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安森美半导体的智联照明方案

发布时间:2020-03-12 08:14内容来源:网络整理 点击:

  智联照明是物联网(IoT)应用中增长最高的领域之一,包括住宅和工业照明。高能效、低功耗和安全性是进行智联照明创新和实现节能最重要的因素。安森美半导体提供蓝牙低功耗(BLE)、Zigbee Green Power、以太网供电(PoE)等多种低功耗联接方案,满足不同照明应用场景的联接需求,其免电池方案省去布线或更换电池的麻烦,无需维护,为简化和加快设计,安森美半导体不久将推出模块化多联接、多传感器智联照明平台,供设计人员用作参考设计,以实现楼宇自动化的节能和创新。

  智联照明市场趋势和使能技术

  照明技术经过多年发展,不断呈现出新的趋势。

  高能效是永恒不变的主题。自LED开始取代传统灯泡,为照明节能向前迈进一大步。但这还不够。现代照明技术需要能根据实际环境来动态调整照明强度,如根据不同的自然光条件、建筑物采光条件来决定最佳的照明。此外,还需要根据使用者的状态来调整光照,如在办公室或工厂,照明系统需要根据是否有使用者在场来决定为相应区域提供多少照明,这也不能只是简单地点亮或关闭灯泡,还需调整光照,使得整个场所的光照强度能均匀的过渡,否则将会影响其他使用者的体验。

  此外,模块化的设计会更受欢迎,典型的例子如开关、调光器之类的器件不再是固定在墙上,而是做成一个小模块,可随意移动和重新布局,如后文将介绍的免电池开关。

  照明还可用来提供室内定位,如使用可见光通信,利用智能手机的摄像头进行用户的室内定位,这在超市和商场有很好的应用场景,可使用户快速找到想要的商品和服务,也可使商家通过云端大数据进行深层次用户喜好的分析。

  从控制端来看,除了开关控制以外,移动端APP控制也已开始普及。随着智能语音的兴起,包括电灯在内的智能家居设备都已开始接入智能语音控制平台,用户可用语音来调整照明。还有厂商推出了能自动学习的照明系统,用户将照明系统安装完毕一段时间之后,系统可自动适应环境,根据环境决定最佳照明方案,整个过程无需人为干预。在商用场景下,照明已开始作为一项服务来出售,用户无需为具体照明设备和施工、安装过程操心,只需为每单位光照买单,整个服务交给供应商来完成。

  另外还有一些新的应用,如通过照明改善人的作息,调整生物钟,再如农业照明可在自然光照不足的情况下补充合适的光照,从而增加农作物产量。

  所有这些应用都需要相应的技术来实现,如模块化设计、集成度更高的智能家居网关、楼宇/家居自动化控制、人工智能技术、BLE、PoE、电力线通信(PLC)等。无论使用何种技术,对安全和低功耗的要求都是共同的。

  智联照明联接需求及选项

  从控制的角度,有基本的开关、调光和色温控制。从通信的角度,智联照明需要有上行通信和下行通信的能力,如与定位有关的通信,或通过用户手机联接后台的云端服务的能力。从服务的角度,用户希望厂商帮助管理能效,根据使用环境调整光照强度,实现自动化控制,整合传感器网络,及更方便地组网。

  目前,市场上主流的联接选项包括BLE、Zigbee Green Power、PoE等。BLE Mesh和Zigbee都用于家居/楼宇自动化、照明、抄表等市场。在协议应用层方面,BLE Mesh原生地考虑了不同设备的互联互通问题,Zigbee 3.0基于集群库(ZCL)统一了应用层开发,还推出了跨平台的IoT通用开发语言Dotdot,为更广泛的IoT联接做好了准备。在联接云端方面,BLE可直接与智能手机等移动设备联接,Zigbee需通过网关。在路由方面,BLE Mesh采用受控泛洪,而Zigbee采用基于路径开销的路由算法。设计人员可根据应用需求选择最适合的选项。

  1、BLE 网状(Mesh)网络

  安森美半导体针对BLE的产品如蓝牙5 认证的RSL10系列,使用独特设计达到业界最低功耗,在深度睡眠模式下的功耗仅62.5纳瓦(nW),峰值接收功耗仅7毫瓦(mW)。

  BLE最大的优势是其在移动端应用普遍,具有广泛的生态系统。此外,BLE是专门针对低功耗应用而设计,支持能量采集,符合物联网(IoT)的应用趋势,而且BLE从4.2版本开始支持Mesh网络,将简单的点对点通信扩展为多对多拓扑,从而提供更大范围的端到端通信,符合IoT应用中组网的需求。理论上,1个Mesh网络支持达32,000个节点,采用广播的方式进行通信,并内置安全网络标准,实现“许多”设备与“许多其它”设备通信的大规模设备联网。不同设备之间易于互操作是BLE的另一个优点,因此近几年越来越广泛地应用于商业照明、智能家居、楼宇自动化、IoT传感器网络、资产追踪等领域。

  在一个典型的BLE Mesh网络中,所有节点都可收发信息,网络中的节点可有一个或多个功能,如中继节点转发收到的信息,代理节点使没有蓝牙Mesh堆栈的蓝牙低功耗设备可与Mesh网络中的节点进行交互,朋友节点存储低功耗节点的信息,低功耗节点定期向朋友轮询新信息以节能。

  扩展Mesh网络的覆盖范围是通过中继节点的转发机制来实现。BLE Mesh规范限制消息转发的次数不超过126次,同时已转发过消息的节点不会再次转发相同的消息,从而在扩展网络覆盖范围的同时防止网络阻塞。

  BLE Mesh安全性是强制的,所有mesh消息都经过加密和身份验证。可在网状网络的生命周期内通过“密钥刷新”程序来更改安全密钥。扰码使跟踪网络内发送的消息变得困难,从而提供了一种隐私机制,使得难以跟踪节点,使Mesh安全保护网络免受重放攻击。此外,将设备添加到网状网络中成为节点的过程,本身就是一个安全的过程。也可以安全地从网络中删除节点,从而防止垃圾扫描攻击。

  2、 Zigbee Green Power

  安森美半导体针对Zigbee 3.0的芯片如NCS36510。Zigbee基于IEEE 802.15.4物理层和MAC构建,是一种成熟、安全的联接标准,已获得了众多智能照明厂商的支持,如宜家、小米、飞利浦等,其新版本向前兼容。Zigbee易于在楼宇中实施,可灵活部署和重新配置,使用Mesh和较低干扰的物理层可进行远距离联接。从Zigbee 3.0开始,Zigbee协议针对电池供电等低功耗节点或免电池供电的能量采集方案推出了小型化的Zigbee Green Power子协议,符合节能、环保大趋势。

  免电池技术

  免电池技术用于尽可能少维护或免维护如避免布线、更换电池的某些智联照明场景中,安装更简单,更具成本优势,同时便携、灵活,易于重新部署,符合环保、节能大趋势。安森美半导体的能量采集开关方案就是个例子,结构简单,可安装到现有的开关面板上,部署灵活,无需施工和布线,无需额外的DC-DC供电,无需电池,使用寿命长。该方案主要由采埃夫公司的能量采集机械开关和安森美半导体的Zigbee 系统单芯片(SoC) NCS36510构成,能量采集机械开关用于将机械能转换为电能,并将此电能存储在1个小电容中供后续芯片使用,协议栈采用DSR的Zigbee Green Power。根据客户需求的不同,此方案中也可用BLE实现无线通信。

  3、 PoE

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