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安森美半导体的智联照明方案提供节能、安全性并加快创新

2020-02-24 16:12
世纪电源网
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智联照明是物联网(IoT)应用中增长最高的领域之一,包括住宅和工业照明。高能效、低功耗和安全性是进行智联照明创新和实现节能最重要的因素。安森美半导体提供蓝牙低功耗(BLE)、Zigbee Green Power、以太网供电(PoE)等多种低功耗联接方案,满足不同照明应用场景的联接需求,其免电池方案省去布线或更换电池的麻烦,无需维护,为简化和加快设计,安森美半导体不久将推出模块化多联接、多传感器智联照明平台,供设计人员用作参考设计,以实现楼宇自动化的节能和创新。

智联照明市场趋势和使能技术

照明技术经过多年发展,不断呈现出新的趋势。

高能效是永恒不变的主题。自LED开始取代传统灯泡,为照明节能向前迈进一大步。但这还不够。现代照明技术需要能根据实际环境来动态调整照明强度,如根据不同的自然光条件、建筑物采光条件来决定最佳的照明。此外,还需要根据使用者的状态来调整光照,如在办公室或工厂,照明系统需要根据是否有使用者在场来决定为相应区域提供多少照明,这也不能只是简单地点亮或关闭灯泡,还需调整光照,使得整个场所的光照强度能均匀的过渡,否则将会影响其他使用者的体验。

此外,模块化的设计会更受欢迎,典型的例子如开关、调光器之类的器件不再是固定在墙上,而是做成一个小模块,可随意移动和重新布局,如后文将介绍的免电池开关。

照明还可用来提供室内定位,如使用可见光通信,利用智能手机的摄像头进行用户的室内定位,这在超市和商场有很好的应用场景,可使用户快速找到想要的商品和服务,也可使商家通过云端大数据进行深层次用户喜好的分析。

从控制端来看,除了开关控制以外,移动端APP控制也已开始普及。随着智能语音的兴起,包括电灯在内的智能家居设备都已开始接入智能语音控制平台,用户可用语音来调整照明。还有厂商推出了能自动学习的照明系统,用户将照明系统安装完毕一段时间之后,系统可自动适应环境,根据环境决定最佳照明方案,整个过程无需人为干预。在商用场景下,照明已开始作为一项服务来出售,用户无需为具体照明设备和施工、安装过程操心,只需为每单位光照买单,整个服务交给供应商来完成。

另外还有一些新的应用,如通过照明改善人的作息,调整生物钟,再如农业照明可在自然光照不足的情况下补充合适的光照,从而增加农作物产量。

所有这些应用都需要相应的技术来实现,如模块化设计、集成度更高的智能家居网关、楼宇/家居自动化控制、人工智能技术、BLE、PoE、电力线通信(PLC)等。无论使用何种技术,对安全和低功耗的要求都是共同的。

智联照明联接需求及选项

从控制的角度,有基本的开关、调光和色温控制。从通信的角度,智联照明需要有上行通信和下行通信的能力,如与定位有关的通信,或通过用户手机联接后台的云端服务的能力。从服务的角度,用户希望厂商帮助管理能效,根据使用环境调整光照强度,实现自动化控制,整合传感器网络,及更方便地组网。

目前,市场上主流的联接选项包括BLE、Zigbee Green Power、PoE等。BLE Mesh和Zigbee都用于家居/楼宇自动化、照明、抄表等市场。在协议应用层方面,BLE Mesh原生地考虑了不同设备的互联互通问题,Zigbee 3.0基于集群库(ZCL)统一了应用层开发,还推出了跨平台的IoT通用开发语言Dotdot,为更广泛的IoT联接做好了准备。在联接云端方面,BLE可直接与智能手机等移动设备联接,Zigbee需通过网关。在路由方面,BLE Mesh采用受控泛洪,而Zigbee采用基于路径开销的路由算法。设计人员可根据应用需求选择最适合的选项。

1. BLE 网状(Mesh)网络

安森美半导体针对BLE的产品如蓝牙5 认证的RSL10系列,使用独特设计达到业界最低功耗,在深度睡眠模式下的功耗仅62.5纳瓦(nW),峰值接收功耗仅7毫瓦(mW)。

BLE最大的优势是其在移动端应用普遍,具有广泛的生态系统。此外,BLE是专门针对低功耗应用而设计,支持能量采集,符合物联网(IoT)的应用趋势,而且BLE从4.2版本开始支持Mesh网络,将简单的点对点通信扩展为多对多拓扑,从而提供更大范围的端到端通信,符合IoT应用中组网的需求。理论上,1个Mesh网络支持达32,000个节点,采用广播的方式进行通信,并内置安全网络标准,实现“许多”设备与“许多其它”设备通信的大规模设备联网。不同设备之间易于互操作是BLE的另一个优点,因此近几年越来越广泛地应用于商业照明、智能家居、楼宇自动化、IoT传感器网络、资产追踪等领域。
在一个典型的BLE Mesh网络中,所有节点都可收发信息,网络中的节点可有一个或多个功能,如中继节点转发收到的信息,代理节点使没有蓝牙Mesh堆栈的蓝牙低功耗设备可与Mesh网络中的节点进行交互,朋友节点存储低功耗节点的信息,低功耗节点定期向朋友轮询新信息以节能。

扩展Mesh网络的覆盖范围是通过中继节点的转发机制来实现。BLE Mesh规范限制消息转发的次数不超过126次,同时已转发过消息的节点不会再次转发相同的消息,从而在扩展网络覆盖范围的同时防止网络阻塞。

BLE Mesh安全性是强制的,所有mesh消息都经过加密和身份验证。可在网状网络的生命周期内通过“密钥刷新”程序来更改安全密钥。扰码使跟踪网络内发送的消息变得困难,从而提供了一种隐私机制,使得难以跟踪节点,使Mesh安全保护网络免受重放攻击。此外,将设备添加到网状网络中成为节点的过程,本身就是一个安全的过程。也可以安全地从网络中删除节点,从而防止垃圾扫描攻击。

2.  Zigbee Green Power

安森美半导体针对Zigbee 3.0的芯片如NCS36510。Zigbee基于IEEE 802.15.4物理层和MAC构建,是一种成熟、安全的联接标准,已获得了众多智能照明厂商的支持,如宜家、小米、飞利浦等,其新版本向前兼容。Zigbee易于在楼宇中实施,可灵活部署和重新配置,使用Mesh和较低干扰的物理层可进行远距离联接。从Zigbee 3.0开始,Zigbee协议针对电池供电等低功耗节点或免电池供电的能量采集方案推出了小型化的Zigbee Green Power子协议,符合节能、环保大趋势。

免电池技术

免电池技术用于尽可能少维护或免维护如避免布线、更换电池的某些智联照明场景中,安装更简单,更具成本优势,同时便携、灵活,易于重新部署,符合环保、节能大趋势。安森美半导体的能量采集开关方案就是个例子,结构简单,可安装到现有的开关面板上,部署灵活,无需施工和布线,无需额外的DC-DC供电,无需电池,使用寿命长。该方案主要由采埃夫公司的能量采集机械开关和安森美半导体的Zigbee 系统单芯片(SoC) NCS36510构成,能量采集机械开关用于将机械能转换为电能,并将此电能存储在1个小电容中供后续芯片使用,协议栈采用DSR的Zigbee Green Power。根据客户需求的不同,此方案中也可用BLE实现无线通信。

3.  PoE

除了无线联接,PoE近几年也开始应用在照明场景中,因为最新的802.3bt供电能力已达90 W,足以满足住宅照明的要求。PoE的最大优势包括成本优势,因为同一根线缆可同时传输电力和数据,也支持灯泡间的菊花链联接,此外,有线通信比无线通信更安全可靠,而且在大多数商业楼宇中都有以太网接口,部署方便。

安森美半导体的60 W PoE的智联照明方案采用能量采集开关

在该免电池方案的无线通信部分采用的是BLE RSL10,特别适合超低功耗的场景,另外,该方案还采用了2个有源桥FDMQ8025A(内置4个MOSFET)、满足802.3bt标准的受电设备(PD)端接口控制器IC NCP1095/96、支持模拟调光和脉宽调制(PWM)调光的DC-DC 恒流降压控制器FL7760、输入电压达150 V的线性稳压器NCP781(用于给接收端的BLE芯片供电)。

   

图1:安森美半导体的60 W PoE的智联照明方案

此方案中,符合IEEE802.3bt的集成控制器提供达60 W的功率,能效达到90%以上,PWM调光频率1.3 MHz,PWM调光占空比0至100%,可实现1000至6000流明的照明强度。

若设计人员想改变电源架构,可在该平台中添加隔离DC-DC,如安森美半导体的有源钳位正激控制器NCP1566,它支持电压模式、峰值电流控制模式两种控制方式,集成过流、过压、过功率保护和频率同步功能,整个系统能效超过92%。

图2:以太网供电-受电设备(PoE-PD) 设计采用DC-DC 转换器

特别地,该方案PoE级的电源转换能效达99.2%,几个主要器件的红外热像图如图3所示,测试条件为PD端第8级71.3 W功率,PD 输入的最低电压和最高电流为41.1 VDC和 1.73 A,我们可看到在热平衡的状态下,整个板的最高温度不超过53 ℃,无需额外的散热处理。

图3:主要器件的红外热像图

工业照明平台 – 模块化设计

工业照明的功率往往较高,同时在交流供电的情况下,一般需要进行功率因数校正(PFC),安森美半导体提供很多高性能PFC控制器供设计人员选择,此外,可把不同的供电端口、环境检测部分、移动端的控制部分、室内定位部分进行模块化设计,再组合起来,形成一个完整的智能照明开发平台。

图4:工业照明平台采用模块化设计

安森美半导体将推出模块化LED照明平台

新的平台支持BLE、Zigbee、PoE等多种通信方式和交流输入或PoE供电,输出功率范围10至70 W,照明强度1000至7000流明,支持开、关、调光、编程等上行链路控制和定位等下行链路操作, LED灯串、环境光、温/湿度传感器等都是模块化的设计,可灵活组合,能效超过90%。

照明即平台促成更多创新

从市场的反馈来讲,照明正成为一个新的平台,承载更多创新的应用,如灯具除了安装灯泡外,还可嵌入越来越多的传感器,包括温度、湿度、压力等环境传感器、飞行时间(ToF)传感器、气体传感器等。大面积Mesh网络的应用正促成创新的用例,如室内定位、寻路和导航、资产跟踪、兴趣点服务等,从而进一步提高智联照明系统的投资回报率。

总结

智联照明是IoT中增长最快的应用类别之一,其带来的节能提供明确的投资回报率。智联照明正被转换成支持多个创新用例的平台,安森美半导体的低功耗互联、无电池的能量采集方案正推动智联照明的创新,并将推出模块化多联接、多传感器智联照明平台,助力设计人员更快实现楼宇自动化的节能和创新。

关于安森美半导体

安森美半导体(ON Semiconductor,美国纳斯达克上市代号:ON)致力于推动高能效电子的创新,使客户能够减少全球的能源使用。安森美半导体领先于供应基于半导体的方案,提供全面的高能效电源管理、模拟、传感器、逻辑、时序、互通互联、分立、系统单芯片(SoC)及定制器件阵容。公司的产品帮助工程师解决他们在汽车、通信、计算机、消费电子、工业、医疗、航空及国防应用的独特设计挑战。公司运营敏锐、可靠、世界一流的供应链及品质项目,一套强有力的守法和道德规范计划,及在北美、欧洲和亚太地区之关键市场运营包括制造厂、销售办事处及设计中心在内的业务网络。

安森美半导体和安森美半导体图标是 Semiconductor Components Industries, LLC的注册商标。所有本文中出现的其它品牌和产品名称分别为其相应持有人的注册商标或商标。虽然公司在本新闻稿提及其网站,但此稿并不包含其网站中有关的信息。

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