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安森美半導體的智聯照明方案提供節能、安全性并加快創新

2020-02-26 09:01:21 安森美半導體

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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、以太網供電(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，其免電池方案省去布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塊化多聯接、多傳感器智聯照明平臺，供設計人員用作參考設計，以實現樓宇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。

高能效是永恒不變的主題。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、建筑物采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，模塊化的設計會更受歡迎，典型的例子如開關、調光器之類的器件不再是固定在墻上，而是做成一個小模塊，可隨意移動和重新布局，如后文將介紹的免電池開關。
照明還可用來提供室內定位，如使用可見光通信，利用智能手機的攝像頭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，也可使商家通過云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。隨著智能語音的興起，包括電燈在內的智能家居設備都已開始接入智能語音控制平臺，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后，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，調整生物鐘，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，如模塊化設計、集成度更高的智能家居網關、樓宇/家居自動化控制、人工智能技術、BLE、PoE、電力線通信(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。從通信的角度，智聯照明需要有上行通信和下行通信的能力，如與定位有關的通信，或通過用戶手機聯接后臺的云端服務的能力。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，整合傳感器網絡，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都用于家居/樓宇自動化、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基于集群庫(ZCL)統一了應用層開發，還推出了跨平臺的IoT通用開發語言Dotdot，為更廣泛的IoT聯接做好了準備。在聯接云端方面，BLE可直接與智能手機等移動設備聯接，Zigbee需通過網關。在路由方面，BLE Mesh采用受控泛洪，而Zigbee采用基于路徑開銷的路由算法。設計人員可根據應用需求選擇最適合的選項。

1. BLE 網狀(Mesh)網絡

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，支持能量采集，符合物聯網(IoT)的應用趨勢，而且BLE從4.2版本開始支持Mesh網絡，將簡單的點對點通信擴展為多對多拓撲，從而提供更大范圍的端到端通信，符合IoT應用中組網的需求。理論上，1個Mesh網絡支持達32,000個節點，采用廣播的方式進行通信，并內置安全網絡標準，實現“許多”設備與“許多其它”設備通信的大規模設備聯網。不同設備之間易于互操作是BLE的另一個優點，因此近幾年越來越廣泛地應用于商業照明、智能家居、樓宇自動化、IoT傳感器網絡、資產追蹤等領域。

在一個典型的BLE Mesh網絡中，所有節點都可收發信息，網絡中的節點可有一個或多個功能，如中繼節點轉發收到的信息，代理節點使沒有藍牙Mesh堆棧的藍牙低功耗設備可與Mesh網絡中的節點進行交互，朋友節點存儲低功耗節點的信息，低功耗節點定期向朋友輪詢新信息以節能。

擴展Mesh網絡的覆蓋范圍是通過中繼節點的轉發機制來實現。BLE Mesh規范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，從而在擴展網絡覆蓋范圍的同時防止網絡阻塞。

BLE Mesh安全性是強制的，所有mesh消息都經過加密和身份驗證。可在網狀網絡的生命周期內通過“密鑰刷新”程序來更改安全密鑰。擾碼使跟蹤網絡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安全保護網絡免受重放攻擊。此外，將設備添加到網狀網絡中成為節點的過程，本身就是一個安全的過程。也可以安全地從網絡中刪除節點，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的芯片如NCS36510。Zigbee基于IEEE 802.15.4物理層和MAC構建，是一種成熟、安全的聯接標準，已獲得了眾多智能照明廠商的支持，如宜家、小米、飛利浦等，其新版本向前兼容。Zigbee易于在樓宇中實施，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采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

免電池技術用于盡可能少維護或免維護如避免布線、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，易于重新部署，符合環保、節能大趨勢。安森美半導體的能量采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，無需施工和布線，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采集機械開關和安森美半導體的Zigbee 系統單芯片(SoC) NCS36510構成，能量采集機械開關用于將機械能轉換為電能，并將此電能存儲在1個小電容中供后續芯片使用，協議棧采用DSR的Zigbee Green Power。根據客戶需求的不同，此方案中也可用BLE實現無線通信。

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，有線通信比無線通信更安全可靠，而且在大多數商業樓宇中都有以太網接口，部署方便。

安森美半導體的60 W PoE的智聯照明方案采用能量采集開關

在該免電池方案的無線通信部分采用的是BLE RSL10，特別適合超低功耗的場景，另外，該方案還采用了2個有源橋FDMQ8025A(內置4個MOSFET)、滿足802.3bt標準的受電設備(PD)端接口控制器IC NCP1095/96、支持模擬調光和脈寬調制(PWM)調光的DC-DC 恒流降壓控制器FL7760、輸入電壓達150 V的線性穩壓器NCP781(用于給接收端的BLE芯片供電)。

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的集成控制器提供達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，可在該平臺中添加隔離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，集成過流、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：以太網供電-受電設備(PoE-PD) 設計采用DC-DC 轉換器

特別地，該方案PoE級的電源轉換能效達99.2%，幾個主要器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：主要器件的紅外熱像圖

工業照明平臺 – 模塊化設計

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塊化設計，再組合起來，形成一個完整的智能照明開發平臺。

圖4：工業照明平臺采用模塊化設計

安森美半導體將推出模塊化LED照明平臺

新的平臺支持BLE、Zigbee、PoE等多種通信方式和交流輸入或PoE供電，輸出功率范圍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/濕度傳感器等都是模塊化的設計，可靈活組合，能效超過90%。

照明即平臺促成更多創新

從市場的反饋來講，照明正成為一個新的平臺，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傳感器，包括溫度、濕度、壓力等環境傳感器、飛行時間(ToF)傳感器、氣體傳感器等。大面積Mesh網絡的應用正促成創新的用例，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用例的平臺，安森美半導體的低功耗互聯、無電池的能量采集方案正推動智聯照明的創新，并將推出模塊化多聯接、多傳感器智聯照明平臺，助力設計人員更快實現樓宇自動化的節能和創新。

關鍵詞：安森美半導體智聯照明