【導讀】在智能建筑應用中，照明是建筑物的基礎功能，除了通過智能照明控制以達到節(jié)省能源、提高效率的目標外，通過可見光通信（VLC）技術，還可以實現(xiàn)室內(nèi)定位與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，同時提供了二合一的智能照明和聯(lián)接方案。本文將為您介紹VLC技術的發(fā)展，以及安森美（onsemi）推出的相關解決方案。
高效率、易管理的智能照明解決方案
智能建筑是基于智能網(wǎng)絡體系，使IoT產(chǎn)品之間實現(xiàn)溝通交流，通過互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程感知、控制以及居家建筑里一系列自動化電子設備的編程。比如休假時屋主可通過手機、平板或者個人電腦開啟房屋的安保系統(tǒng)、控制溫度、啟動或關閉電器、控制燈光照明、設置家庭影院或其他娛樂系統(tǒng)等等各種操作。
智能建筑的實現(xiàn)需要滿足一些基本要求，包括設備應具有某種程度的智能化，應相互聯(lián)接并聯(lián)接到云端，應具有從原本的主要功能中進行拆解得出新應用的能力（例如，音響還能用作播放警報），并應能夠在設備之上添加新的設備、應用和服務。
無論是家庭、商業(yè)還是工業(yè)用途的建筑物，都需要采用內(nèi)部照明。如今在建筑中的照明系統(tǒng)已經(jīng)擁有了實現(xiàn)高效和省電的可能性。當前的LED照明已基本上取代了白熾燈和鹵素燈泡，但照明的供電和使用方式并沒有太大變化。安裝照明的傳統(tǒng)方法是鋪設電源電纜到計劃的燈具位置。然而，市電是交流電源，但LED需要直流電源，這說明需要一個變壓器（對交流電進行整流），通常還需要一個額外的DC-DC轉(zhuǎn)換器來對變壓器的直流輸出進行下變頻。
想象一下，如果能夠?qū)⒅绷麟娫绰酚傻綗艟?，并考慮利用燈具做一些其他的工作，而不僅僅是為單個房間提供照明，將會更有意義。事實上，燈具除了照明之外，還可以提供一系列不同的功能。例如，通過在照明設備上加裝溫度、濕度和圖像的傳感器，可以監(jiān)測房間的溫度、濕度和房間占用情況。通過為這些方案添加有線或無線連接功能，終端用戶能夠在云端追蹤所有相關信息，實時地進行設置調(diào)整，從而提高效率、舒適度和安全性。所有這些裝置都是互聯(lián)的，且可以進行管理，以使智能建筑以最高效率運行。此外，考慮如何將單個燈具聯(lián)接起來，整合成一個照明系統(tǒng)，將可在建筑管理系統(tǒng)中實現(xiàn)自動化照明。
不過，想要達到上述的功能，便需要解決如何為燈具提供傳感器所需的直流電源和可靠的數(shù)字聯(lián)接等問題，由于節(jié)能建筑使用大量絕緣材料并且墻壁較厚，因此可排除無線技術。以太網(wǎng)供電（PoE）是個很好的候選方案，因為智能建筑現(xiàn)在通常都鋪設了Cat5或Cat6以太網(wǎng)電纜作為標準配置。將以太網(wǎng)電纜路由到燈具以取代主電源電纜，并可以提供聯(lián)接（以選定的速度）。以太網(wǎng)供電（PoE）還可將直流電壓輸送到傳感器和燈具。
可見光通信解決室內(nèi)定位與數(shù)據(jù)傳輸問題
另一方面，可見光通信（VLC）技術則可以實現(xiàn)室內(nèi)定位與數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。顧名思義，VLC使用光而不是射頻（RF）進行通信，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成調(diào)制光并傳輸?shù)浇邮掌?。調(diào)制光由接收器端的圖像傳感器或光電二極管捕獲，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，系統(tǒng)微控制器隨后對其進行處理。
事實上，VLC并不是新技術，在1880年代便已經(jīng)有相關技術，但受限于光源的穩(wěn)定性不足等因素，VLC技術并未得到發(fā)展，而LED技術的最新進展使VLC的適用性和效率得以恢復。新的LED技術使得使用相同的LED進行照明和通信變得更加容易，無需搭配單獨的通信基礎設施。VLC無需安裝和部署單獨的通信節(jié)點、接入點或信標，而是可以集成到現(xiàn)有燈具之中。
使用可見光作為數(shù)據(jù)載體具有顯著優(yōu)勢，即信息訪問點或廣播點可以集成到現(xiàn)有的燈具基礎設施中，從而節(jié)省安裝成本和復雜性。采用不需要深度調(diào)制幅度的調(diào)制技術，并保持穩(wěn)定的平均亮度水平，將保持用戶預期的照明水平。通過從幾kHz以上的調(diào)制頻率開始工作，數(shù)據(jù)流將保持對人眼完全不可見。
光通信當然永遠不會取代射頻通信，它是一種互補技術，在許多用例中，將共存甚至合作，以在應用中實現(xiàn)最佳結果。VLC的主要應用之一是工業(yè)環(huán)境中的室內(nèi)定位系統(tǒng)，使用該技術識別包裹或叉車等資產(chǎn)的位置。只需要在每個LED鎮(zhèn)流器嵌入一個唯一標識符，指示出在建筑物內(nèi)的位置，LED鎮(zhèn)流器通過可見光向接收器發(fā)出信號，接收器通過檢測代碼便可計算出位置，接收器可以是傳感器相機模塊或光電二極管。
在最簡單的形式中，移動單元可以有一個預編程的平面圖。平面圖數(shù)據(jù)庫包含唯一ID和燈具位置，燈具將不斷傳輸其唯一ID。移動單元上的光學傳感器或攝像頭模塊可捕獲ID，通過應用程序可進行三角測量以取得移動單元的位置，在現(xiàn)場可實現(xiàn)在三個維度上低至10~15厘米的精度。
為燈具設計人員提供一站式解決方案
目前市面上已經(jīng)有各式各樣的聯(lián)網(wǎng)燈具，但目前市面上的方案通常使用一個單獨的LED光源驅(qū)動IC，和一個用于數(shù)據(jù)連接的PoE控制器。安森美推出的NCL31010則將兩個器件集成到一個封裝中，使單個燈具成為完全互聯(lián)和管理的照明系統(tǒng)的一部分，并可實現(xiàn)許多其他功能。
該器件經(jīng)由PoE可提供超過90 W的功率，并含兩個輔助DC-DC轉(zhuǎn)換器，可為微控制器和傳感器供電。該器件的一個創(chuàng)新應用是VLC，這是使用單獨的LED驅(qū)動器和PoE控制器的照明系統(tǒng)所無法實現(xiàn)的。這涉及將（不可見的）數(shù)據(jù)直接調(diào)制到LED燈上，使其充當室內(nèi)定位系統(tǒng)（例如Yellow Dot?）的定位信標，從而克服目前其他無線系統(tǒng)（GPS、Wi-Fi?等）在室內(nèi)定位用途上精度不足的顯著問題。
如此一來，LED燈具的功能將不僅僅是簡單地照亮建筑物內(nèi)部，通過PoE這種供電和聯(lián)接方案，可支持燈具提供一系列其他智能功能，以支持實現(xiàn)建筑自動化。NCL31010將為燈具設計人員提供一站式方案，來管理他們的供電和聯(lián)接要求。
高度集成、多功能的LED驅(qū)動器
NCL31010這款PoE接口LED驅(qū)動器，包含通過PoE設計連接和管理照明系統(tǒng)所需的所有元素，包括VLC（50kHz帶寬）和室內(nèi)定位功能，并通過IEEE802.3bt/at/af標準認證，可提供超過90W的系統(tǒng)功率。
NCL31010集成了一個高效降壓LED驅(qū)動器（97%），支持高帶寬模擬和PWM調(diào)光至零電流。包含兩個輔助DC-DC轉(zhuǎn)換器，例如為系統(tǒng)微控制器和傳感器供電，包括高精度計量（±1%）和診斷，以測量輸入和輸出電流和電壓、LED或系統(tǒng)溫度以及DC-DC電壓和電流。NCL31010集成了3.3V降壓轉(zhuǎn)換器，是可調(diào)2.5至24V降壓轉(zhuǎn)換器，并支持I2C或SPI串行接口。
NCL31000系列包括非PoE版本以適應其他通信標準的NCL31000，以及支持多通道解決方案的縮減功能版本的NCL31001。NCL31000系列可應用在互聯(lián)LED照明、可見光通信、室內(nèi)定位，常見的終端產(chǎn)品包括智能LED燈具、可管理LED照明系統(tǒng)、多通道LED照明等。
結語
智能照明是智能建筑應用中的基礎，結合PoE與VLC技術，將可大幅降低建置的成本，并為許多新應用打開了大門，克服了當今射頻技術實施時的一些限制。憑借來自安森美的高度集成和高效的LED驅(qū)動器，將可提供擴展信息和定位服務的各種有價值附加技術，將會是智能照明應用的理想解決方案。
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