實現高效、節能的連網照明系統

作者 : Bruno Damien,安森美半導體EMEA區域物聯網戰略行銷總監

智慧照明系統最重要的一部分,就是所有東西進行通訊的方式以及所使用的連結技術。 連結的要求包括在進行系統設定時,使用中的每個裝置之間的連結,以及建築物管理系統與所控制照明之間的通訊。

在全球範圍內,照明是最大的能源消耗應用之一。隨著成本和環保顧慮的提高,尋找應用技術和創新以最佳化照明能效和功能並降低其功率需求的方法變得越來越重要。

藉由智慧、連網的照明控制,可以滿足提高能效和更多功能的需求。住宅應用中的智慧照明控制的市場容量是工業建築中的四倍。它們共同構成了物聯網(IoT)成長最快的部分。通常,住宅連網的或連網照明系統會比工業照明系統簡單得多,材料清單(BoM)較小、成本較低。

最簡單的連網照明可以只透過遠端控制,或是預先設定在一天內的固定時間開關燈的功能。更進一步,連網照明系統可以添加額外的功能,如LED調光和顏色控制。

此外,還有多種選擇可供選擇,特別是將感測器添加到複雜的環境中,例如根據環境光水準或檢測到房間中是否有人來控制照明。 對於工業應用而言,溫度、濕度和光線水準等感測器非常寶貴,因為它們的資料既可用於控制照明,又有助於系統維護。

今日無所不在的智慧型手機意味著照明系統可以在行動裝置上提供精密的使用者介面,節省專用螢幕或複雜按鈕的成本。

把所有東西連在一起

當然,智慧照明系統最重要的一部分,就是所有東西進行通訊的方式以及所使用的連結技術。 連結的要求包括在進行系統設定時,使用中的每個裝置之間的連結,以及建築物管理系統與所控制照明之間的通訊。

首先要確定我們要採用有線還是無線連結。 對於電池供電照明,無線的主要好處是不需要佈線,從而顯著節省成本。應用於照明控制的主流無線協議包括藍牙低功耗(BLE)和Zigbee Green Power,而近場通訊(NFC)可用於設置和配置。

針對市電照明,無線也還是個不錯的選擇,因為它避免了在電源線之外佈署第二條數據線的需要。另外,乙太網路供電(PoE)也意味著現在可以使用一條電纜同時供電和連網。

將乙太網路供電應用於照明系統

PoE 2標準(802.3bt)可以提供高達90W的功率──對於基於LED照明來說這是足夠的,因為功耗比傳統的白熾燈泡更低。

一個實作範例是60W連網照明方案,使用符合IEEE 802.3bt的整合控制器透過乙太網路纜線供電。該方案可支援達兩個LED串聯,並有兩個LED通道,採用安森美半導體的FL7760高邊檢測(high-side sensing)、恆流降壓控制器。

透過這種配置,PWM訊號可以使用1.3MHz的脈寬調變(PWM)頻率控制0~100%的調光。由藍牙低功耗無線電如RSL10提供亮度控制,RSL10適用於RF啟動的能量採集方案。RSL10的電源電壓由簡單的高壓LDO提供。

該方案可實現超過90%的能效,確保將PoE控制器產生的幾乎所有能量都轉換為照明,從而使設計可提供高達6,000流明。這樣的性能可以符合當前最小化功率並提供連網的照明方案需求。

藍牙低功耗網狀網路

以無線網狀網路技術代替簡單的點對點通訊,非常適合工業照明應用;因為它支援大量裝置之間彼此互連以及對外的連結。藍牙低功耗現在具備創建一個多達3萬2,000台裝置之網狀網路的能力,並內建標準安全性,可大幅簡化擴大範圍之照明方案的設置。

圖1:藍牙低功耗網狀網路設備有不同的功能支援網狀框架。

圖1:藍牙低功耗網狀網路設備有不同的功能支援網狀框架。 (圖片來源:Bluetooth SIG)

在網狀網路中,每個節點都可以是一盞燈,同時具備一個或多個其他功能,每個節點對於整個網狀網路框架的功能性都是不可或缺。中繼節點可以轉發接收到的訊息,從而在必要時幾乎無限地擴大網路。

代理節點(proxy nodes)能與其他不支援藍牙低功耗的節點進行通訊,並將它們帶進網狀網路中,而「朋友節點」(friend node)則為運作在低功耗模式下的其他節點儲存訊息。低功耗節點會定期輪詢(poll)朋友節點以取得訊息,並因此更節能。

在任何連網系統中安全性都至關重要,藍牙低功耗網狀網路也不例外。所有訊息都經過加密/身份驗證與混淆(obfuscation),使得追蹤訊息變得困難,從而防止重送攻擊(replay attack)。在藍牙低功耗協議中,有一個更改安全金鑰的程序和一個向網狀網路添加節點的安全程序;從藍牙低功耗網路刪除節點也可以安全地完成,以防止「垃圾桶攻擊」(trashcan attack)。

藍牙低功耗網狀網路之外的另一個替代方法是Zigbee Green Power,其發展歷史更長。Zigbee奠基於IEEE 802.15.4 MAC和PHY,已經被應用於IKEA、小米(Xiaomi)和飛利浦(Philips)等照明產品。該環保、低功耗協議符合新趨勢,並且易於在建築物中實現、部署和重新配置。

藍牙低功耗(當前版本)具有本地網狀網路模型並使用智慧型手機連結雲端,而Zigbee仰賴Dotdot或Zigbee叢集程式庫(ZCL),採用專屬閘道器,只有很少數行動裝置支援Zigbee。

 

圖2:藍牙低功耗網狀網路和Zigbee協議的比較。

 

Zigbee可以利用無電池或能量採集技術來提供輕便的開關,環保、免維護。由於不需要佈線,因此它們幾乎可以部署在任何地方,並且安裝成本非常便宜。

 

圖3:配對能量採集開關是個簡單而快速的過程。

 

像是安森美的NCS36510元件能協助輕鬆實現能量採集開關設置,該低功耗整合式SoC提供先進電源管理和IEEE 802.15.4收發器。支援使用最少的外部元件來設計完整而安全的無線網路。

連網照明平台

為了使開發更簡單快速,安森美打造工業LED照明方案模組化開發套件。該連網照明平台包括基於RSL10系統級封裝連網模組,可實現開/關、調光和編程等控制。RSL10 FOTA行動應用程式可在Google Play和Apple的應用程式商店中下載,並增加了對無線韌體升級的支援。 RSL10 Sense and Control應用程式使開發人員能夠從行動裝置控制和監控環境感測器和執行器。CMSIS套件提供的應用範例支援添加新功能以及進一步的自訂。

該連網照明平台支援兩個LED燈串,LED驅動器板有兩個FL7760驅動器,每個LED串一個,每串功率高達70W。 整體而言,該系統可提供高達70W、7,000流明的功率,如果選擇更高能效的LED (如150流明/瓦),則可提供更多功率。電源模組的選擇意味著該平台可以由AC-DC電源或使用PoE供電。

連網照明平台

圖4:連網照明平台。

靈活性和控制

即使系統相對簡單,連網照明也可以帶來降低能耗的關鍵優勢,從而節省成本。這使其成為工業和住宅環境中許多應用案例的理想選擇。隨著連網照明功能的發展,我們看到新的應用不斷湧現,例如醫療和農業。

這些應用都需要最佳化的控制系統,能使材料清單成本維持較低水準,並在精密特性與簡便性之間取得平衡。開發人員使用具有EMS友善BoM的設計套件,如安森美半的連網照明平台,無論是何種應用,都能節省構建LED照明系統的時間並降低風險。

 

本文由安森美半導體(On Semiconductor)供稿

 

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