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LED和Li-Fi照亮了連接照明系統的未來
 

【作者: Paul Golata】   2019年03月12日 星期二

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直到最近,照明系統作為局部照明運行。然而,隨著我們對連接和數據的依賴性不斷增加,這一目的正在不斷發展。照明連接系統(CLS)將發光二極體(LED)功能與物聯網(IoT)連接相結合,使設計工程師能能夠同時提供照明和傳輸數據的方案。利用物聯網作為其數據收集平台,CLS將節省電能,同時為人員和組織開闢新的服務和優勢。


CLS的核心是一種名為Li-Fi的新興光學無線通訊技術,它是 Connected lighting systems 的縮寫。Li-Fi於2011年推出,採用IEEE 802.11協議,並逐漸成為不斷縮小頻譜的Wi-Fi系統的可行替代方案,並使照明成為智慧基礎設施的中心點。本文探討了物聯網技術的作用,Li-Fi通過照明傳輸數據,作為一種新興的技術,需要不斷完善CLS系統才能發揮其潛力。


物聯網的作用

物聯網的爆炸式增長是一場技術革命。智慧感測器技術和無線連接使設計工程師專注於如何感知和收集數據,以及如何使其用於基於網路處理和操作。感測器、無線連接和數位數據為進一步CLS的發展奠定了基礎。


光學感測器

感測器無處不在,測量濕度、溫度、壓力、空氣質量、振動和揮發性有機化合物(VOC)等方面,僅舉幾例。感測器檢測物理世界產生的模擬信號,然後將其轉換為可由嵌入式系統進行控制和操縱的數位數據信號(圖1)。光學感測器將光能轉換為可讀的電信號,可以檢測燈是打開還是關閉,並檢測光強度。


連接現代城市形象

圖為感測器接收來自物理世界的類比信號,並將其轉換為可由嵌入式系統控制的數位數據訊號。


無線連接

Wi-Fi是一種允許設備連接到無線局域網(WLAN)的技術。 Wi-Fi使用射頻(RF)頻譜範圍(20kHz-300GHz)的電磁波輻射,主要頻率範圍為五個主頻:2.4GHz、3.6GHz、4.9GHz、5GHz和5.9GHz。目前,大多數消費級產品專注於2.4GHz和5GHz頻率中的一個或兩個。然而,Wi-Fi存在缺點,包括易受駭客攻擊以及頻譜已經接近接入容量。


數位數據

數位數據易於儲存以備將來使用。結合人工智慧(AI)和大數據分析(BDA)預測、應用、擴展和利用這些數據的未來,設計目標是將照明系統納入這一整體技術架構。物聯網承諾提供更智慧化的各種端到端解決方案。


Li-Fi:光無線通訊

CLS將LED功能與物聯網連接相結合,使設計工程師能夠同時提供照明和傳輸數據的方案。這些系統的核心是固態照明(SSL),它是使用LED作為照明源而不是燈絲、等離子體或氣體的照明。LED為設計人員提供了一系列選項,例如開關之間的快速調製以及控制顏色和輸出流明的能力,它們還具有持久、緊湊、耐用和節能的特點,使其成為擴展用途的良好基礎。


作為光學無線通訊(OWC)技術,Li-Fi已經發展為通過可見光傳輸數據,雖然Wi-Fi使用無線電波傳輸數據,但Li-Fi使用紅外線、紫外線和可見光波,這提供了幾個優勢。雖然Wi-Fi頻譜擁擠到接近危機的程度,但可見的Li-Fi頻譜比RF對應頻譜大近10,000倍。Li-Fi還可以提供與Wi-Fi相當的資料傳輸速率,可靠、高質量的傳輸速度高達>30Mbps。更重要的是,Li-Fi使用視線(LoS)架構,這使其對駭客行為具有高度免疫力;當駭客攔截數據流時,數據通常會消失。


LED能夠快速調製打開和關閉是Li-Fi工作原理的關鍵:數據通過這些調製和解調方案,從一個位置傳輸到另一個位置。Li-Fi通過獲取流數據內容,並將其插入SSL驅動程式來運行;此SSL驅動程式可以運行一串LED燈,以高速打開和關閉它們,隨著LED燈的開啟和關閉,選通頻率比眼睛看得更快,它們照亮了上下文區域。


在這個區域內有一個Li-Fi加密狗(dongle),這是一個連接到電腦的整合設備,包含一個光電探測器來感應光線,它通過產生與其表面上的光量成比例的電流來響應,微小的電信號進入帶有放大器的電子電路,可以增強信號,在信號通過與諸如筆記型電腦、可攜式電腦、行動設備或行動電話之類設備的無線連接離開加密狗之前,進一步進行信號調節和處理。


整體統一:產品、系統和軟體

幾年前,LED製造商開始優先考慮創建一個統一的解決方案–即能夠在一個地方與所有各種機電系統進行交互的照明。隨著物聯網的蓬勃發展,該計劃顯示了使用硬體、物聯網、軟體和介面資產,實現CLS潛力所需的三種不同的可持續支持。


硬體資產

硬體資產需要LED元件的封裝和電子驅動器的使用來控制通過LED元件的電流。設計人員還必須考慮相關的電光機械功能,以查看這些設備的實現並將其轉換為成功的產品。硬體設計可能需要散熱、安裝、封裝、光學控制以及與燈具將與之介面的物品的整合(使用通用和適用的設計代碼)。


添加智慧感測器以獲取模擬資訊,並將其轉換為數位資訊,也是此設計工作的一部分。簡而言之,供應商應關注所有相關硬體零組件如何協同工作。


物聯網資產

然而,只有硬體是不夠的。強大的CLS設計需要額外的措施,使其能夠成功連接到其他照明系統,並與之協同工作。CLS供應商必須解決系統整合的問題,包括數據安全性。


如何保護數據免受試圖控制的未授權用戶侵害?數據安全可能需要身份驗證工作,身份驗證可保護授權瀏覽的複雜密鑰,而後端儲存、電腦伺服器和分析也需要考慮。當進入物聯網領域時,CLS設計人員必須確保將數據傳入和傳出CLS的途徑可用,可靠且穩健。


軟體資產

物聯網通過雲提供了前所未有的廣泛服務。在物聯網的新世界中,提供基於雲的技術服務以支援其產品的CLS提供商將具有競爭優勢,因為它們將允許其客戶立即從其產品中獲得最大利益。


未來的交互性對於快速增長至關重要。標準解決方案允許多個供應商的產品,隨著時間的推移無縫地協同工作,提供經濟激勵和效益。無法與其他產品一起使用的解決方案將發現自己處於競爭劣勢,因為能夠跨越域和邊界而沒有問題的需求將成為主流。


介面

CLS供應商必須解決的另一個領域是通用應用程式編程介面(API)。美國能源部(DOE)意識到,要實現CLS的一些理想能源效益,這是一個需要克服的主要障礙。SSL更有效地節省能源。但是,連接到物聯網的多個CLS形式的SSL,將使明天的城市更加高效。


這種提高的效率將來自CLS在智慧電網內,將SSL和IoT結合在一起,允許辦公室、建築物、家庭、零售商、路燈等類似的協調,以便它們都作為優化的整個系統,而不是單獨工作。智慧感測器獲得的數據與數據分析相結合,可以進行調整,為統一系統內的每個位置節省資金,如果該位置與整體不相連,這是不可能的。美國能源部建議為用戶提供API,而照明行業則考慮採行通用的安全方法,以尋求最大限度地減少行業的系統整合問題。


結論

LED光源已成為一種途徑,通過資訊技術與物聯網的連接,照明可以從類比轉向數位,使生活更美好,更輕鬆。Li-Fi為CLS提供了光和傳輸數據的潛力,憑藉這些功能,照明系統可以替代不斷縮小的Wi-Fi頻譜,使照明成為智能基礎設施中的樞紐。互聯照明創新有望實現比我們今天生活的世界更加光明的未來,但與許多未來的創新一樣,眼見為憑。


(本文作者Paul Golata任職於Mouser Electronics)


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