安森美半導(dǎo)體的智聯(lián)照明方案提供節(jié)能、安全性并加快創(chuàng)新

智聯(lián)照明是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用中增長最高的領(lǐng)域之一，包括住宅和工業(yè)照明。高能效、低功耗和安全性是進(jìn)行智聯(lián)照明創(chuàng)新和實(shí)現(xiàn)節(jié)能最重要的因素。安森美半導(dǎo)體提供藍(lán)牙低功耗(BLE)、Zigbee Green Power、以太網(wǎng)供電(PoE)等多種低功耗聯(lián)接方案，滿足不同照明應(yīng)用場景的聯(lián)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(hù)，為簡化和加快設(shè)計(jì)，安森美半導(dǎo)體不久將推出模塊化多聯(lián)接、多傳感器智聯(lián)照明平臺，供設(shè)計(jì)人員用作參考設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)樓宇自動化的節(jié)能和創(chuàng)新。

智聯(lián)照明市場趨勢和使能技術(shù)

照明技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，不斷呈現(xiàn)出新的趨勢。

高能效是永恒不變的主題。自LED開始取代傳統(tǒng)燈泡，為照明節(jié)能向前邁進(jìn)一大步。但這還不夠?，F(xiàn)代照明技術(shù)需要能根據(jù)實(shí)際環(huán)境來動態(tài)調(diào)整照明強(qiáng)度，如根據(jù)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(jù)使用者的狀態(tài)來調(diào)整光照，如在辦公室或工廠，照明系統(tǒng)需要根據(jù)是否有使用者在場來決定為相應(yīng)區(qū)域提供多少照明，這也不能只是簡單地點(diǎn)亮或關(guān)閉燈泡，還需調(diào)整光照，使得整個場所的光照強(qiáng)度能均勻的過渡，否則將會影響其他使用者的體驗(yàn)。

此外，模塊化的設(shè)計(jì)會更受歡迎，典型的例子如開關(guān)、調(diào)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(guān)。

照明還可用來提供室內(nèi)定位，如使用可見光通信，利用智能手機(jī)的攝像頭進(jìn)行用戶的室內(nèi)定位，這在超市和商場有很好的應(yīng)用場景，可使用戶快速找到想要的商品和服務(wù)，也可使商家通過云端大數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次用戶喜好的分析。

從控制端來看，除了開關(guān)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(nèi)的智能家居設(shè)備都已開始接入智能語音控制平臺，用戶可用語音來調(diào)整照明。還有廠商推出了能自動學(xué)習(xí)的照明系統(tǒng)，用戶將照明系統(tǒng)安裝完畢一段時間之后，系統(tǒng)可自動適應(yīng)環(huán)境，根據(jù)環(huán)境決定最佳照明方案，整個過程無需人為干預(yù)。在商用場景下，照明已開始作為一項(xiàng)服務(wù)來出售，用戶無需為具體照明設(shè)備和施工、安裝過程操心，只需為每單位光照買單，整個服務(wù)交給供應(yīng)商來完成。

另外還有一些新的應(yīng)用，如通過照明改善人的作息，調(diào)整生物鐘，再如農(nóng)業(yè)照明可在自然光照不足的情況下補(bǔ)充合適的光照，從而增加農(nóng)作物產(chǎn)量。

所有這些應(yīng)用都需要相應(yīng)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，如模塊化設(shè)計(jì)、集成度更高的智能家居網(wǎng)關(guān)、樓宇/家居自動化控制、人工智能技術(shù)、BLE、PoE、電力線通信(PLC)等。無論使用何種技術(shù)，對安全和低功耗的要求都是共同的。

智聯(lián)照明聯(lián)接需求及選項(xiàng)

從控制的角度，有基本的開關(guān)、調(diào)光和色溫控制。從通信的角度，智聯(lián)照明需要有上行通信和下行通信的能力，如與定位有關(guān)的通信，或通過用戶手機(jī)聯(lián)接后臺的云端服務(wù)的能力。從服務(wù)的角度，用戶希望廠商幫助管理能效，根據(jù)使用環(huán)境調(diào)整光照強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)自動化控制，整合傳感器網(wǎng)絡(luò)，及更方便地組網(wǎng)。

目前，市場上主流的聯(lián)接選項(xiàng)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(xié)議應(yīng)用層方面，BLE Mesh原生地考慮了不同設(shè)備的互聯(lián)互通問題，Zigbee 3.0基于集群庫(ZCL)統(tǒng)一了應(yīng)用層開發(fā)，還推出了跨平臺的IoT通用開發(fā)語言Dotdot，為更廣泛的IoT聯(lián)接做好了準(zhǔn)備。在聯(lián)接云端方面，BLE可直接與智能手機(jī)等移動設(shè)備聯(lián)接，Zigbee需通過網(wǎng)關(guān)。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(shè)計(jì)人員可根據(jù)應(yīng)用需求選擇最適合的選項(xiàng)。

1. BLE 網(wǎng)狀(Mesh)網(wǎng)絡(luò)

安森美半導(dǎo)體針對BLE的產(chǎn)品如藍(lán)牙5 認(rèn)證的RSL10系列，使用獨(dú)特設(shè)計(jì)達(dá)到業(yè)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(yōu)勢是其在移動端應(yīng)用普遍，具有廣泛的生態(tài)系統(tǒng)。此外，BLE是專門針對低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)，支持能量采集，符合物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的應(yīng)用趨勢，而且BLE從4.2版本開始支持Mesh網(wǎng)絡(luò)，將簡單的點(diǎn)對點(diǎn)通信擴(kuò)展為多對多拓?fù)洌瑥亩峁└蠓秶亩说蕉送ㄐ?，符合IoT應(yīng)用中組網(wǎng)的需求。理論上，1個Mesh網(wǎng)絡(luò)支持達(dá)32,000個節(jié)點(diǎn)，采用廣播的方式進(jìn)行通信，并內(nèi)置安全網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)“許多”設(shè)備與“許多其它”設(shè)備通信的大規(guī)模設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。不同設(shè)備之間易于互操作是BLE的另一個優(yōu)點(diǎn)，因此近幾年越來越廣泛地應(yīng)用于商業(yè)照明、智能家居、樓宇自動化、IoT傳感器網(wǎng)絡(luò)、資產(chǎn)追蹤等領(lǐng)域。

在一個典型的BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)都可收發(fā)信息，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可有一個或多個功能，如中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)收到的信息，代理節(jié)點(diǎn)使沒有藍(lán)牙Mesh堆棧的藍(lán)牙低功耗設(shè)備可與Mesh網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互，朋友節(jié)點(diǎn)存儲低功耗節(jié)點(diǎn)的信息，低功耗節(jié)點(diǎn)定期向朋友輪詢新信息以節(jié)能。

擴(kuò)展Mesh網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍是通過中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。BLE Mesh規(guī)范限制消息轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)不超過126次，同時已轉(zhuǎn)發(fā)過消息的節(jié)點(diǎn)不會再次轉(zhuǎn)發(fā)相同的消息，從而在擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時防止網(wǎng)絡(luò)阻塞。

BLE Mesh安全性是強(qiáng)制的，所有mesh消息都經(jīng)過加密和身份驗(yàn)證。可在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的生命周期內(nèi)通過“密鑰刷新”程序來更改安全密鑰。擾碼使跟蹤網(wǎng)絡(luò)內(nèi)發(fā)送的消息變得困難，從而提供了一種隱私機(jī)制，使得難以跟蹤節(jié)點(diǎn)，使Mesh安全保護(hù)網(wǎng)絡(luò)免受重放攻擊。此外，將設(shè)備添加到網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中成為節(jié)點(diǎn)的過程，本身就是一個安全的過程。也可以安全地從網(wǎng)絡(luò)中刪除節(jié)點(diǎn)，從而防止垃圾掃描攻擊。

2.  Zigbee Green Power

安森美半導(dǎo)體針對Zigbee 3.0的芯片如NCS36510。Zigbee基于IEEE 802.15.4物理層和MAC構(gòu)建，是一種成熟、安全的聯(lián)接標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)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(jìn)行遠(yuǎn)距離聯(lián)接。從Zigbee 3.0開始，Zigbee協(xié)議針對電池供電等低功耗節(jié)點(diǎn)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(xié)議，符合節(jié)能、環(huán)保大趨勢。

免電池技術(shù)

免電池技術(shù)用于盡可能少維護(hù)或免維護(hù)如避免布線、更換電池的某些智聯(lián)照明場景中，安裝更簡單，更具成本優(yōu)勢，同時便攜、靈活，易于重新部署，符合環(huán)保、節(jié)能大趨勢。安森美半導(dǎo)體的能量采集開關(guān)方案就是個例子，結(jié)構(gòu)簡單，可安裝到現(xiàn)有的開關(guān)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(jī)械開關(guān)和安森美半導(dǎo)體的Zigbee 系統(tǒng)單芯片(SoC) NCS36510構(gòu)成，能量采集機(jī)械開關(guān)用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并將此電能存儲在1個小電容中供后續(xù)芯片使用，協(xié)議棧采用DSR的Zigbee Green Power。根據(jù)客戶需求的不同，此方案中也可用BLE實(shí)現(xiàn)無線通信。

3.  PoE

除了無線聯(lián)接，PoE近幾年也開始應(yīng)用在照明場景中，因?yàn)樽钚碌?02.3bt供電能力已達(dá)90 W，足以滿足住宅照明的要求。PoE的最大優(yōu)勢包括成本優(yōu)勢，因?yàn)橥桓€纜可同時傳輸電力和數(shù)據(jù)，也支持燈泡間的菊花鏈聯(lián)接，此外，有線通信比無線通信更安全可靠，而且在大多數(shù)商業(yè)樓宇中都有以太網(wǎng)接口，部署方便。

安森美半導(dǎo)體的60 W PoE的智聯(lián)照明方案采用能量采集開關(guān)

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(nèi)置4個MOSFET)、滿足802.3bt標(biāo)準(zhǔn)的受電設(shè)備(PD)端接口控制器IC NCP1095/96、支持模擬調(diào)光和脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光的DC-DC 恒流降壓控制器FL7760、輸入電壓達(dá)150 V的線性穩(wěn)壓器NCP781(用于給接收端的BLE芯片供電)。

圖1：安森美半導(dǎo)體的60 W PoE的智聯(lián)照明方案

此方案中，符合IEEE802.3bt的集成控制器提供達(dá)60 W的功率，能效達(dá)到90%以上，PWM調(diào)光頻率1.3 MHz，PWM調(diào)光占空比0至100%，可實(shí)現(xiàn)1000至6000流明的照明強(qiáng)度。

若設(shè)計(jì)人員想改變電源架構(gòu)，可在該平臺中添加隔離DC-DC，如安森美半導(dǎo)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(hù)和頻率同步功能，整個系統(tǒng)能效超過92%。

圖2：以太網(wǎng)供電-受電設(shè)備(PoE-PD) 設(shè)計(jì)采用DC-DC 轉(zhuǎn)換器

特別地，該方案PoE級的電源轉(zhuǎn)換能效達(dá)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(tài)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(yè)照明平臺 – 模塊化設(shè)計(jì)

工業(yè)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(jìn)行功率因數(shù)校正(PFC)，安森美半導(dǎo)體提供很多高性能PFC控制器供設(shè)計(jì)人員選擇，此外，可把不同的供電端口、環(huán)境檢測部分、移動端的控制部分、室內(nèi)定位部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，再組合起來，形成一個完整的智能照明開發(fā)平臺。

圖4：工業(yè)照明平臺采用模塊化設(shè)計(jì)

安森美半導(dǎo)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(qiáng)度1000至7000流明，支持開、關(guān)、調(diào)光、編程等上行鏈路控制和定位等下行鏈路操作， LED燈串、環(huán)境光、溫/濕度傳感器等都是模塊化的設(shè)計(jì)，可靈活組合，能效超過90%。

照明即平臺促成更多創(chuàng)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(chuàng)新的應(yīng)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(huán)境傳感器、飛行時間(ToF)傳感器、氣體傳感器等。大面積Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用正促成創(chuàng)新的用例，如室內(nèi)定位、尋路和導(dǎo)航、資產(chǎn)跟蹤、興趣點(diǎn)服務(wù)等，從而進(jìn)一步提高智聯(lián)照明系統(tǒng)的投資回報率。

總結(jié)

智聯(lián)照明是IoT中增長最快的應(yīng)用類別之一，其帶來的節(jié)能提供明確的投資回報率。智聯(lián)照明正被轉(zhuǎn)換成支持多個創(chuàng)新用例的平臺，安森美半導(dǎo)體的低功耗互聯(lián)、無電池的能量采集方案正推動智聯(lián)照明的創(chuàng)新，并將推出模塊化多聯(lián)接、多傳感器智聯(lián)照明平臺，助力設(shè)計(jì)人員更快實(shí)現(xiàn)樓宇自動化的節(jié)能和創(chuàng)新。