用以太網(wǎng)絡(luò)供電的室內(nèi)定位系統(tǒng)

以太網(wǎng)絡(luò)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(lián)網(wǎng)照明系統(tǒng)的一個關(guān)鍵增長動力。將其與可見光通訊（VLC）的優(yōu)勢相結(jié)合，可以開發(fā)出極安全、高性能的室內(nèi)定位系統(tǒng)，在特定應(yīng)用領(lǐng)域可提供比基于射頻的解決方案更好的性能。

PoE標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.3xx）
制定PoE標(biāo)準(zhǔn)是為了讓低功耗的外部設(shè)備從中央集線器獲得電力，消除在建筑物內(nèi)運行主電源涉及的復(fù)雜性、成本和符合相關(guān)規(guī)范的問題。與許多標(biāo)準(zhǔn)一樣，IEEE 802.3xx PoE標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過多年的發(fā)展，每次更新都能提供更多的功能和功率。
首個標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.3af）于2003年制定，為IP電話、接入點和傳感器等設(shè)備提供15.4W的功率。實際上，由于電纜損耗，每個外部設(shè)備的可用功率在13.0W左右。該標(biāo)準(zhǔn)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。這支持更復(fù)雜的設(shè)備供電，并為平板計算機等小型設(shè)備充電。
雖然其他兩個標(biāo)準(zhǔn)仍然有效，但目前的PoE標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.3bt。該標(biāo)準(zhǔn)于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，后者在使用時可提供達90W。

 

圖一 : 不斷演進的PoE標(biāo)準(zhǔn)概覽

雖然Type 802.3bt適用于筆記本電腦等設(shè)備，但隨著LED照明的出現(xiàn)，它透過PoE也提供了為中大型智能照明系統(tǒng)供電的可能性。

PoE照明系統(tǒng)和可見光通訊
PoE照明有很多優(yōu)點；其中兩個主要優(yōu)點是安全和靈活性。由于PoE總線電壓在設(shè)計上保持在60伏直流安全開關(guān)值以下，因此系統(tǒng)避免了交流電源電壓的危險性，如觸電和火災(zāi)。唯一需要的硬接布線是在燈具上?一條用于供電和數(shù)據(jù)的CAT 5以太網(wǎng)絡(luò)電纜。這無需啟動主電源，降低成本/復(fù)雜性，包括主電源到墻壁開關(guān)。

由于以太網(wǎng)絡(luò)的連接，照明系統(tǒng)的控制端可透過本地網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)置，因而提供更廣泛的控制選項。傳感器可以提供關(guān)于房間占用情況的回饋，以改善電力使用，以及整合溫度和空氣質(zhì)量控制。壁式開關(guān)可以轉(zhuǎn)向超薄的能量采集無線設(shè)計，省去電池或電源連接，從而輕松快速地重新布署建筑中的空間。

基于VLC的定位系統(tǒng)
但這不是一項新技術(shù)，它可追溯到19世紀80年代的亞歷山大-格雷厄姆-貝爾開發(fā)的光電電話，能以可見光為媒介傳輸數(shù)據(jù)流的能力正引起人們的關(guān)注?特別是在室內(nèi)應(yīng)用。VLC的一個明顯的應(yīng)用是基于光的網(wǎng)絡(luò)（Li-Fi），極其適用于有爆炸風(fēng)險的危險區(qū)域或敏感設(shè)備可能受到射頻無線干擾的區(qū)域，如醫(yī)院或飛機上。


 
圖二 : 可見光通訊（VLC）

另一個不太明顯的應(yīng)用是將光用于室內(nèi)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以引導(dǎo)無人搬運車（AGV）在倉庫或智慧工廠中行駛，或協(xié)助人們在機場、體育場館或醫(yī)院等大型建筑中導(dǎo)航。這種定位也帶來了商業(yè)機會，如定位營銷?將消費者的注意力吸引到可能就在他們旁邊的特別優(yōu)惠上。
基于VLC的定位系統(tǒng)解決了GPS在室內(nèi)情景下的許多問題。GPS信號未必能很好地穿透建筑物，如果它穿透了，那么當(dāng)它從墻上反彈時，多徑傳播將導(dǎo)致系統(tǒng)的不準(zhǔn)確。
VLC定位的操作有點類似于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(diào)制光線來廣播。智能手機或其他配備有攝影鏡頭和應(yīng)用程序的類似設(shè)備能夠?qū)θ齻€或更多燈具的距離進行三角測量，并計算出位置，準(zhǔn)確度高達30公分。

設(shè)計基于PoE的VLC系統(tǒng)
能效和小尺寸是設(shè)計基于PoE的VLC系統(tǒng)的設(shè)計人員面臨的兩個主要挑戰(zhàn)，同時還需要快速向市場交付設(shè)計。藉由基于PoE的智能照明方案，將幾個高度整合的器件整合到一個緊湊的組件封裝中，能夠大幅簡化設(shè)計過程。

 
圖三 : 基于PoE的智能照明系統(tǒng)

NCP1095和NCP1096是PoE-PD接口控制器，確保照明方案符合IEEE 802.3af/at和802.3bt標(biāo)準(zhǔn)。它們包含一個PoE系統(tǒng)的所有功能，包括檢測、分類和涌浪電流限制。NCP1095和NCP1096都支持高達90 W的應(yīng)用，并整合了過電流和過熱保護，從而保護了設(shè)備和照明負載。NCP1095采用一個外部通晶體管以提高設(shè)計的靈活性，而NCP1096則是個全整合方案。
除了接口控制器，安森美還提供NCL31000先進的光引擎，包括高能效和智能照明系統(tǒng)所需的所有元素。該器件的關(guān)鍵在于97%能效的降壓LED驅(qū)動器，支持高帶寬模擬調(diào)光和PWM調(diào)光至零電流。該器件具有內(nèi)建的DC/DC轉(zhuǎn)換器，為系統(tǒng)MCU和傳感器等外部設(shè)備供電，無需分離式的DC-DC轉(zhuǎn)換器。這簡化了設(shè)計，節(jié)省了空間和元器件成本。
NCL31000的0.1%的調(diào)光精準(zhǔn)度和高線性使其適用于VLC應(yīng)用，包括基于光的定位。一個提升的、穩(wěn)定的基準(zhǔn)允許真正的調(diào)光到零的LED電流，并消除了所有鬼影的風(fēng)險。全面的診斷，包括電流、電壓和溫度，都被準(zhǔn)確測量，并透過I2C /SPI接口提供給系統(tǒng)MCU。

總結(jié)
LED技術(shù)帶來低功耗智能照明，PoE標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)發(fā)展，在使用時可提供90瓦的功率，兩種技術(shù)的融合使得現(xiàn)在有可能創(chuàng)建精密的照明系統(tǒng)，而不需要大量（和昂貴的）電源布線。
雖然這些系統(tǒng)可在任何地方使用，但它們在危險區(qū)域，如礦井和石油/天然氣平臺、高濕度環(huán)境以及靠近敏感設(shè)備的地方，如醫(yī)院或飛機上，特別有價值。
安森美的NCP1095和NCP1096 PoE-PD接口控制器及NCL31000先進的光引擎，利用高效電源方案和LED驅(qū)動器，提供成熟、高效和全整合的方案，減少設(shè)計任務(wù)，幫助照明方案更快地進入市場。
（本文作者Mike Sandyck為安森美產(chǎn)品營銷經(jīng)理）