數校正(PFC),安森美半導體提供很多高性能PFC控制器供設計人員選擇,此外,可把不同的供電端口、環境檢測部分、移動端的控制部分、室內定位部分進行模組化設計,再組合起來,形成一個完整的智慧照明開發平台。

圖4:工業照明平台採用模組化設計

安森美半導體將推出模組化LED照明平台

新的平台支持BLE、Zigbee、PoE等多種通訊方式和交流輸入或PoE供電,輸出功率範圍10至70 W,照明強度1000至7000流明,支持開、關、調光、編程等上行鏈路控制和定位等下行鏈路操作, LED燈串、環境光、溫/濕度感測器等都是模組化的設計,可靈活組合,能效超過90%。

照明即平台促成更多創新

從市場的回饋來講,照明正成為一個新的平台,承載更多創新的應用,如燈具除了安裝燈泡外,還可嵌入越來越多的感測器,包括溫度、濕度、壓力等環境感測器、飛行時間(ToF)感測器、氣體感測器等。大面積Mesh網路的應用正促成創新的應用,如室內定位、尋路和導航、資產跟蹤、興趣點服務等,從而進一步提高智聯照明系統的投資回報率。

總結

智聯照明是IoT中增長最快的應用類別之一,其帶來的節能提供明確的投資回報率。智聯照明正被轉換成支持多個創新應用的平台,安森美半導體的低功耗互聯、無電池的能量採集方案正推動智聯照明的創新,並將推出模組化多聯接、多感測器智聯照明平台,助力設計人員更快實現大樓自動化的節能和創新。

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