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以乙太網路供電的室內定位系統
高性能、更安全和靈活性

【作者: Mike Sandyck】   2022年02月22日 星期二

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乙太網路供電(PoE)能夠以安全和高效的方式提供超過90瓦的電力,它一直是聯網照明系統的一個關鍵增長動力。將其與可見光通訊(VLC)的優勢相結合,可以開發出極安全、高性能的室內定位系統,在特定應用領域可提供比基於射頻的解決方案更好的性能。


PoE標準(IEEE 802.3xx)

制定PoE標準是為了讓低功耗的外部設備從中央集線器獲得電力,消除在建築物內運行主電源涉及的複雜性、成本和符合相關規範的問題。與許多標準一樣,IEEE 802.3xx PoE標準經過多年的發展,每次更新都能提供更多的功能和功率。


首個標準(IEEE 802.3af)於2003年制定,為IP電話、接入點和感測器等設備提供15.4W的功率。實際上,由於電纜損耗,每個外部設備的可用功率在13.0W左右。該標準的下一個版本(IEEE 802.3at),被稱為PoE+,提供了30 W的電力,若考慮到損耗,則電力降低到25 W。這支援更複雜的設備供電,並為平板電腦等小型設備充電。


雖然其他兩個標準仍然有效,但目前的PoE標準是IEEE 802.3bt。該標準於2018年制定,分為Type 3(PoE++)和4型(更高功率的PoE),前者每埠可提供達60 W,後者在使用時可提供達90W。



圖一 : 不斷演進的PoE標準概覽
圖一 : 不斷演進的PoE標準概覽

雖然Type 802.3bt適用於筆記型電腦等設備,但隨著LED照明的出現,它透過PoE也提供了為中大型智慧照明系統供電的可能性。


PoE照明系統和可見光通訊

PoE照明有很多優點;其中兩個主要優點是安全和靈活性。由於PoE匯流排電壓在設計上保持在60伏直流安全開關值以下,因此系統避免了交流電源電壓的危險性,如觸電和火災。唯一需要的硬接佈線是在燈具上?一條用於供電和資料的CAT 5乙太網路電纜。這無需啟動主電源,降低成本/複雜性,包括主電源到牆壁開關。


由於乙太網路的連接,照明系統的控制端可透過本地網路進行設置,因而提供更廣泛的控制選項。感測器可以提供關於房間佔用情況的回饋,以改善電力使用,以及整合溫度和空氣品質控制。壁式開關可以轉向超薄的能量採集無線設計,省去電池或電源連接,從而輕鬆快速地重新佈署建築中的空間。


基於VLC的定位系統

但這不是一項新技術,它可追溯到19世紀80年代的亞歷山大-格雷厄姆-貝爾開發的光電電話,能以可見光為媒介傳輸資料流程的能力正引起人們的關注?特別是在室內應用。VLC的一個明顯的應用是基於光的網路(Li-Fi),極其適用於有爆炸風險的危險區域或敏感設備可能受到射頻無線干擾的區域,如醫院或飛機上。



圖二 : 可見光通訊(VLC)
圖二 : 可見光通訊(VLC)

另一個不太明顯的應用是將光用於室內定位系統,該系統可以引導無人搬運車(AGV)在倉庫或智慧工廠中行駛,或協助人們在機場、體育場館或醫院等大型建築中導航。這種定位也帶來了商業機會,如定位行銷?將消費者的注意力吸引到可能就在他們旁邊的特別優惠上。


基於VLC的定位系統解決了GPS在室內情景下的許多問題。GPS信號未必能很好地穿透建築物,如果它穿透了,那麼當它從牆上反彈時,多徑傳播將導致系統的不準確。


VLC定位的操作有點類似於GPS。每個燈具都有自己獨特的代碼,透過以人眼無法察覺的頻率調製光線來廣播。智慧手機或其他配備有攝影鏡頭和應用程式的類似設備能夠對三個或更多燈具的距離進行三角測量,並計算出位置,準確度高達30公分。


設計基於PoE的VLC系統

能效和小尺寸是設計基於PoE的VLC系統的設計人員面臨的兩個主要挑戰,同時還需要快速向市場交付設計。藉由基於PoE的智慧照明方案,將幾個高度整合的器件整合到一個緊湊的元件封裝中,能夠大幅簡化設計過程。



圖三 : 基於PoE的智慧照明系統
圖三 : 基於PoE的智慧照明系統

NCP1095和NCP1096是PoE-PD介面控制器,確保照明方案符合IEEE 802.3af/at和802.3bt標準。它們包含一個PoE系統的所有功能,包括檢測、分類和湧浪電流限制。NCP1095和NCP1096都支援高達90 W的應用,並整合了過電流和過熱保護,從而保護了設備和照明負載。NCP1095採用一個外部通電晶體以提高設計的靈活性,而NCP1096則是個全整合方案。


除了介面控制器,安森美還提供NCL31000先進的光引擎,包括高能效和智慧照明系統所需的所有元素。該器件的關鍵在於97%能效的降壓LED驅動器,支持高頻寬模擬調光和PWM調光至零電流。該器件具有內建的DC/DC轉換器,為系統MCU和感測器等外部設備供電,無需分離式的DC-DC轉換器。這簡化了設計,節省了空間和元器件成本。


NCL31000的0.1%的調光精準度和高線性使其適用於VLC應用,包括基於光的定位。一個提升的、穩定的基準允許真正的調光到零的LED電流,並消除了所有鬼影的風險。全面的診斷,包括電流、電壓和溫度,都被準確測量,並透過I2C /SPI介面提供給系統MCU。


總結

LED技術帶來低功耗智慧照明,PoE標準持續發展,在使用時可提供90瓦的功率,兩種技術的融合使得現在有可能創建精密的照明系統,而不需要大量(和昂貴的)電源佈線。


雖然這些系統可在任何地方使用,但它們在危險區域,如礦井和石油/天然氣平台、高濕度環境以及靠近敏感設備的地方,如醫院或飛機上,特別有價值。


安森美的NCP1095和NCP1096 PoE-PD介面控制器及NCL31000先進的光引擎,利用高效電源配置和LED驅動器,提供成熟、高效和全整合的方案,減少設計任務,幫助照明方案更快地進入市場。


(本文作者Mike Sandyck為安森美產品行銷經理)


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